廣東省海綿城市設(shè)施回填材料滲透性能研究

周 密

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

廣東省地處低緯度地區(qū)，屬熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)［1］，雨季降雨量大，時空分布不均，汛期（4～9 月）降雨占全年70%～80%，易發(fā)季節(jié)性缺水與洪澇，具有充分利用海綿設(shè)施補(bǔ)給地下水的可行性和必要性。海綿城市綠化設(shè)施既要滿足植物種植需求，又要考慮海綿設(shè)施滲透性能。土壤滲透性越好，地表徑流就會越少，土壤流失量就相應(yīng)減少［2］。提高土壤的滲透能力，是降低地表徑流及防治水土流失的關(guān)鍵措施［3］。研究土壤入滲對于雨水徑流調(diào)控、水土保持、水資源評價管理等均具有重要意義［4］。

我國在綠地土壤入滲能力方面的研究起步較晚，缺乏對城市綠地水分入滲性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［5］。在進(jìn)行海綿城市綠地設(shè)計、施工、工程驗收等環(huán)節(jié)時，城市建設(shè)者未將土壤入滲作為海綿城市項目建設(shè)的重要的指標(biāo)，導(dǎo)致部分海綿綠地入滲效果一般［6-7］。城市綠地土壤的水分入滲速率相對較小，但不同功能區(qū)的綠地土壤來源復(fù)雜，且植被類型多樣，其土壤水分入滲速率的空間差異較大［8-11］。有研究表明，植物生長可促進(jìn)綠地土壤水分入滲，以灌草對綠地土壤水分入滲性能的改善最為明顯，這主要與其根系的分布近地表層有關(guān)［12］。在項目建設(shè)階段，海綿城市綠地設(shè)施回填材料的選用將影響后續(xù)項目建成后的實際運行效果。

本研究主要選取廣東省常用種植土作為海綿城市綠化設(shè)施土壤的典型代表開展土壤滲透性能的改良研究，結(jié)合不同比例砂礫配比，提出適合廣東省人工改良海綿設(shè)施回填土其主要成分砂石的比例。

1 實驗裝置

實驗裝置采用由濾柱、出水管組成的自制濾柱，濾柱由上至下分為蓄水層、覆蓋層、填料層、土工布、礫石層、集水層等不同區(qū)域，填料層有不同實驗材料組合，根據(jù)降雨量設(shè)定值加入相應(yīng)水量。根據(jù)濾柱側(cè)壁及底部的出水口出水情況，考察不同填料層的雨水下滲量及相應(yīng)滲透性能。實驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test Device

2 實驗方法

實驗材料選用常規(guī)工程種植土壤、粗砂（粒徑約5.0 mm）、中砂（粒徑3.5～5.0 mm）、礫石（粒徑10.0 mm左右）。選取重現(xiàn)期為1 a 的降雨強(qiáng)度，根據(jù)廣東省降雨情況即55 mm/h。每次實驗僅更換填料層砂粒比例（砂礫占填料層比例），使不同類型材料按比例混合。以5 min 為時間單元，測定每段時間間隔的下滲出水量、最終總下滲水量及總下滲時間。填料層不同類型材料組合如表1所示。

表1 填料層不同類型材料組合Tab.1 The Combination of Different Types of Materials for the Filler Layer

3 實驗結(jié)果分析

3.1 不同類型單一填料實驗結(jié)果與分析

從進(jìn)水開始記錄每5 min 的下滲量，每段5 min 時間間隔記錄出水量。不同類型組合材料的下滲速率分析如圖2所示。

圖2 不同比例填料每段時間下滲量Fig.2 Permeability of Different Proportions of Fillers in Each Period of Time

由圖2可知，種植土中混入不同材料砂粒，對下滲速率的影響是不同的。當(dāng)砂粒比例占比較小于20%時，礫石對原有種植土滲透效果沒有改良效果。砂粒比例占比為10%左右時，粗砂對種植土滲透性能改良效果優(yōu)于中砂和礫石；當(dāng)?shù)[石占比為20%～40%時，中砂對種植土滲透性能改良效果優(yōu)于粗砂和礫石。當(dāng)砂粒比例在10%～20%時，下滲量的峰值在15 min 內(nèi)，而當(dāng)砂粒比例在30%～40%時，下滲量的峰值在10 min內(nèi)。

不同砂粒比例填料的總下滲量如圖3所示。

圖3 不同比例填料總下滲量Fig.3 The Total Infiltration of Different Proportions of Filler

由圖3可知，砂石比例越高，總下滲量越高。當(dāng)砂石比例小于20%時，滲透效果較差，但當(dāng)砂石比例大于30%后，滲透效率有了顯著提升，水的下滲量也明顯提高。

不同砂粒比例填料的總下滲時間如圖4所示。

圖4 不同砂粒比例總下滲時間Fig.4 Total Infiltration Time of Different Proportions of Filler

由圖4 可知，種植土中加入礫石對水的滲透效果較差，尤其在礫石占比僅為10%～20%時，對原有種植土滲透效果基本沒有改善。經(jīng)分析，由于礫石質(zhì)量體積較大，填充小比例對土壤整體孔隙度增加不如粗砂或中砂。

結(jié)合圖3 和圖4 可知，當(dāng)填料層滲透率低時滲透時間會增長，一般情況下，大部分水量在25 min 內(nèi)滲透完成，當(dāng)砂粒比例增高，填料層滲透率也隨之加快，下滲時間減少。

3.2 不同砂石組合填料實驗結(jié)果與分析

混合砂石材料與種植土混合，每隔5 min 時間間隔記錄下滲水量，最終匯總總下滲水量及總下滲時間。不同比例混合填料每段時間下滲量如圖5所示。

由圖5 可知，不同類型混合砂石材料對水的下滲產(chǎn)生不同的影響，不同砂粒占比對填料層的滲透量和滲透時間影響也不同?；旌仙笆牧吓c單一砂粒材料在滲透峰值規(guī)律基本一致，混合砂粒比例在10%～30%時，下滲量的峰值在15 min 內(nèi)，而當(dāng)砂粒比例在40%時，下滲量的峰值從10 min提前至5 min。

圖5 不同比例混合填料每段時間下滲量Fig.5 Permeability of Mixed Fillers in Different Proportions Per Period of Time

混合砂粒不同比例填料的總下滲量如圖6所示。

由圖6 和圖3 可知，與單一砂粒材料相同，混合砂粒比例越高，總下滲量越高。同砂粒比例情況下，兩種混合砂粒材料水量滲透效果均好于三種混合砂粒材料；粗砂+中砂組合材料的下滲效果較其他組合材料和單一材料更好。當(dāng)砂粒比例為10%～20%時，混合材料下滲效果均優(yōu)于單一材料；但當(dāng)砂粒比例為30%～40%時，中砂和粗砂單一材料下滲效果優(yōu)于混合了礫石的混合砂粒材料。

圖6 不同比例混合填料總下滲量圖6 Total Infiltration of Different Proportions of Mixed Filler

混合砂粒不同比例填料的總下滲時間如圖7所示。

圖7 不同比例混合填料總下滲時間圖7 Total Infiltration Time of Mixed Fillers in Different Proportions

結(jié)合圖6 和圖7 可知，混合砂粒材料回填土的滲水率較單一均有提高，下滲時間增長，不同混合砂粒材料回填土滲水時間基本在20～30 min左右。

4 結(jié)語

為改善廣東省綠化帶滲透性能，同時保障植物的正常種植，在工程建設(shè)中，粗砂加中砂組合材料摻入常規(guī)種植土可作為海綿設(shè)施下層回填材料，摻入比例建議選用40%，若因工程造價原因或植物種植對土壤的需要等原因，需減少摻入比例，建議最低不小于30%。

當(dāng)回填材料采購困難，僅能使用單一材料對種植土進(jìn)行改良時，可選用摻入比例30%～40%的中砂或粗砂，不建議使用礫石。

降雨量不大時，經(jīng)改良后的回填材料主要滲透水量滲透集中于20～30 min內(nèi)。建議海綿城市設(shè)施在養(yǎng)護(hù)過程中減少綠化帶的壓實，適當(dāng)選用合適的種植植物，加強(qiáng)設(shè)施養(yǎng)護(hù)，提高種植土的土壤孔隙度，才能更好保證綠化帶的滲透性能。