广东省海绵城市设施回填材料渗透性能研究

周 密

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州 510500）

0 引言

广东省地处低纬度地区，属热带、亚热带季风气候区［1］，雨季降雨量大，时空分布不均，汛期（4～9 月）降雨占全年70%～80%，易发季节性缺水与洪涝，具有充分利用海绵设施补给地下水的可行性和必要性。海绵城市绿化设施既要满足植物种植需求，又要考虑海绵设施渗透性能。土壤渗透性越好，地表径流就会越少，土壤流失量就相应减少［2］。提高土壤的渗透能力，是降低地表径流及防治水土流失的关键措施［3］。研究土壤入渗对于雨水径流调控、水土保持、水资源评价管理等均具有重要意义［4］。

我国在绿地土壤入渗能力方面的研究起步较晚，缺乏对城市绿地水分入渗性能的基础数据［5］。在进行海绵城市绿地设计、施工、工程验收等环节时，城市建设者未将土壤入渗作为海绵城市项目建设的重要的指标，导致部分海绵绿地入渗效果一般［6-7］。城市绿地土壤的水分入渗速率相对较小，但不同功能区的绿地土壤来源复杂，且植被类型多样，其土壤水分入渗速率的空间差异较大［8-11］。有研究表明，植物生长可促进绿地土壤水分入渗，以灌草对绿地土壤水分入渗性能的改善最为明显，这主要与其根系的分布近地表层有关［12］。在项目建设阶段，海绵城市绿地设施回填材料的选用将影响后续项目建成后的实际运行效果。

本研究主要选取广东省常用种植土作为海绵城市绿化设施土壤的典型代表开展土壤渗透性能的改良研究，结合不同比例砂砾配比，提出适合广东省人工改良海绵设施回填土其主要成分砂石的比例。

1 实验装置

实验装置采用由滤柱、出水管组成的自制滤柱，滤柱由上至下分为蓄水层、覆盖层、填料层、土工布、砾石层、集水层等不同区域，填料层有不同实验材料组合，根据降雨量设定值加入相应水量。根据滤柱侧壁及底部的出水口出水情况，考察不同填料层的雨水下渗量及相应渗透性能。实验装置如图1所示。

图1 试验装置Fig.1 Test Device

2 实验方法

实验材料选用常规工程种植土壤、粗砂（粒径约5.0 mm）、中砂（粒径3.5～5.0 mm）、砾石（粒径10.0 mm左右）。选取重现期为1 a 的降雨强度，根据广东省降雨情况即55 mm/h。每次实验仅更换填料层砂粒比例（砂砾占填料层比例），使不同类型材料按比例混合。以5 min 为时间单元，测定每段时间间隔的下渗出水量、最终总下渗水量及总下渗时间。填料层不同类型材料组合如表1所示。

表1 填料层不同类型材料组合Tab.1 The Combination of Different Types of Materials for the Filler Layer

3 实验结果分析

3.1 不同类型单一填料实验结果与分析

从进水开始记录每5 min 的下渗量，每段5 min 时间间隔记录出水量。不同类型组合材料的下渗速率分析如图2所示。

图2 不同比例填料每段时间下渗量Fig.2 Permeability of Different Proportions of Fillers in Each Period of Time

由图2可知，种植土中混入不同材料砂粒，对下渗速率的影响是不同的。当砂粒比例占比较小于20%时，砾石对原有种植土渗透效果没有改良效果。砂粒比例占比为10%左右时，粗砂对种植土渗透性能改良效果优于中砂和砾石；当砾石占比为20%～40%时，中砂对种植土渗透性能改良效果优于粗砂和砾石。当砂粒比例在10%～20%时，下渗量的峰值在15 min 内，而当砂粒比例在30%～40%时，下渗量的峰值在10 min内。

不同砂粒比例填料的总下渗量如图3所示。

图3 不同比例填料总下渗量Fig.3 The Total Infiltration of Different Proportions of Filler

由图3可知，砂石比例越高，总下渗量越高。当砂石比例小于20%时，渗透效果较差，但当砂石比例大于30%后，渗透效率有了显著提升，水的下渗量也明显提高。

不同砂粒比例填料的总下渗时间如图4所示。

图4 不同砂粒比例总下渗时间Fig.4 Total Infiltration Time of Different Proportions of Filler

由图4 可知，种植土中加入砾石对水的渗透效果较差，尤其在砾石占比仅为10%～20%时，对原有种植土渗透效果基本没有改善。经分析，由于砾石质量体积较大，填充小比例对土壤整体孔隙度增加不如粗砂或中砂。

结合图3 和图4 可知，当填料层渗透率低时渗透时间会增长，一般情况下，大部分水量在25 min 内渗透完成，当砂粒比例增高，填料层渗透率也随之加快，下渗时间减少。

3.2 不同砂石组合填料实验结果与分析

混合砂石材料与种植土混合，每隔5 min 时间间隔记录下渗水量，最终汇总总下渗水量及总下渗时间。不同比例混合填料每段时间下渗量如图5所示。

由图5 可知，不同类型混合砂石材料对水的下渗产生不同的影响，不同砂粒占比对填料层的渗透量和渗透时间影响也不同。混合砂石材料与单一砂粒材料在渗透峰值规律基本一致，混合砂粒比例在10%～30%时，下渗量的峰值在15 min 内，而当砂粒比例在40%时，下渗量的峰值从10 min提前至5 min。

图5 不同比例混合填料每段时间下渗量Fig.5 Permeability of Mixed Fillers in Different Proportions Per Period of Time

混合砂粒不同比例填料的总下渗量如图6所示。

由图6 和图3 可知，与单一砂粒材料相同，混合砂粒比例越高，总下渗量越高。同砂粒比例情况下，两种混合砂粒材料水量渗透效果均好于三种混合砂粒材料；粗砂+中砂组合材料的下渗效果较其他组合材料和单一材料更好。当砂粒比例为10%～20%时，混合材料下渗效果均优于单一材料；但当砂粒比例为30%～40%时，中砂和粗砂单一材料下渗效果优于混合了砾石的混合砂粒材料。

图6 不同比例混合填料总下渗量图6 Total Infiltration of Different Proportions of Mixed Filler

混合砂粒不同比例填料的总下渗时间如图7所示。

图7 不同比例混合填料总下渗时间图7 Total Infiltration Time of Mixed Fillers in Different Proportions

结合图6 和图7 可知，混合砂粒材料回填土的渗水率较单一均有提高，下渗时间增长，不同混合砂粒材料回填土渗水时间基本在20～30 min左右。

4 结语

为改善广东省绿化带渗透性能，同时保障植物的正常种植，在工程建设中，粗砂加中砂组合材料掺入常规种植土可作为海绵设施下层回填材料，掺入比例建议选用40%，若因工程造价原因或植物种植对土壤的需要等原因，需减少掺入比例，建议最低不小于30%。

当回填材料采购困难，仅能使用单一材料对种植土进行改良时，可选用掺入比例30%～40%的中砂或粗砂，不建议使用砾石。

降雨量不大时，经改良后的回填材料主要渗透水量渗透集中于20～30 min内。建议海绵城市设施在养护过程中减少绿化带的压实，适当选用合适的种植植物，加强设施养护，提高种植土的土壤孔隙度，才能更好保证绿化带的渗透性能。