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(xué)磊, 項晨旭, 李順群, 趙 磊

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

0 引 言

海綿城市的建設(shè)是一項功在當(dāng)代利在千秋的偉大工程,它能夠?qū)崿F(xiàn)城市生活環(huán)境的改善,解決城市水生態(tài)問題,提高居民生活質(zhì)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(fēng)氣候的地區(qū),在面對大量降雨時,可幫助這些地區(qū)實現(xiàn)雨水滯納和循環(huán)利用,高質(zhì)量地完成海綿城市的建設(shè),是新時代中國走向城市現(xiàn)代化的必然要求[1,2]。海綿城市的建設(shè)對實現(xiàn)城市水資源綜合利用和調(diào)蓄,增強(qiáng)極端天氣城市的承受能力,促進(jìn)我國的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,提高人民生活質(zhì)量等各方面都有著十分重要的意義[3]。我國海綿城市建設(shè)雖然起步較晚,但因綜合性的整體規(guī)劃和試點,發(fā)展很快,海綿城市建設(shè)已經(jīng)取得了一定的成效。通過海綿城市改造試點,區(qū)內(nèi)澇積水問題得到了有效的解決,居民切實感受到了生活環(huán)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(qū),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(jié),即使小雨,也會引起小料石鋪裝區(qū)域產(chǎn)生徑流,從而引起路面積水甚至內(nèi)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(qū)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(shè)置豎孔并在孔內(nèi)放置多孔混凝土濾芯。以此形成小料石+濾芯滲井結(jié)構(gòu),從而大大增強(qiáng)了雨水下滲能力。以合肥空港國際小鎮(zhèn)為背景,建立了本方法的數(shù)值模型并進(jìn)行了計算。結(jié)果表明,該方法能大幅度增強(qiáng)雨水的下滲能力,具有防止城市內(nèi)澇和涵養(yǎng)地下水的雙重功效。

1 工程概況

空港國際小鎮(zhèn)寶教寺湖生態(tài)修復(fù)工程位于空港產(chǎn)業(yè)新城,空港產(chǎn)業(yè)新城為合肥市域“1331”圈層結(jié)構(gòu)(一個主城、三個輔城、三個產(chǎn)業(yè)新城和臨巢湖發(fā)展帶)。場地位于空港國際小鎮(zhèn)東部,緊鄰新橋機(jī)場,周邊交通便利。東側(cè)鄰分水嶺路,南側(cè)鄰團(tuán)肥路,南側(cè)與西側(cè)不遠(yuǎn)處為滬陜高速和機(jī)場高速。

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307—2012)表3.0.7～3.0.10條劃分標(biāo)準(zhǔn),本工程重要性等級為一級,場地復(fù)雜程度等級為一級(復(fù)雜場地),環(huán)境風(fēng)險等級為一級。判定本次巖土工程勘察等級為甲級。地質(zhì)勘察表明,該地區(qū)土層包括①層填筑土、②層粉質(zhì)黏土、③層黏土、④層黏土。土層的滲透性差。

根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)評價,寶教寺支流水質(zhì)為劣Ⅴ類?？傮w水質(zhì)Ⅳ類(大部分?jǐn)?shù)據(jù)),主要原因是TP、TN、糞大腸埃希菌群濃度高。另外監(jiān)測日期之間水質(zhì)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(qū)域初雨污染。

本生態(tài)修復(fù)工程中建有3號綠色生態(tài)廊道,總長度為2 000 m,面積約20 hm2。包括綠色生態(tài)廊道雨水調(diào)蓄凈化設(shè)施約6 100 m3,溢流構(gòu)筑物4座。包括清雨管網(wǎng)、雨水干管等。海綿設(shè)施約1 hm2,水平濕地約3 800 m2,綠色生態(tài)廊道景觀約19 hm2。綠色廊道設(shè)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(tài)廊道平面示意圖

圖2 小料石和其下的濾芯滲井

現(xiàn)狀地形屬丘陵地帶,全區(qū)崗沖相間?，F(xiàn)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(jù)現(xiàn)狀地形模擬降雨匯水徑流過程,并將匯水區(qū)域分成若干個流域,每個流域內(nèi)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(guī)劃范圍內(nèi)坡度都在45.1°以內(nèi),大部分區(qū)域坡度在0°～12°,以平緩谷坡為主,只有少量區(qū)域在12°以上。

合肥空港國際小鎮(zhèn)所在區(qū)域自然水系發(fā)達(dá),東側(cè)為南淝河水源故里保護(hù)區(qū),區(qū)域內(nèi)除農(nóng)田與灌溉河道外擁有兩座面積較大的水庫,農(nóng)田綠地占比較大,建成區(qū)面積零散。水域面積占15%,綠地農(nóng)林面積占75%,建成區(qū)面積不足10%,用地構(gòu)成為居住用地、公共服務(wù)設(shè)施用地、工業(yè)用地和公用設(shè)施用地?，F(xiàn)狀生態(tài)本底環(huán)境良好,是項目優(yōu)越的生態(tài)發(fā)展資源。

區(qū)域地層由第四系沖洪積層構(gòu)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(zhì)黏土,第③層黏土,第④層黏土。工程抗震設(shè)計按7度設(shè)防,現(xiàn)場取樣結(jié)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(shè)有濾芯滲井的透水磚,則可承擔(dān)滲水作用。

利用MIDAS GTS建立有限元模型。由于需要優(yōu)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(zhì)分為四層。各土層及濾芯參數(shù)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(shù)近似取的透水磚的滲透系數(shù)。

表2 各土層及濾芯參數(shù)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(kuò)展為土層,并移動1.5 m深度如圖4所示。利用擴(kuò)展將線框擴(kuò)展為各土層,并移動到相應(yīng)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(kuò)展模型示意圖

材料按照表2中的各項數(shù)據(jù)進(jìn)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(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1,使用混合網(wǎng)格生成器繪制網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分示意圖

圖6 不同階段施工定義圖

圖7 應(yīng)力云圖

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

在滲流/固結(jié)分析欄中找到節(jié)點水頭選項,建立一個新的節(jié)點水頭,即地下水位。在網(wǎng)格模型中地下3 m處選擇一整層的3D單元面作為目標(biāo),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(jié)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(wǎng)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(wěn)態(tài)階段,將各網(wǎng)格組、節(jié)點水頭和設(shè)置的焊接接觸將組數(shù)據(jù)移動到激活數(shù)據(jù)即可。第二階段是降雨階段,是一個瞬態(tài)類型階段,只需將降雨激活,在時間步驟中設(shè)置14 400 s,并設(shè)置四個步驟,即一小時記錄一次。

3 模擬結(jié)果分析

提取結(jié)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(yuǎn)的點,記作素填土(遠(yuǎn))和黏土(遠(yuǎn))。

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(yuǎn)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(jìn)行分析。對比各模型在同一土層上,濾芯附近土體和遠(yuǎn)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(yuǎn)離濾芯的土體,土體孔隙水壓力由負(fù)趨向于0的過程說明土體在吸水,孔隙水壓力達(dá)到0時土體飽和,濾芯附近的土體相較于遠(yuǎn)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(yuǎn)=4.72×10-4;

濾芯間隔3 m模型:k近=4.86×10-4,k遠(yuǎn)=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(fā)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(jié)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(yōu)。

4 結(jié)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(shè)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(xiàn)傳統(tǒng)小料石與濾芯滲井相結(jié)合的數(shù)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(shù)據(jù),著重對孔隙水壓力隨時間的變化速率進(jìn)行分析,比較結(jié)果相差不大時在考慮成本的前提下選擇出了最優(yōu)方案。提取了孔隙水壓力和總水頭數(shù)據(jù),并著重對孔隙水壓力隨時間的變化速率進(jìn)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。