生物滯留設施過濾層填料配比試驗研究

樊綠葉，龔金龍，崔永軍

（昆山市建設工程質量檢測中心，江蘇 昆山 215300）

0 引 言

昆山境內河網密布，地勢平坦，雨量充沛，歷年平均降雨量為 1 133.3 mm，年平均降雨天數 124 d/年。地下水位較高，為 0.5～1.5 mm。土質偏黏，滲透性能較差，一般在 10～7 cm/s 數量級。因此研究適宜昆山地區的生物滯留設施過濾層填料配比，是海綿城市建設中十分重要的一環。

筆者以澳大利亞生物滯留設施設計指南為依據。開展生物滯留設施過濾層填料配比試驗研究。旨在實現以下目標：

1）以滲透系數作為主要控制參數，參考澳洲滲透系數，結合昆山地區土壤及氣候特點，明確 24 h 滲透系數控制在 200～400 mm/h。

2）將滿足初步滲透系數要求的級配進行持續進水滲透試驗，找出具有長期滲透穩定性能的級配。

3）在滿足滲透系數條件下，找出最佳有機質含量。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料選擇

以昆山本地易得到的材料為原則［1］，從各個碼頭中選取粗、細、特細河砂為主要原材料；0.075 mm 以下材料選取昆山本地的粉質黏土（塑性指數 13～16），風干、粉碎，并過 0.6 mm 篩。有機質選擇木屑、龍糠、營養土等，進行風干、粉碎，并過 0.6 mm 篩。原材料種類及性能如表1 所示，河砂級配如表2 所示。

表1 原材料種類及性能

表2 不同級別河砂篩分后各孔分計篩余

1.2 試驗設備及檢測方法

過濾層填料的配比檢測主要有滲透系數、級配以及有機質含量 3 個項目［2］。

滲透系數的檢測原理是達西定理，根據測定流速和水力梯度來計算滲透系數。

級配的檢測是將試驗樣品細集料套篩（0.075～9.5 mm），分別稱取篩上殘留質量，計算各粒徑的通過百分比。

有機質的檢測是在外加熱源的條件下，用一定量的標準重鉻酸鉀-硫酸溶液來氧化土壤有機質（碳），由消耗的重鉻酸鉀量計算有機碳的含量，再間接計算有機質的含量。

2 試驗結果與分析

試驗主要分為三部分。第一部分為用本地現有的材料配置出澳洲的配比進行驗證，并試驗現有的原材料性能。第二部分為利用現有的原材料進行組合試驗，找出較合適的幾組配比，在長時間運行下優選出能保持穩定的配比；驗證不同產地材料按配比拌合是否能滿足要求；進行多批次微調試驗，找出合格的配比區間。第三部分為模擬工程實際持續運行 6 個月，檢測最終效果。

2.1 現有過濾層配比的驗證

澳大利亞生物滯留設施設計指南中對生物滯留設施過濾層填料的配比、有機質含量提出明確的要求［3］：將連續級配的河砂用細集料篩將各檔材料篩分，然后按澳大利亞級配中值配置并摻 1 % 木屑，進行滲透系數和有機質檢測。所得結果如表3 所示。

表3 澳洲配比檢測結果

昆山地區未找到滿足澳洲級配范圍的原材料，并且滲透系數檢測結果＞400 mm/h，不符合 100～300 mm/h的要求，需要尋找新的配比，如表4 所示。

表4 各項原材料滲透系數

2.2 不同配比試驗及結果分析

2.2.1 以澳方配比結構為基礎的配比及結果分析

選擇細砂、特細砂為基礎配置不同的配比，檢測滲透系數及長期穩定性，結果如表5 所示。

表5 不同配比滲透系數

對以上 6 種配比進行持續加水條件下，檢測滲透系數變化情況，查看配比的長期穩定性（見圖1）。

圖1 不同配比滲透系數長期趨勢

由圖1 可以看出，以細砂為主的配比，隨著（0.6～ 2.36 mm）砂含量的增加，滲透系數逐漸降低。因為粗顆粒逐漸成為配比中的骨架，細顆粒填充其中，使得孔隙率降低，從而滲透系數降低。但從 9 # 配比 30 d 滲透系數觀測中發現，滲透系數逐漸增大，無法穩定，這是因為配比在水流的持續沖刷下，顆粒級配逐漸被破壞，不能形成穩定的結構。

10 #、11 # 配比在 30 d 滲透系數觀察中發現，土的加入可以使初期滲透系數滿足要求，但卻無法保持長期穩定性要求。

2.2.2 以連續級配為基礎的配比試驗及結果分析

連續結構在穩定性上優于斷級配配比，以粗砂、細砂、特細砂、土和有機質不同比例方式組合，找出較穩定滲透系數的配比，如表6、圖2 所示。

表6 連續級配配比滲透系數

圖2 連續級配配比滲透系數長期趨勢

12 #～17 # 配比都是采用連續型的粗、細、特細砂按不同比例配置，從表6、圖2 中看出，隨著粗砂含量增加、特細砂含量減少，滲透系數隨之增加。從表6、圖2 中看出，15 # 配比初期滲透系數能滿足要求，并且長期穩定性更好，能趨于穩定。因此選取 15 # 配比進行下一步試驗。

2.2.3 不同有機質摻量試驗及結果分析

以 15 # 配比為基礎分別添加不同種類的有機質，篩選出最優的有機質種類及摻量，如圖3 所示。

圖3 不同有機質摻量下的滲透系數

從圖3 可以看出，龍糠和木屑材質偏輕且龍糠顆粒偏大，兩種材質都會破壞 15 # 配比中的結構，因此滲透系數逐漸上升，不能穩定。

營養土（糞便或樹葉）摻入 1 %～3 % 時，滲透系數有少量降低，摻量超 3 % 時，滲透系數有迅速增加。這是因為少量營養土正好可以填充 15 # 配比中多余空隙部分。

選取 15 # 配比中摻拌 2 % 營養土進行下一步試驗。

2.2.4 不同料源配比試驗及結果分析

從不同碼頭取原材料按 15 # 配比（摻 2 % 營養土）拌合，檢測滲透系數（持續飽和 24 h）是否也和試驗室一致，如圖4 所示。

圖4 不同碼頭材料拌合的滲透系數

由圖4 中可以看出，不同碼頭取回的原材料配置的 15 # 配比滲透系數都能滿足要求，且變化趨勢相似，說明 15 # 配比的原材料來源廣泛且 15 # 配比能夠直接推廣到實際工程應用中。

2.2.5 滿足滲透系數的配比區間

微調粗、細、特細砂的比例，以 24 h 持續加水滲透系數為準，找出滿足滲透系數 200～400 mm/h的級配區間范圍，如表7、圖5 所示。

圖5 滿足要求的級配范圍

表7 滿足要求的級配范圍

當配比中原材料級配發生改變時，可以調整摻配比例，以表7、圖5 中的級配范圍為標準，直接配置出符合要求的配比，提高效率，節約時間。

將以上符合此級配范圍的配比統一定義為KS-1 # 配比。

2.3 實際運行及水質凈化效果

選取 KS-1 # 配比裝填到雨水滯留試驗桶中（見圖6），運行較長時間后觀測長期滲透系數變化和水質凈化效果，如表8～9 所示。

表8 雨水滯留桶長期滲透系數

表9 雨水滯留桶水質凈化效果

圖6 雨水滯留桶

3 結 論

1）通過昆山地區常見的粗、細、特細河砂來配置單粒徑配比、斷級配配比以及連續級配配比。通過試驗發現連續級配的滲透系數在長期試驗中能保持穩定，滿足要求。

2）適量有機質含量能使得滲透系數下降，主要是有機質中的細顆粒填充了配比中的空隙，隨有機質含量的增加，逐漸破壞原有結構框架，使得滲透系數重新增大。

3）通過多次試驗以及在大型試驗桶中半年以上的運行試驗得到表7、圖5 中的 KS-1# 配比級配范圍，為工程設計、施工提供參考。

4）現有配比試驗中對植物種植試驗不足，未來的試驗方向應在植物生長方面來改進配比，并篩選出適合 KS-1# 配比的植物種類。Q