陕西省西咸新区黄土场地海绵设施渗漏对建筑物的影响

邓朝显，温 馨，胡志平*，柴少波，马 越，姬国强

(1. 陕西省西咸新区沣西新城开发建设(集团)有限公司 海绵城市技术中心，陕西 咸阳 712002；2. 长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061)

0 引 言

近年来，极端天气(或降雨)影响下的城市内涝问题常见报端，严重影响了人们日常生活，对城市的市政防排水系统也提出了更高要求。与此同时，部分城市由于地下水资源供给失调，地下水位逐年下降，甚至诱发了地面沉降或地裂缝等城市地质灾害。为了缓解人地关系矛盾，推进宜居型城市建设，中国已将海绵城市建设理念提升至国家战略层面进行全面推广[1-9]。海绵城市在适应极端环境变化方面具有良好的“弹性”，下雨时通过吸、蓄、渗、净等多头并举的防排水措施分担市政排水系统的压力，避免城市出现洪涝的同时为地下水的补给提供了通道，蓄水则可以在需要时加以利用，极大地降低城市建设对生态水循环的影响[10-22]。

黄土在中国分布非常广泛，占全国陆地面积的6.6%[23]。作为一种特殊土，湿陷性黄土遇水易产生湿陷和崩解，由渗水湿陷导致的房屋倾斜、道路塌陷、管线损坏等事件屡见不鲜。因此，如果直接照搬北京、东南沿海等地区的相关经验在湿陷性黄土场地开展海绵工程建设，将会产生很大的安全风险[24-26]。目前，学者针对湿陷性黄土场地海绵设施安全建设问题已开展部分研究。其中，韩松磊等指出在湿陷性黄土场地建设海绵城市时应结合湿陷性黄土的特殊因素，划分不同的管控分区来设定不同的海绵城市建设体系，湿陷性等级较高时，应对海绵设施进行全防渗处理，并在关键位置增设检漏设施[27-28]；李杰等认为在湿陷性黄土场地建设海绵城市需要增设减小湿陷性的技术措施，并提出海绵设施与建筑物的距离应满足《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB 50025—2018)中规定的对不同等级建筑物的防护要求[29-30]。

陕西省西咸新区作为国家第一批海绵城市试点地区，地处湿陷性较弱的渭河I级阶地，对该地区海绵设施建设及风险防控措施已进行了积极探索，相关工程实例及研究结果表明采用铺设防渗膜或设置防渗墙等措施，有助于最大限度减小水分入渗对周边建(构)筑物地基的影响，同时也能满足海绵设施功能要求[31-33]。上述研究表明湿陷性黄土场地海绵设施采取相关防渗措施有利于降低雨水入渗引起周边建(构)筑物的不利影响。防渗膜作为海绵设施风险防控的重要措施之一，其应用效果较好，但同时也易在施工时产生不可预知的破坏，且在与市政配套管线的搭接处也存在渗漏风险。部分学者就海绵设施和管道渗漏风险问题开展研究。王启耀等对生物滞留设施中防渗膜不同渗漏位置发生渗漏时对道路的影响进行评价[33]；王俊茂对市政管道漏水对黄土场地浸水影响进行评价并给出相关防治意见[34]。由此可见，湿陷性黄土场地海绵设施防渗措施渗漏风险评价不容忽视，结合具体工况进行易渗漏点雨水入渗对周边地基基础的影响分析，对工程风险评估和防渗设施优化至关重要。目前，数值模拟方法是开展防渗膜渗漏情况下地基风险评价的有效手段[35-38]，Geo Studio软件可有效耦合地基渗流场和应力场，较为精准体现场内含水量、应力等变化规律。胡欣基于Geo Studio软件对不同降雨条件下湿陷性黄土路基的水分场及变形进行研究，并结合室内试验、现场监测试验，分析论证了数值模拟的合理性[36]；李志强运用Geo Studio软件中Seep/W和Sigma/W模块耦合计算方法解决了黄土深基坑工程变形预测问题[37]。上述研究为海绵设施防渗措施对地基影响的科学评价提供了思路。

基于此，本文以陕西省西咸新区海绵城市沣西新城核心区某多层住宅小区为依托，根据现场实测数据和建设资料，采用数值模拟方法，开展近建筑物海绵设施易渗漏点风险分析，重点分析典型海绵设施中可能存在的易渗漏点雨水入渗对地基含水量以及沉降影响，为西咸新区周边建筑物的海绵设施建设提供依据，同时为湿陷性黄土场地海绵城市建设工程中地基防渗处理提供参考。

1 工程背景

图1 地质剖面示意图Fig.1 Schematic View of Geological Section

2 易渗漏点雨水入渗数值模型

为研究湿陷性黄土场地典型海绵设施易渗漏点雨水入渗对建筑物的影响规律，本文选择建筑小区内常见的两种海绵设施(雨水花园和下沉式绿地)，分析其易渗漏点可能存在位置，并建立相关数值模型，研究不同渗漏点对建筑物的影响规律。

2.1 典型设施易渗漏点

周边建筑物的常见典型海绵设施雨水花园和下沉式绿地构造如图2所示。由于海绵设施内需进行骨料填充，骨料的尖锐角可能会刺破侧壁防渗膜进而导致渗漏；室外地面与海绵设施结合部位可能存在雨水沿防渗膜压边位置产生侧面土体渗流；另外，对于设施底部防渗膜，存在施工过程踩踏破坏及搭接处渗漏风险。易渗漏点如图2中实心圆点标记所示。

对雨水花园与下沉式绿地易渗漏点分布进行对比分析，得其简化模型如图3所示。由图3(c)可知，由于雨水花园防渗膜铺设段位置较下沉式绿地而言更靠近建筑基础，其防渗膜铺设段上的易渗漏点也更靠近建筑基础，故雨水花园易渗漏点比下沉式绿地易渗漏点对建筑地基的影响更大，在后续的易渗漏点影响分析中，主要分析雨水花园易渗漏点对建筑地基的影响。

2.2 计算参数

2.2.1 荷载及边界条件

边界条件的确定直接影响计算结果的准确性。结合工程实际，边界条件的设置为：①左、右侧边界水平向位移约束+自由排水；②底边界水平和竖直向位移约束+自由排水；③上边界仅根据设计要求设置220 kPa的均布荷载(q)。海绵设施凹槽底部根据实际降雨情况设置入渗边界条件，其余均为不透水边界。一般降雨下，海绵设施底部压力水头(△H)为0～0.2 m，当海绵设施内的积水超过0.2 m时，超过这一深度的积水会从设施溢流口流入市政管道排走，结合西安地区降雨特性，在此数值模拟中，选取“介于特殊情形之间”的水头作为海绵设施底部增加的压力水头，即△H=0.2 m。荷载及边界条件具体见表1。

表1 荷载及边界条件Tab.1 Conditions of Loads and Boundary

2.2.2 土层计算参数

海绵设施渗流的影响主要发生在非饱和土体中，对于饱和土体则可以不考虑渗流影响。因此，本文只考虑水位线以上部分土体，其物理力学指标如表2所示。根据各土层的物理力学指标，运用V-G模型由Geo Studio软件[39]拟合得到模型的平均渗透系数为8 m·d-1。

表2 各土层的物理力学指标Tab.2 Physical and Mechanical Parameters of Each Soil Layer

2.2.3 数值分析方法

在Geo Studio软件中，采用Seep/W和Sigma/W模块进行流-固耦合分析。其中，Seep/W模块进行渗流场耦合分析，可求解渗流后的孔隙水压力、土体含水量、渗流路径等；Sigma/W模块进行应力场耦合分析，可求解附加荷载下土体应力场、变形场等[36]。

L为防渗膜底部外延点距基础距离，以平面尺寸为主图2 典型海绵设施构造(单位：mm)Fig.2 Structures of Typical Sponge Facilities (Unit: mm)

b为海绵设施底部实际入渗截面宽度; 实心圆点标记为渗漏点图3 雨水花园与下沉式绿地简化模型 及易渗漏点分布对比Fig.3 Simplified Models of Rainwater Garden and Sunken Green Space, and Comparison of Distribution of Leakage Points

基于Seep/W和Sigma/W模块的耦合应用，可以分析流-固完全耦合和流-固半耦合的工程问题。相对于完全耦合分析的难以把控，半耦合分析具有更强的可操作性且满足大多数工程要求精度。因此，本文采用流-固半耦合分析，其分析过程为：初始渗流场→初始应力场→无附加荷载下的渗流场→附加荷载下的应力场→渗流场。本文流-固半耦合数值分析具体流程如图4所示。

3 雨水入渗对地基的影响

3.1 计算模型

为了研究各易渗漏点分别发生雨水入渗对建筑物的影响差异，假定每一次只在一个渗漏点发生渗漏，建立的几何模型如图5所示。相关研究指出，防渗膜底部外延点距基础距离L≥1.5 m时，防渗保护措施对地基起到积极作用[32]，故本文取L=1.5 m。参考雨水花园实际尺寸设置入渗截面宽度为2.0 m。假设基底荷载在前100 d(施工阶段)内线性增加，第100～1 000 天时稳定在220 kPa，海绵设施底部渗流从第100 天开始，压力水头为0.2 m。

图5 几何模型Fig.5 Geometric Model

3.2 对地基沉降的影响

提取数值模型中不同易渗漏点渗水情况下建筑地基的沉降数据，可以绘制出地基沉降随时间的变化曲线(图6)。由图6可知，各渗漏点雨水入渗对建筑地基沉降产生不同程度的影响，且沉降随入渗时间增加而增加并趋于稳定。其中，渗漏点1、2、3对地基沉降影响依次增大，渗漏点距离基础越近产生的附加沉降越大。当渗漏点3渗漏时间达到900 d时，较无渗漏时的地基沉降大约增加了4 mm。根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[40]，中低压缩性地基土上框架结构的一般住宅允许的沉降差为0.002l(l为柱距)，若取柱距为5～8 m，则允许的沉降差为10～16 mm。由此可知，西咸新区周边建筑物的海绵设施易渗漏点的验算沉降差满足规范要求，且偏于安全。

图6 渗漏点对建筑地基沉降的影响Fig.6 Influence of Leakage Points on Settlement of Building Foundation

4 任意位置渗漏对地基的影响

由于渗漏风险发生的不确定性，基于地基渗流场、位移场、应力场等变化规律，进一步判断任意位置发生渗漏对邻近建筑地基带来的诸多影响。

4.1 计算模型

假定每一次只在一个渗漏点发生渗漏，渗漏点的压力水头为0.2 m。基底荷载等边界条件、黄土等材料属性的设置等参见第2.2节部分。任意渗漏点几何模型见图7。

图7 任意渗漏点几何模型Fig.7 Geometric Model of Any Leakage Point

4.2 对地基土饱和度的影响

提取数值模型中地基土的含水量，并基于此计算绘制任意位置渗漏持续时间为2 h时土体饱和度的分布曲线,如图8所示。由此可知，渗漏点附近土体饱和度显著增加，其最大增幅约为23%，此时距渗漏点0.1～0.2 m范围内土体达到饱和；同时，土体饱和度增加幅度以渗漏点为中心呈辐射状减弱并逐渐趋于0；距渗漏点越远，土体饱和度越小并趋于初始土体饱和度。当渗漏点距基底水平方向3 m以上时，基底土体饱和度趋于初始地基场饱和度，渗漏影响较小；若渗漏点邻近基底，则需进一步考虑渗漏点的影响。

图8 渗漏点对土体饱和度的影响Fig.8 Influence of Leakage Point on Soil Saturation

4.3 对地基土有效应力的影响

提取数值模型中地基土的有效应力，绘制渗漏持续时间为2 h时，渗漏点对建筑地基土应力的影响，如图9所示。由此可知，渗漏点作用周围土体的抗剪强度降低，地基土中存在着剪力与抗剪强度相等的极限平衡点，这些点连成滑移线。以滑移线的位置作为地基是否破坏的考察指标。滑移线附近土体应力在渗流场和附近应力场作用下达到抗剪强度并发生破坏，故当滑移线越靠近地面，地基近地面处易产生较大变形，甚至发生破坏。

图9 渗漏点对建筑地基土应力的影响Fig.9 Influence of Leakage Point on Soil Stress of Building Foundation

渗漏持续时间为2 h时，不同位置渗漏点对建筑地基土中滑移线分布的影响如图10所示。在某固定水力条件下，由图10中曲线1～3可知，当渗漏点距建筑物基础水平距离相同时，渗漏点越靠近海绵设施，地表处土体越易达到抗剪强度而发生破坏；由曲线3～6可知，同一水平面上的渗漏点对地基土稳定性的影响随其与基础距离增加而减小。同时，渗漏对地基土有效应力的影响与渗漏点和基础边缘间水平距离有关，即当渗漏点距基础边缘水平距离大于1 m时，渗漏影响迅速降低。因此，实际工程中应避免海绵设施底部距基础边缘水平距离1 m内防渗膜破坏或设置防渗膜搭接，以减小渗漏造成地基不均匀沉降的风险。

图10 不同位置渗漏点对滑移线的影响Fig.10 Influence of Leakage Points at Different Positions on Slip Lines

5 结 语

(1)陕西省西咸新区黄土场地海绵设施易渗漏点渗水时地基会产生不同程度的沉降。渗漏点距基础边缘距离越近，产生的附加沉降越大；渗漏引起的最大沉降量约为4 mm，满足《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)对框架结构基础的沉降要求。

(2)雨水渗漏使渗漏点周边土体饱和度增加，抗剪强度降低。当渗漏点距基础边缘水平距离大于1 m时，渗漏对地基强度的影响迅速降低；当距离大于3 m时，基底土体饱和度变化较小，对地基影响微弱。

(3)本文工程背景下，渗漏导致地基破坏可能性较小，可采取避免防渗膜搭接于海绵设施底部拐角处等措施减少沉降风险。同时，对于湿陷性等级较高的场地渗漏危险性需要进一步讨论。