濕陷性黃土地區海綿城市建設研究進展

李佳

遼寧省市政工程設計研究院有限責任公司 遼寧沈陽 110006

1 黃土中水的遷移規律

近年來，對黃土濕陷性入滲過程和特征的研究主要涉及黃土水分入滲規律、影響因素和理論方法。許多學者針對黃土中水的運動規律進行了現場或室內滲水試驗。研究表明，對于濕陷性黃土場地，如果不采取導水入滲措施，水分入滲是有限的；同時，入滲特性與土壤參數有關，包括初始含水量、土壤飽和度和滲透系數等，不同初始條件（水頭、入滲時間和場地）下黃土的入滲規律不同。

第一、初始含水量、初始干密度等因素對黃土的濕陷性和滲透系數影響很大。第二、非飽和黃土試樣在不同溫度梯度、壓實度和初始含水量下的水分運移規律：較大的溫差和較小的土壤密度會導致試樣兩端水分運移更明顯，含水量差異更大；初始含水量大、小時，溫差引起的含水量差異小；但當初始含水率適中時，溫度引起的含水率變化就大不相同了。第三、黃土在水分入滲過程中可分為濕層、不穩定層和穩定層。

同時，許多學者基于電子顯微鏡掃描、CT掃描和核磁共振技術研究了黃土浸水后的孔隙結構特征。①黃土潤濕后，粘土骨料（水泥）的崩解，碳酸鹽水泥等粘合劑的分解，會導致土體結構的破壞。②長而不規則的大孔隙和中孔對黃土的滲透性有顯著影響。

2 黃土的濕陷特性和濕陷機理

黃土濕陷性的研究對黃土地區的工程安全具有重要的現實意義。許多學者研究了浸水黃土的濕陷規律。黃土的濕陷性是地質、物理和化學綜合作用的結果。目前，在黃土工程領域，對黃土濕陷性的成因和機理的認識還沒有統一。一般認為，黃土濕陷的必要條件有三：①黃土地層具有大孔隙內部結構；②黃土骨架顆粒間膠結強度低，屬于水穩定性膠結差的類型；③黃土浸水，導致黃土含水量或飽和度顯著增加，導致粒間接觸膠結斷裂。

其中，前兩個條件是內部因素，最后一個是外部因素。濕陷性黃土是由粒徑為0.005-0.075mm的顆粒（粘土或粉）組成的大孔隙粒狀架空結構，在這種結構中，單位體積內顆粒間間接接觸點少，骨架顆粒流動性大，容易失去穩定性，這是濕陷性的基本條件。除碎屑礦物外，構成黃土結構的一些骨架顆粒由內部膠結強度高的集料組成。在壓力或浸沒作用下，構造變形主要是由粒間接觸膠結斷裂引起的。

黃土濕陷機理是在浸水作用下，具有大孔隙結構的黃土顆粒間的接觸膠結被破壞，導致大孔隙結構被破壞，黃土的孔隙率降低的現象。同時，黃土骨架顆粒之間的膠結性質復雜，可分為水穩性膠結（氧化鐵膠結和老化碳酸鹽膠結等）兩種類型。）和非水穩定膠結（毛細管膠結和鹽溶性結晶等。）.干旱條件下形成的膠結一般以非水穩性膠結為主；潮濕條件下形成的膠結作用一般以水穩性膠結為主。對于水穩定膠結和非水穩定膠結之間的粘膜膠結，取決于孔隙溶液中離子的濃度和組成以及水膜楔入后的膠體化學變化。如果黃土粒間膠結以非水穩性膠結為主，水膜楔入有利于粘膜膠溶，則浸水后粒間膠結強度急劇下降，表現出較強的濕陷性。

3 濕陷性黃土地區海綿城市建設

在濕陷性黃土地區建設海綿城市，對城市雨洪控制、水資源管理和城市景觀環境有著積極的作用。關于海綿設施的徑流控制效果評價，很多城市新區作為我國濕陷性黃土地區海綿城市建設的集中區域，低影響開發設施改造后，降雨期間道路積水情況得到改善，年總徑流控制率和污染負荷率大幅降低；在監測分析了黃土場地下入滲和防滲雨水兩年的徑流削減量和污染物削減量后，發現原狀土填充防滲雨水花園設施的減水率為69.14%，徑流污染物年減載率基本在70%以上[1]；通過分析雨水花園對屋頂和建筑小區雨水徑流的調節作用得到了類似的結果[2-3]。

同時，由于海綿設施的功能受土壤基質條件、植被條件、設施結構形式、降雨特性和阻塞狀態等因素的影響，在濕陷性黃土地區建設海綿城市的過程中，許多學者根據設施應用場景和場地水文地質條件，對典型海綿設施進行了設計優化研究。基于濕陷性黃土工程的實際背景，根據埋深、開孔率和壁厚的變化，對濕陷性黃土地區預制滲井結構進行了優化；濕陷性黃土地區應盡可能采用淺層和小型雨水滲透設施；并提出在濕陷性黃土場地下的市政道路底部鋪設PE防水土工布進行全面防護，并在植草溝兩側澆筑混凝土擋土墻，以保證道路路基的安全；通過“L”型鋼筋混凝土擋土墻支護和人工更換生物滯留介質的技術手段，解決了濕陷性黃土地質和原土滲透性差等制約開發設施設計的不利因素。以上研究為濕陷性黃土地區海綿設施建設提供了幫助。然而，目前制約濕陷性黃土地區海綿城市建設的關鍵因素之一是海綿設施的滯后功能與黃土洪水引發的次生災害之間的矛盾，即雨水通過海綿設施的滲透容易引起地基塌陷變形，導致不均勻沉降，甚至建筑物變形破壞。

因此，濕陷性黃土場地海綿設施的設計優化應考慮雨水入滲對基礎結構的影響。

4 結語

從以上研究來看，國內外對濕陷性黃土地區海綿城市的研究主要集中在雨水管理的有效性、海綿設施的設計參數、徑流控制、非點源污染凈化等方面。而對黃土地區海綿設施雨水滲透的影響范圍研究較少。現有對黃土地區雨水入滲影響的評價大多是從單層均質土壤和連續降雨條件方面進行的。由于海綿設施內部結構多為層狀結構，不同降雨條件下土壤的入滲特性不同，因此層狀黃土中雨水的入滲機理和入滲范圍的研究仍需更加細致，設施中水入滲引起的滯流災害風險及防治措施的研究仍需加強。