一種具有加速入滲裝置的小料石鋪裝及其滲水性研究

包義勇, 徐家豪, 程學磊, 項晨旭, 李順群, 趙 磊

(1.安徽水安建設集團股份有限公司,安徽 合肥 230601;2.天津城建大學 土木工程學院,天津 300384;3.中原工學院 建筑工程學院,河南 鄭州 450007;4.黃河水利委員會黃河水利科學研究院工程力學研究所,河南 鄭州 450003;5.新鄉學院 土木工程與建筑學院,河南 新鄉 453000)

0 引 言

海綿城市的建設是一項功在當代利在千秋的偉大工程,它能夠實現城市生活環境的改善,解決城市水生態問題,提高居民生活質量,是邁向資源友好型社會的重要一步。尤其適合我國大部分季風氣候的地區,在面對大量降雨時,可幫助這些地區實現雨水滯納和循環利用,高質量地完成海綿城市的建設,是新時代中國走向城市現代化的必然要求[1,2]。海綿城市的建設對實現城市水資源綜合利用和調蓄,增強極端天氣城市的承受能力,促進我國的經濟結構轉型,提高人民生活質量等各方面都有著十分重要的意義[3]。我國海綿城市建設雖然起步較晚,但因綜合性的整體規劃和試點,發展很快,海綿城市建設已經取得了一定的成效。通過海綿城市改造試點,區內澇積水問題得到了有效的解決,居民切實感受到了生活環境的改善[4-6]。

小料石是城市的常用鋪裝材料,使用范圍極其廣泛。在一些旅游景點、仿古街道、古建筑分布區,小料石鋪裝非常普遍[7-10]。在帶來古色古香、古樸典雅的同時,小料石鋪裝也有其自身的缺點,即難以透水。因此,在降雨季節,即使小雨,也會引起小料石鋪裝區域產生徑流,從而引起路面積水甚至內澇[11,12]。

本文提出了一種加速小料石鋪裝滲水效率的方法。在小料石鋪裝區域間隔性地以透水材料比如透水磚替代部分小料石,在透水材料下面設置豎孔并在孔內放置多孔混凝土濾芯。以此形成小料石+濾芯滲井結構,從而大大增強了雨水下滲能力。以合肥空港國際小鎮為背景,建立了本方法的數值模型并進行了計算。結果表明,該方法能大幅度增強雨水的下滲能力,具有防止城市內澇和涵養地下水的雙重功效。

1 工程概況

空港國際小鎮寶教寺湖生態修復工程位于空港產業新城,空港產業新城為合肥市域“1331”圈層結構(一個主城、三個輔城、三個產業新城和臨巢湖發展帶)。場地位于空港國際小鎮東部,緊鄰新橋機場,周邊交通便利。東側鄰分水嶺路,南側鄰團肥路,南側與西側不遠處為滬陜高速和機場高速。

依據國家標準《城市軌道交通巖土工程勘察規范》(GB 50307—2012)表3.0.7～3.0.10條劃分標準,本工程重要性等級為一級,場地復雜程度等級為一級(復雜場地),環境風險等級為一級。判定本次巖土工程勘察等級為甲級。地質勘察表明,該地區土層包括①層填筑土、②層粉質黏土、③層黏土、④層黏土。土層的滲透性差。

根據地表水環境質量標準評價,寶教寺支流水質為劣Ⅴ類。總體水質Ⅳ類(大部分數據),主要原因是TP、TN、糞大腸埃希菌群濃度高。另外監測日期之間水質波動很大,原因是流量小,水體交換率很低。主要污染源來自周邊區域初雨污染。

本生態修復工程中建有3號綠色生態廊道,總長度為2 000 m,面積約20 hm2。包括綠色生態廊道雨水調蓄凈化設施約6 100 m3,溢流構筑物4座。包括清雨管網、雨水干管等。海綿設施約1 hm2,水平濕地約3 800 m2,綠色生態廊道景觀約19 hm2。綠色廊道設有透水磚鋪裝、透水混凝土鋪裝、大理石鋪裝和小料石鋪裝等,如圖1所示。

圖1 空港3號綠色生態廊道平面示意圖

圖2 小料石和其下的濾芯滲井

現狀地形屬丘陵地帶,全區崗沖相間。現狀塘和水道與地形吻合;基地整體地勢東高西低,北高南低,最高處79.9 m,最低47.9 m,高差為32 m。根據現狀地形模擬降雨匯水徑流過程,并將匯水區域分成若干個流域,每個流域內的匯水將從同一出水口流出。

坡度分析:通過高程分析可知規劃范圍內坡度都在45.1°以內,大部分區域坡度在0°～12°,以平緩谷坡為主,只有少量區域在12°以上。

合肥空港國際小鎮所在區域自然水系發達,東側為南淝河水源故里保護區,區域內除農田與灌溉河道外擁有兩座面積較大的水庫,農田綠地占比較大,建成區面積零散。水域面積占15%,綠地農林面積占75%,建成區面積不足10%,用地構成為居住用地、公共服務設施用地、工業用地和公用設施用地。現狀生態本底環境良好,是項目優越的生態發展資源。

區域地層由第四系沖洪積層構成上部地層,下伏基巖為侏羅系(J)暗紅、灰色、青灰色砂巖。第①層填筑土,第②層粉質黏土,第③層黏土,第④層黏土。工程抗震設計按7度設防,現場取樣結論:黏性均勻的黏土,土壤滲透性差。

2 小料石鋪裝有限元模型的建立

3號綠廊周圍,有以小料石作為主要材料的鋪裝。將其部分石塊替換為下設有濾芯滲井的透水磚,則可承擔滲水作用。

利用MIDAS GTS建立有限元模型。由于需要優化和方案比選,這里建立3個長寬高均為5 m的模型。3個模型濾芯布置間距如表1所示。濾芯長1.5 m,直徑0.1 m,埋深均為水平面下0.3 m。

表1 濾芯間距布置表

按照不同土體的材料性質分為四層。各土層及濾芯參數如表2所示。小料石本身不透水,鋪裝過程會有很多縫隙滲水,表2中小料石的滲透系數近似取的透水磚的滲透系數。

表2 各土層及濾芯參數表

在MIDAS軟件中分別建立濾芯間距1 m、1.5 m和3 m的線框,如圖3所示。

圖3 線框示意圖

將線框擴展為土層,并移動1.5 m深度如圖4所示。利用擴展將線框擴展為各土層,并移動到相應深度。其中濾芯與黏土層交接的部分需要通過布爾運算中的鑲嵌部分來處理,處理完畢后刪除多余的單元即可。

圖4 擴展模型示意圖

材料按照表2中的各項數據進行定義,其中草地、素填土、黏土與黏土1土層按各向同性-莫爾-庫倫模型建立,濾芯按各向同性-彈性模型建立。草地、素填土、黏土與黏土1土層需要考慮非飽和特性的影響。

網格尺寸設置為0.1,使用混合網格生成器繪制網格如圖5所示。

圖5 網格劃分示意圖

圖6 不同階段施工定義圖

圖7 應力云圖

由于頂層是小料石,網格劃分完成后需要設置焊接接觸,使小料石與第二層黏土網格對齊。

在滲流/固結分析欄中找到節點水頭選項,建立一個新的節點水頭,即地下水位。在網格模型中地下3 m處選擇一整層的3D單元面作為目標,并賦予-3 m的值,勾選如果“總水頭<潛水頭,則Q=0”選項,這樣地下水位就建立完成。

同樣在滲流/固結分析欄中找到曲面流量選項,建立一個新的曲面流量,以確定降雨面和降雨量。選擇網格模型的最頂面也就是小料石的頂面作為降雨面。此次模擬的降雨量選擇暴雨的平均降雨量,換算單位后為3×10-7m/s,并勾選“如果q>Ksat,那么總水頭=位置水頭”選項,并命名為降雨。

在MIDAS軟件中定義一個滲流類型的施工階段,共分為兩個階段。第一階段是穩態階段,將各網格組、節點水頭和設置的焊接接觸將組數據移動到激活數據即可。第二階段是降雨階段,是一個瞬態類型階段,只需將降雨激活,在時間步驟中設置14 400 s,并設置四個步驟,即一小時記錄一次。

3 模擬結果分析

提取結果時,在同一平面含濾芯土層不同深度分別取兩個點,兩個點分別取距濾芯較近的點,記作素填土(近)和黏土(近),以及和距濾芯較遠的點,記作素填土(遠)和黏土(遠)。

通過觀察各模型的總水頭云圖,濾芯間距1 m的模型在黏土層的滲透效率相較于濾芯間隔1.5 m和3 m的有所差距,僅有濾芯附近的土體在黏土層滲流。濾芯間隔1 m的模型在黏土層的孔隙水壓力變化,濾芯附近的點還有所變化,遠離濾芯的土體孔隙水壓力變化很小。

接下來僅對濾芯間距1.5 m和3 m的模型進行分析。對比各模型在同一土層上,濾芯附近土體和遠離濾芯土體的孔隙水壓力變化,著重分析黏土層。

由圖8、圖9可以看出,兩個模型中濾芯附近土體孔隙水壓力始終大于遠離濾芯的土體,土體孔隙水壓力由負趨向于0的過程說明土體在吸水,孔隙水壓力達到0時土體飽和,濾芯附近的土體相較于遠離濾芯的土體吸水更早。水流在素填土中滲流時,通過濾芯滲井可以更早更快速將水流下滲至下一土層。兩個模型中的濾芯都起到了很好效果。

圖9 濾芯間距3 m模型孔隙水壓力隨時間變化曲線

由于不同模型選點可能有偏差,所以需要對比三個模型的滲透效率時單純地看孔隙水壓力的值是沒有意義的。將孔隙水壓力隨時間的變化近似看成一個線性過程,計算出黏土層孔隙水壓力隨時間的變化率記作k。

濾芯間隔1.5 m模型:k近=4.78×10-4,k遠=4.72×10-4;

濾芯間隔3 m模型:k近=4.86×10-4,k遠=4.60×10-4。

不難看出,在5 m×5 m的模型中,兩種濾芯布置方式在發揮其本身作用的同時,也都能起到不錯的輻射作用。從考慮成本的角度來說,間隔1.5 m布置需要9根濾芯,而間隔3 m布置僅需4根濾芯,大大節約了成本。綜上,在5 m×5 m的小料石有限元模擬中,濾芯間隔3 m的布置方式最優。

4 結束語

本文提出了一種小料石鋪裝加速入滲方法,即在小料石鋪裝下的土層中設置一定間距的濾芯滲井,以加大雨水的下滲能力。運用MIDAS GTS軟件實現傳統小料石與濾芯滲井相結合的數值模擬,提出了三種濾芯布置方案,模擬完成后提取了孔隙水壓力和總水頭數據,著重對孔隙水壓力隨時間的變化速率進行分析,比較結果相差不大時在考慮成本的前提下選擇出了最優方案。提取了孔隙水壓力和總水頭數據,并著重對孔隙水壓力隨時間的變化速率進行了研究,研究表明,本文提出的方案能大幅度增加雨水的下滲能力,具備在海綿城市等工程中大面積推廣的條件。