一种具有加速入渗装置的小料石铺装及其渗水性研究

包义勇, 徐家豪, 程学磊, 项晨旭, 李顺群, 赵 磊

(1.安徽水安建设集团股份有限公司,安徽 合肥 230601;2.天津城建大学 土木工程学院,天津 300384;3.中原工学院 建筑工程学院,河南 郑州 450007;4.黄河水利委员会黄河水利科学研究院工程力学研究所,河南 郑州 450003;5.新乡学院 土木工程与建筑学院,河南 新乡 453000)

0 引 言

海绵城市的建设是一项功在当代利在千秋的伟大工程,它能够实现城市生活环境的改善,解决城市水生态问题,提高居民生活质量,是迈向资源友好型社会的重要一步。尤其适合我国大部分季风气候的地区,在面对大量降雨时,可帮助这些地区实现雨水滞纳和循环利用,高质量地完成海绵城市的建设,是新时代中国走向城市现代化的必然要求[1,2]。海绵城市的建设对实现城市水资源综合利用和调蓄,增强极端天气城市的承受能力,促进我国的经济结构转型,提高人民生活质量等各方面都有着十分重要的意义[3]。我国海绵城市建设虽然起步较晚,但因综合性的整体规划和试点,发展很快,海绵城市建设已经取得了一定的成效。通过海绵城市改造试点,区内涝积水问题得到了有效的解决,居民切实感受到了生活环境的改善[4-6]。

小料石是城市的常用铺装材料,使用范围极其广泛。在一些旅游景点、仿古街道、古建筑分布区,小料石铺装非常普遍[7-10]。在带来古色古香、古朴典雅的同时,小料石铺装也有其自身的缺点,即难以透水。因此,在降雨季节,即使小雨,也会引起小料石铺装区域产生径流,从而引起路面积水甚至内涝[11,12]。

本文提出了一种加速小料石铺装渗水效率的方法。在小料石铺装区域间隔性地以透水材料比如透水砖替代部分小料石,在透水材料下面设置竖孔并在孔内放置多孔混凝土滤芯。以此形成小料石+滤芯渗井结构,从而大大增强了雨水下渗能力。以合肥空港国际小镇为背景,建立了本方法的数值模型并进行了计算。结果表明,该方法能大幅度增强雨水的下渗能力,具有防止城市内涝和涵养地下水的双重功效。

1 工程概况

空港国际小镇宝教寺湖生态修复工程位于空港产业新城,空港产业新城为合肥市域“1331”圈层结构(一个主城、三个辅城、三个产业新城和临巢湖发展带)。场地位于空港国际小镇东部,紧邻新桥机场,周边交通便利。东侧邻分水岭路,南侧邻团肥路,南侧与西侧不远处为沪陕高速和机场高速。

依据国家标准《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB 50307—2012)表3.0.7～3.0.10条划分标准,本工程重要性等级为一级,场地复杂程度等级为一级(复杂场地),环境风险等级为一级。判定本次岩土工程勘察等级为甲级。地质勘察表明,该地区土层包括①层填筑土、②层粉质黏土、③层黏土、④层黏土。土层的渗透性差。

根据地表水环境质量标准评价,宝教寺支流水质为劣Ⅴ类。总体水质Ⅳ类(大部分数据),主要原因是TP、TN、粪大肠埃希菌群浓度高。另外监测日期之间水质波动很大,原因是流量小,水体交换率很低。主要污染源来自周边区域初雨污染。

本生态修复工程中建有3号绿色生态廊道,总长度为2 000 m,面积约20 hm2。包括绿色生态廊道雨水调蓄净化设施约6 100 m3,溢流构筑物4座。包括清雨管网、雨水干管等。海绵设施约1 hm2,水平湿地约3 800 m2,绿色生态廊道景观约19 hm2。绿色廊道设有透水砖铺装、透水混凝土铺装、大理石铺装和小料石铺装等,如图1所示。

图1 空港3号绿色生态廊道平面示意图

图2 小料石和其下的滤芯渗井

现状地形属丘陵地带,全区岗冲相间。现状塘和水道与地形吻合;基地整体地势东高西低,北高南低,最高处79.9 m,最低47.9 m,高差为32 m。根据现状地形模拟降雨汇水径流过程,并将汇水区域分成若干个流域,每个流域内的汇水将从同一出水口流出。

坡度分析:通过高程分析可知规划范围内坡度都在45.1°以内,大部分区域坡度在0°～12°,以平缓谷坡为主,只有少量区域在12°以上。

合肥空港国际小镇所在区域自然水系发达,东侧为南淝河水源故里保护区,区域内除农田与灌溉河道外拥有两座面积较大的水库,农田绿地占比较大,建成区面积零散。水域面积占15%,绿地农林面积占75%,建成区面积不足10%,用地构成为居住用地、公共服务设施用地、工业用地和公用设施用地。现状生态本底环境良好,是项目优越的生态发展资源。

区域地层由第四系冲洪积层构成上部地层,下伏基岩为侏罗系(J)暗红、灰色、青灰色砂岩。第①层填筑土,第②层粉质黏土,第③层黏土,第④层黏土。工程抗震设计按7度设防,现场取样结论:黏性均匀的黏土,土壤渗透性差。

2 小料石铺装有限元模型的建立

3号绿廊周围,有以小料石作为主要材料的铺装。将其部分石块替换为下设有滤芯渗井的透水砖,则可承担渗水作用。

利用MIDAS GTS建立有限元模型。由于需要优化和方案比选,这里建立3个长宽高均为5 m的模型。3个模型滤芯布置间距如表1所示。滤芯长1.5 m,直径0.1 m,埋深均为水平面下0.3 m。

表1 滤芯间距布置表

按照不同土体的材料性质分为四层。各土层及滤芯参数如表2所示。小料石本身不透水,铺装过程会有很多缝隙渗水,表2中小料石的渗透系数近似取的透水砖的渗透系数。

表2 各土层及滤芯参数表

在MIDAS软件中分别建立滤芯间距1 m、1.5 m和3 m的线框,如图3所示。

图3 线框示意图

将线框扩展为土层,并移动1.5 m深度如图4所示。利用扩展将线框扩展为各土层,并移动到相应深度。其中滤芯与黏土层交接的部分需要通过布尔运算中的镶嵌部分来处理,处理完毕后删除多余的单元即可。

图4 扩展模型示意图

材料按照表2中的各项数据进行定义,其中草地、素填土、黏土与黏土1土层按各向同性-莫尔-库伦模型建立,滤芯按各向同性-弹性模型建立。草地、素填土、黏土与黏土1土层需要考虑非饱和特性的影响。

网格尺寸设置为0.1,使用混合网格生成器绘制网格如图5所示。

图5 网格划分示意图

图6 不同阶段施工定义图

图7 应力云图

由于顶层是小料石,网格划分完成后需要设置焊接接触,使小料石与第二层黏土网格对齐。

在渗流/固结分析栏中找到节点水头选项,建立一个新的节点水头,即地下水位。在网格模型中地下3 m处选择一整层的3D单元面作为目标,并赋予-3 m的值,勾选如果“总水头<潜水头,则Q=0”选项,这样地下水位就建立完成。

同样在渗流/固结分析栏中找到曲面流量选项,建立一个新的曲面流量,以确定降雨面和降雨量。选择网格模型的最顶面也就是小料石的顶面作为降雨面。此次模拟的降雨量选择暴雨的平均降雨量,换算单位后为3×10-7m/s,并勾选“如果q>Ksat,那么总水头=位置水头”选项,并命名为降雨。

在MIDAS软件中定义一个渗流类型的施工阶段,共分为两个阶段。第一阶段是稳态阶段,将各网格组、节点水头和设置的焊接接触将组数据移动到激活数据即可。第二阶段是降雨阶段,是一个瞬态类型阶段,只需将降雨激活,在时间步骤中设置14 400 s,并设置四个步骤,即一小时记录一次。

3 模拟结果分析

提取结果时,在同一平面含滤芯土层不同深度分别取两个点,两个点分别取距滤芯较近的点,记作素填土(近)和黏土(近),以及和距滤芯较远的点,记作素填土(远)和黏土(远)。

通过观察各模型的总水头云图,滤芯间距1 m的模型在黏土层的渗透效率相较于滤芯间隔1.5 m和3 m的有所差距,仅有滤芯附近的土体在黏土层渗流。滤芯间隔1 m的模型在黏土层的孔隙水压力变化,滤芯附近的点还有所变化,远离滤芯的土体孔隙水压力变化很小。

接下来仅对滤芯间距1.5 m和3 m的模型进行分析。对比各模型在同一土层上,滤芯附近土体和远离滤芯土体的孔隙水压力变化,着重分析黏土层。

由图8、图9可以看出,两个模型中滤芯附近土体孔隙水压力始终大于远离滤芯的土体,土体孔隙水压力由负趋向于0的过程说明土体在吸水,孔隙水压力达到0时土体饱和,滤芯附近的土体相较于远离滤芯的土体吸水更早。水流在素填土中渗流时,通过滤芯渗井可以更早更快速将水流下渗至下一土层。两个模型中的滤芯都起到了很好效果。

图9 滤芯间距3 m模型孔隙水压力随时间变化曲线

由于不同模型选点可能有偏差,所以需要对比三个模型的渗透效率时单纯地看孔隙水压力的值是没有意义的。将孔隙水压力随时间的变化近似看成一个线性过程,计算出黏土层孔隙水压力随时间的变化率记作k。

滤芯间隔1.5 m模型:k近=4.78×10-4,k远=4.72×10-4;

滤芯间隔3 m模型:k近=4.86×10-4,k远=4.60×10-4。

不难看出,在5 m×5 m的模型中,两种滤芯布置方式在发挥其本身作用的同时,也都能起到不错的辐射作用。从考虑成本的角度来说,间隔1.5 m布置需要9根滤芯,而间隔3 m布置仅需4根滤芯,大大节约了成本。综上,在5 m×5 m的小料石有限元模拟中,滤芯间隔3 m的布置方式最优。

4 结束语

本文提出了一种小料石铺装加速入渗方法,即在小料石铺装下的土层中设置一定间距的滤芯渗井,以加大雨水的下渗能力。运用MIDAS GTS软件实现传统小料石与滤芯渗井相结合的数值模拟,提出了三种滤芯布置方案,模拟完成后提取了孔隙水压力和总水头数据,着重对孔隙水压力随时间的变化速率进行分析,比较结果相差不大时在考虑成本的前提下选择出了最优方案。提取了孔隙水压力和总水头数据,并着重对孔隙水压力随时间的变化速率进行了研究,研究表明,本文提出的方案能大幅度增加雨水的下渗能力,具备在海绵城市等工程中大面积推广的条件。