不同降雨条件下典型海绵城市渗流场特征研究

黎一禾， 冯文凯， 白慧林， 魏昌利

(1. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都 610059；2.四川省地质调查院， 四川 成都 610081)

0 引 言

近年来，我国许多城市都饱受内涝灾害的影响，最典型的是市政雨水管道堵塞和道路积水现象频发，给城市管理与百姓生活造成不利影响.对此，一种以保护城市水循环的良好运行为主要目的，解决或减轻城市内涝现象的“海绵城市”概念应运而生，其关键就是通过建设系列海绵设施将雨水及时下渗排走.针对海绵设施渗流的相关问题，程树斌等[1]将负孔隙水压力与相对渗透系数及体积含水率三者关系简化为指数函数，利用拉普拉斯变换求解非饱和渗流方程，给出了绿化带雨水入渗的数学模型，分析了暴雨条件下植被土—碎石绿化带雨水入渗特征；张建军等[2]基于Biot理论研究非饱和道路结构在降雨时侧向渗流问题；朱岳明等[3]提出降雨入渗边界条件及非饱和逸出面边界条件在渗流场求解中的数学表达式；吴礼舟等[4]基于Van Genuchten模型和Richards方程，建立了一维非饱和渗流数学模型，得到降雨入渗过程中孔隙水压力分布情况和变化规律，发现土—水特征曲线对非饱和渗流有显著影响；黄耀英等[5]采用等效连续介质模型研究了渗流场和应力场耦合对混凝土坝位移的影响.2015年，遂宁市入选国家首批海绵城市建设试点城市，随着相关建设工程的开展，很有必要对工程区域复杂的排水状况和洪涝原因等相关情况进行分析.对此，本研究利用二维仿真数值模拟软件Geo-slope建立了研究区降雨入渗海绵设施后整个渗流场模型，得到监测点位孔隙水压力的变化，了解在不同降雨工况条件下模型的渗流情况，分析了研究区消除内涝的能力.

1 研究区概况

1.1 地理位置

研究区地处遂宁市东北部河东新区，位于东经105°35′38.94″，北纬30°31′52.91″，建成区面积10 km2.其区位图如图1所示.

图1研究区区位示意图

1.2 地质岩性及特征

根据勘察资料，遂宁市河东新区位于涪江一级阶地，表覆第四系冲积层岩性主要为粉土、粉质黏土、粉砂及砂卵砾石.涪江现河堤在原河堤位基础上进行一定回填加高，其工程地质剖面图如图2所示.

图2研究区工程地质剖面

研究区粉土层呈灰—灰黄色，稍密状态，厚约1.3～8.7 m；粉质黏土层为灰褐色、褐黄色，可塑—软塑，厚约2.2～5.7 m；粉砂层主要为浅黄色、灰褐色，厚约1.8～5.6 m；砂卵砾石层中，卵砾石含量约占95%，其中粒径<2 cm的约占5%，粒径为2～10 cm的约占75%，粒径为10～20 cm的约占15%，偶见粒径>20 cm的漂石，最大可见51 cm，密实度为中密—密实，厚约4～7 m.区内地下水位埋深约273～275 m.

1.3 典型海绵结构特征

经现场调研后，选取典型分析对象为五彩缤纷路多级别音乐公园—透水停车场(区位见图1，结构示意见图3).该新建公园项目建设时在充分发挥渗、滞功能的基础上，优先考虑地表空间对径流雨水进行蓄渗利用，可在满足自身功能要求的前提下，结合微地形处理构建下沉式绿地、湿塘、湿地等形成所需的低影响开发设施调蓄容积，并通过有组织的汇流与转输使径流雨水首先汇入下沉区域，实现雨水在源头的积存、渗透和净化，有效缓解“逢雨必涝、雨后即旱”问题.

图3海绵结构示意

2 模型与参数

2.1 模型使用数据

本研究使用的数据主要包括地质勘察设计和水文等数据.地质勘查设计资料由项目的合作单位提供，包含研究区内典型海绵设施附近小区的地勘报告等相关资料.水文数据主要包括研究区内的近10年来的降雨数据，具体如图4所示.

图4研究区近10年降雨量趋势

水文数据显示，遂宁市年均降雨量为927.5～993.3 mm，降雨年际变幅较大，最大年降雨量为1 371.4 mm(1956年)，最小降雨量为736.7 mm(1976年).降雨年内分布不均，冬季降雨量占年降雨量的4～5%，春季占年降雨量的20～22%，夏季占年雨量的43～48%，秋季占年降雨量的27～30%，平均年际降水变幅为115.4～150.2 mm.通过对2007年至2017年城区实测暴雨频率进行统计分析，24 h降雨量超过50 mm的降雨共发生48次、平均每年发生约4次，其中，降雨量为50～100 mm暴雨共发生42次，降雨量为100～200 mm的暴雨共发生9次，降雨量为超过200 mm的暴雨共发生3次；实测24 h降雨量的极大值为323.7 mm(发生时间为2013年6月30日)；暴雨多出现在6～9月，集中在7、8月，一次暴雨历时时间约为3～5日，主雨峰历时约为1～2日.

2.2 模型概化与建立

本研究基于Geo-slope软件SEEP/W模块.模型地层结构由地表往下概化分别为素填土、粉土、粉砂、卵砾石及泥岩.该模型的海绵设施主要包含雨水花园和透水混凝土等，能快速吸收地表水，整体渗透性较大.具体概化为渗透性较高的一个整体，其最大厚度为3 m.

模型位于一级阶地，地下水位埋深浅，底部、两侧边界以及部分水泥硬化后的顶面(地面)边界均设为不透水边界；部分土质地表与地下水连通，设置成自由渗透面，降雨可自由下渗，直至补给地下水.在海绵结构和地形线最高处分别设置两条孔隙水压力监测剖面线1-1'和2-2'，模拟分析计算得到剖面线上各监测点孔隙水压力随时间变化的数值，最终计算单元类型采用四边形和三角形的非结构化网格.概化模型如图5所示.

图5停车场—音乐公园概化模型

2.3 模型参数

本研究通过室内外抽水试验、渗透试验等获得一级阶地区岩土体基本物理参数取值(见表1).根据降雨资料确定降雨工况为大雨(降雨强度50 mm/h，降雨持时24 h)和大暴雨(降雨强度141.9 mm/h，降雨持时12 h).在数值模拟过程中，采用的土水特征曲线模型为适用于所有质地土壤的Van Genuchten模型，该模型在土石混合体中的计算结果与实测值更接近.

将各个地层渗透系数等参数、降水数据、地下水位高度等数据导入SEEP/W软件之后，利用软件自带错误检查功能进行错误检验，无误后运行模型，得到不同地层结构的基质吸力与体积含水量关系以及模拟计算结果，具体如图6所示.

3 模拟结果分析

通常，当降雨强度大于岩土体渗透系数时，部分降雨将转化为地表径流.在海绵设施结构中，当降雨强度较大时，下渗量不足以消散降雨量，地表径流将沿地下管道进入市政管网，在非雨季期可被合理利用.不同降雨强度下，模型计算如下：

1)大雨工况.在大雨工况下，短时间的降雨下渗对地下水渗流场构成一定影响，以大雨工况24 h持续降雨模拟，其1 h、12 h、24 h时间节点模拟结果如图7所示.

图6岩土体渗透系数与基质吸力关系曲线

图7大雨工况下孔隙水压力等值线

由图7可知，在大雨工况下， 降雨初始阶段地下水运动趋势较为明显，1 h时渗流矢量箭头密集分布于海绵结构正下方，在12 h的降雨过程中，地表未出现局部暂态饱和区，仅在降雨结束后海绵结构附近岩土体孔隙水压力有所提升，但仍处于非饱和状态，其余地带未见明显变化迹象，未出现积水现象.整个过程中，地下水主要沿卵砾石层产生渗流运动，由于降雨时间短，总下渗量相对较小，且卵砾石层渗透系数较大，渗透性较好，地下水位线未出现明显波动.

模拟分析大雨工况下，两条孔隙水压力监测剖面线(图5)上各监测点孔隙水压力随时间变化的数值，得到结果如图8所示.

图8大雨工况下孔隙水压力与时间关系

由图8可知，地表附近的监测点数据波动比较大，变化范围从-50～5 kPa；从地表往下各个监测点的孔隙水压力变化范围从20～60 kPa，基本维持在稳定的范围，变化幅度约1～3 kPa.剖面线1-1'中孔隙水压力变化较大的监测点(节点1、2)主要位于海绵设施的地表以下，经分析是因为海绵设施渗透系数较大，能短时间内将雨水下渗，孔隙水压力随降雨持时增加而增加.在地下水位附近的孔隙水压力(节点3～12)基本无变化，是因为经海绵设施下渗以后少有雨水能汇入到此区域，故渗流量较小，孔隙水压力也较小.剖面线2-2'中孔隙水压力变化原理和1-1'类似，相对于1-1'变化较大的点(节点1)位于地表线附近，经分析是由于地形起伏较大，地表多为渗透系数相对较大的景观草坪等，降雨入渗随时间变化导致孔隙水压力的变化较大.

2)大暴雨工况.大暴雨工况属于极端降雨天气，出现频率相对较低，持续1 h、12 h大暴雨工况的模拟结果如图9所示.

由图9可知，与大雨工况具有相似性，当降雨1 h时，地下水出现明显的渗流运移趋势，渗流层主要位于卵砾石层.该工况下，地表各处仍未出现暂态饱和区，说明大暴雨下地表不会出现积水现象.此外，海绵设施附近孔隙水压力同样增长，虽然大暴雨工况引起的地下水渗流情况总体与大雨工况相似，但由于降雨强度的增大，海绵设施区降雨汇集、下渗量较大，促使孔隙水压力增长速率加快.

图9大暴雨工况下孔隙水压力等值线

模拟分析大暴雨工况下，两条孔隙水压力监测剖面线(图5)上各监测点孔隙水压力随时间变化的数值，得到结果如图10所示.

图10大暴雨工况下孔隙水压力与时间关系

大暴雨工况下监测孔隙水压力变化与大雨工况变化曲线类似，同样维持在稳定的变化范围.剖面线1-1'中孔隙水压力变化较大的监测点(节点1～2)同样位于海绵设施的地表以下，但明显能看出在降雨的第1 h内孔隙水压力就出现明显增大，从-50 kPa增至-18 kPa，而后经海绵结构下渗、排放后，孔隙水压力增加趋势渐缓；地下水位附近及以下的孔隙水压力(节点3～11)同大雨工况相比基本无变化.剖面线2-2'中孔隙水压力变化明显的节点1和1-1'类似，但变化趋势较缓，经分析是由于降雨持续时间较大雨工况更短，雨水总下渗量较少所致.

4 结 论

本研究通过SEEP/W瞬态渗流分析得到典型的海绵设施结构在不同降雨强度下渗流场的变化过程，发现地表各处仍未出现暂态饱和区，说明雨水降落到地表不会出现积水现象，海绵设施设置效果较好.此外，海绵设施附近孔隙水压力增长是由于降雨强度的增大使雨水汇集、下渗量较大促使孔隙水压力增长速率加快所致.不同降雨持续时间下的海绵设施孔隙水压力变化规律相同，即随着降雨入渗，填方体表层基质吸力减小，暂态饱和区扩大，孔隙水压力上升，在地下水位附近孔隙水压力上升更为显著，模型内部一定深度不受降雨影响.

本研究工作得到遂宁市自然资源和规划局、遂宁市建设局海绵办、遂宁市河东新区管委会建设局等部门的大力支持，并提供相关资料，帮助协调现场调研、取样以及试验.特此感谢!