湿陷性黄土地区海绵城市建设雨水渗蓄风险防控
发布时间：2020-10-15 16:15:10 来源： 作者：
我国不同地区海绵城市建设路径与方法存在区别，特别是湿陷性黄土、膨胀土等特殊地质区海绵城市建设适宜性问题备受行业关注与质疑。海绵城市建设强调雨水的“渗、滞、蓄、净、用、排”技术措施与源头径流总量-峰值-污染综合管控等要求较传统“快排”模式，增加了下垫面雨水停留时间与渗蓄总量，部分措施引导雨水中深层入渗，在湿陷性黄土、膨胀土等地质区实施时，雨水渗漏大概率引发土体结构浸水沉降或膨胀，承载力迅速衰减等可能危害建（构）筑物基础安全问题。截止目前，国家规范尚未就上述特殊地质区海绵城市建设提出明确技术指引，相关城市工程实践大多采用“严防死守型（全面防渗）”做法或设置“豁免清单（特殊地质区不建设）”，缺乏科学论证。为此，笔者通过国家试点城市调研，结合团队专项研究，就理性认知海绵城市建设问题、鼓励开展项目设计预评估等进行探讨，提出了雨水渗蓄风险防控典型措施及其适用场景。
1 湿陷性黄土地区海绵城市建设再认知
我国湿陷性黄土地质分布广泛，主要集中在干旱、半干旱气候区，其在天然状态下的高孔隙率和低湿性（天然湿度≤塑限含水量）是其产生湿陷的重要条件。湿陷性黄土组成以粉粒为主，其中粗粉土（0.01～0.05 mm）颗粒居多，同时含有少量粘土（<0.005 mm）和细砂（0.1～0.25 mm）颗粒。粗粉粒在黄土结构中起骨架作用，细粉粒依附于其表面，并与粘粒和土体中无定型盐类等胶体物质作为填充料。遇水时，在土体自重或附加压力下产生显著沉降一方面归因于其干旱气候下的形成机制（蒸发影响深度大于降水，压力、湿度不良）带来的欠压实状态（富含空隙、垂直节理发育），另一方面则是内部粒间胶结物遇湿软化（盐晶溶解）、强度降低、破裂所致。
湿陷性黄土地区海绵城市建设遭受质疑、“谈水色变”问题的根源归结起来有两方面原因。
1.1 缺乏对黄土湿陷性致灾机理与触发条件的认识
黄土湿陷性致灾影响是由土体本身微观结构（粘粒含量与赋存状态、孔隙结构、胶结物性质等）与环境因素（水分、荷载、周边建构筑物基础埋设条件等）共同作用决定的。工程实践中，一般将含水率与荷载压力作为触发湿陷变形的重要因素予以控制。自重湿陷性黄土含水率达到一定饱和度时，即发生显著附加沉降（含水率上升，土体发生增湿变形，达到一定程度时变形激增）。非自重湿陷性黄土除土壤含水量饱和度影响外，自重压力叠加外部荷载压力大于湿陷性起始压力时，湿陷发生。为评估此影响，《湿陷性黄土地区建筑标准》以湿陷性系数测定区间（0.015～0.03、0.03～0.07、>0.07）划分黄土湿陷程度（轻微、中等、强烈），以自重湿陷量、湿陷量划分场地地基湿陷等级（ⅰ轻微、ⅱ中等、ⅲ严重、ⅳ很严重），并给出不同建筑类型、不同等级湿陷性黄土地基处理方法及建筑、结构、给排水设计等防护措施。在湿陷性黄土区开展海绵城市建设时，须清晰掌握该区域水文气象、地形地貌、黄土湿陷性质、等级、厚度及场地建筑环境，因地制宜开展设计，同时注意：
①湿陷性黄土场地房屋与市政基础设施建设时，已采取相应基础处理与结构、防水设计，并赋予安全余量（设置防护距离、外扩基础处理等），海绵设施布置与衔接应尽量不扰动现有防护体系，确有影响，须采取强化防护措施（材料、结构防水）；
②城市开发建设挖填置换（道路开挖、建筑小区地下车库建设等）、浸水、浇灌或受力历程中，受扰动强的黄土，其湿陷性消除程度相对较高或已不具湿陷性；
③海绵设施施工时，对于一定范围湿陷性黄土层上部压力发挥“减荷”作用（远离湿陷起始压力临界点），防控重心应集中在高等级、大厚度湿陷性区域、建（构）筑物结构基础紧邻海绵设施的有限空间雨水渗漏防控;
④远离建（构）筑物结构基础的湿陷性场地（低风险区）可做集中雨洪控制空间利用。
1.2 缺乏对海绵雨水设施构造与运行原理的认识
海绵雨水设施种类繁多，按其主项功能（许多设施兼具多重功能）可划分为：渗透设施（绿色屋顶、透水路面、下凹式绿地、生物滞留设施、渗塘、渗井等）、传输设施（植草沟、排水沟、渗管（渠））、调蓄设施（蓄水池、调节池、调节塘等）、净化设施（初雨弃流设施、过滤设施、湿地等）及其他附属设施。除渗井、蓄水池等设施外，源头小区、市政道路大多应用浅表性设施（结构深度<2 m，透水路面、植草沟、下凹式绿地、生物滞留设施应用最广）。因此，防控重心应放在规避设施渗蓄雨水向中深土层无组织入渗方面。
通过评估，当雨水入渗对建筑基础、道路结构存在损害风险时，一方面设计安全防护距离（结合场地湿陷等级、建（构）筑物基础形式与应力场范围、土层压实度等研究论证基础上设定），距离不足时强化防渗处理；另一方面慎用全透型设施，在渗透、调蓄设施结构中设置排空管、防渗层，缩短雨水蓄存时间。
海绵设施对汇水区地表径流总量、峰值、污染的控制效能取决于其结构设计。图1为典型生物滞留设施结构示意。
降雨期间，除超渗产流带来溢流外排情形外，雨水在结构内下渗、滞留、净化、排泄过程形态可分为顶部蓄水、种植层与砾石层内部蓄水、下渗土壤或底部出流，这在其容积计算时已考虑，见式（1）：
式中v——生物滞留设施调蓄容积，m³；
a——设施表面积，m²；
hx、hz、hl——分别为设施临时蓄水层深度、种植土层深度、砾石排水层深度，m；
nv——植物横截面积占蓄水层表面积比例，%；
nz、nl——分别为种植土层、砾石层平均孔隙率；
fm——土壤入渗率，mm/h；
t——降雨历时，h。
除调蓄容积外，设计时还须考虑排空时间。设施排空时间与设施整体渗透性能有关，过慢影响植物生长（耐淹）、孳生蚊蝇，过快影响径流与污染削减效果。一般生物滞留设施排空时间上限为48 h，下限不宜低于6 h。根据达西定律，近似考虑种植土层、砾石层孔隙水饱和状态下，推导调蓄容积与排空时间关系如式（2）所示:
式中te——设施排空时间，h；
kz、kl——分别为设施换填土层、砾石层饱和渗透系数，mm/h。
由于砾石层饱和渗透系数远大于种植土层（种植土层雨水下渗过程为设施整体下渗“限速步”），其内部通常存在自由水面，因此式(2)可简化为式（3）：
在湿陷性场地，鉴于安全考量，防止设施内部长期存水（水压下沿防渗薄弱处渗漏），应尽量缩短设施排空时间。由式（3）不难看出，提高种植土渗透系数是一种途径，工程中可通过改良种植介质或局部牺牲径流污染控制效果实现，在安全为重的原则下不失为选择。但不能无限提高渗透性（植物生长保水、径流控制有效性需要），因此设计时可通过加大砾石层内穿孔排水管泄排能力实现。
对于透水铺装、调节塘等设施亦可通过提高底部渗排管、放空管排泄能力，减少雨水停留，结合强化防渗处理降低雨水积存渗漏致灾风险。
2 湿陷性黄土场地海绵城市建设预评估
为保障湿陷性黄土地区建（构）筑物安全，合理开展海绵城市建设，规避次生灾害，笔者建议在海绵城市专项规划和项目勘查设计阶段开展预评估工作，指导工程设计，并与施工、运维反馈结合，形成闭环管控。设计阶段预评估工作建议涵盖：
（1）场地环境分析。在传统海绵城市专项设计场地分析（地形竖向、现状场地排水方式、积涝点、管网分布、绿地与建（构）筑物空间关系等）基础上，开展详细勘察，明确拟建场地湿陷性黄土层埋深、厚度、湿陷系数及类型、湿陷起始压力及含水率深度变化、湿陷等级平面分布、地下水位、渗透变形与承载力参数；地上地下建（构）筑物类型与重要程度、基础形式、承载力要求、地基处理方式。这些直接关系海绵雨水设施选择、结构设计、平面布置与防渗方式。
（2）适用性海绵城市技术措施分析。根据上述分析，结合海绵城市建设要求（年径流总量控制率、年径流污染削减率等），分析场地竖向与下垫面，划分汇水分区，设计雨水组织，开展设施选型。设施选择时须注意：
①宜采用浅表型设施。对于ⅱ级及以上大厚度自重湿陷性黄土地层，不应设置深层、大型渗透设施（渗井、渗塘等）；传输类设施宜采用防渗型植草沟或混凝土、树脂、hdpe排水沟等，不宜采用渗管（渠）。
②设施结构设计以“临时调蓄（节）为主，缩短雨水积存时间，适度有限渗透或不渗透”为原则，自重湿陷性场地（ⅱ～ⅳ级）的建筑小区、市政道路，海绵设施结构中须设置防渗层与疏排水系统；非自重湿陷性场地，无不良地质发育，建设场地较大，渗透、滞留设施与建（构）筑物间满足《湿陷性黄土地区建筑标准》规定安全防护距离时，可不采取防渗。
③各级湿陷性黄土地基上的海绵设施，当地基湿陷变形、压缩变形或承载力不满足设计要求时，应针对不同土质，在地基压缩层或湿陷性黄土层内采取处理、防水和结构等措施。④设施平面布置应优先选择远离建构（筑）物基础的外围公共绿地、红线外绿地；设施溢流雨水就近接入小区或市政管网，尽量减少新建长距离、高密度地下衔接管，规避对场地既有基础处理、防水层、防护结构破坏或扰动。
在此原则下，完成海绵设施选择、规模计算、结构设计与平面布设初步方案。
（3）场地海绵化建设安全风险预判。应用数值模型，分析评估上述方案对邻近建（构）筑物变形和稳定性影响。评价可采用geostudio、abaqus等软件进行，流程如图2所示。
根据模拟分析，确定场地不同区域风险等级；评估渗漏高风险点最不利工况（长时积水）致灾影响，强化薄弱环节处理，指导设施布置、防渗与基础处理措施强化，反馈设计、施工。在此原则下，优化设施选择布置，指导方案比选，完成详图设计。
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