湿陷性黄土地区一种雨水收集装置——埋深对变形影响的试验研究

陶 虎，张少英，万冰清，石 喜，于清高

（兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070）

1 研究背景

随着我国城市化速度的加快，建筑物改变了原下垫面入渗条件，引起城市地表径流激增，城市内涝频繁发生，甚至出现人员伤亡的事件，特别是2018年入夏以来，兰州、郑州等多个城市发生强降雨，引起严重的城市洪涝灾害；另一方面则是城市化进程中大量使用混凝土等不透水材料阻碍了雨水的补充与迁移，造成地下水系统干枯和土壤干化，成为当前城市亟待解决的突出问题之一［1-2］。借鉴欧美等国成功经验［3-5］，将低影响开放技术（LID）［6-7］雨水系统的概念引入我国海绵城市建设，2014年由住房城乡建设部出台了《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建（试行）》［8］，随后国务院办公厅于2015年10月印发了《关于推进海绵城市建设的指导意见》［9］，有济南、武汉、北京、上海等30 个城市成为中央财政支持的海绵城市建设试点城市。

针对我国海绵城市建设内容，张建云等［10］认为海绵城市建设既存在共性，也存在特殊性和复杂性，需要对不同的城市进行规划和设计，体现“一城一策”。韩煦等［11］认为“海绵体”的开发是海绵城市建设的关键问题。唐双成等［12］在黄土地区开展了雨水花园削减径流及海绵体填料的研究，根据砂土层及均质黄土两种不同填料，实现了城市花园雨水、雨洪的拦蓄，增加了入渗量，有效削减了污染物输出量，雨水花园解决了雨水的收集和利用，而对多余水量是否补充到地下未做进一步研究。王根绪、陆垂裕等［13-14］研究指出，土壤中长期得不到雨水补充，将影响地下水汽循环，造成生态环境系统逐渐恶化，而海绵城市建设也不能简单的理解为将雨水直接导入地下［15］。

针对黄土地区海绵城市建设内容，收集的雨水直接下渗可能引起黄土湿陷变形等问题，设计了一种雨水收集补充地下水系统，通过现场试验，验证了结构的导水能力及埋深与增湿变形的关系，从而为黄土地区海绵城市建设提供一种新技术，丰富海绵城市建设内容。

2 黄土地区城市雨水收集系统的开发

我国46 个地州市约6.4 万km2的土地被黄土所覆盖，由于生成年代、成因、环境及生成后历史变迁上的差别，不同年代的黄土表现出力学性质的差异性，老黄土（Q1、Q2）不具有湿陷性，被称之为非湿陷性黄土。新黄土（Q3、Q4）在一定的附加压力作用下，浸水后发生湿陷，称之为湿陷性黄土，在自重压力作用下，浸水后发生湿陷，称之为自重湿陷性黄土，湿陷性是黄土特有的性质之一，自兰州、西安至郑州方向呈逐渐减弱的变化趋势。

降雨是黄土增湿最为直接的一种方式，在反复浸润土壤过程中，当超过前期湿陷含水量［16］时可能诱发新的湿陷变形。降雨增湿的影响深度与降雨量有关，杨小利［17］统计分析了甘肃省庆阳市西峰区45 a的气象资料和近25 a的月降雨量与土壤含水率的变化关系，得出西峰区降雨的影响深度在0～100 cm 范围内变化的结论。张常量等［18］在甘肃省正宁县开展了降雨入渗深度的现场监测试验，通过对地面10 m 范围内含水率的原位监测，结果表明，在年降雨量630 mm 的影响下，雨水入渗最大深度为120 cm。

城市化进程中大量使用混凝土、沥青等路面硬化技术，改变了原天然地面入渗途径，导致地表径流增大，并在低洼场地汇集，从而产生局部集中入渗，其下渗量与深度远远大于天然降雨时的值。对于湿陷性黄土场地，当某一深度含水量超过前期湿陷含水量时则发生湿陷变形，形成局部空腔，引起上部悬空土体逐渐失稳垮塌，这种变形发展最终引起城市地面塌陷。

黄土在干燥状态下保持有较高的结构强度，只是在增湿后发生强度大幅降低现象。根据黄土力学特性，总结出了强夯、灰土挤密桩、置换和预湿陷等处理技术，以先破坏黄土结构，再变密的技术提高其强度。这些方法简单易行，缺点是工程量大、费用高和周期长。基于对黄土力学特性的认识，邵生俊等［19］以薄膜水转移理论和土水势原理［20］提出的浅层阻水和深层导渗井散水的IDITI 综合治理方案，在充分利用原状黄土低湿度下固有高强度和低压缩性力学特点，采用表层阻水，深层导水的技术方案避开湿陷性黄土层，有效减少了工程措施带来的费用高、周期长等问题，在黄土地区开展工程建设具有借鉴性。

针对城市产流特征，采用源头削峰的方式，在小区设置雨水收集系统，减少汇入管网的水量，避免洪峰的形成，同时利用截留的雨水进行花园灌溉，将多余雨水经二次过滤后下渗补充地下。雨水下渗过程中，水质一定要符合排放标准，国内学者［20-22］对城市雨水水质进行了研究，兰州市小区道路和屋面径流水质污染较小，能满足直接下渗的要求；同时，集中入渗要避免出现浅层黄土的湿陷变形，兰州市七里河区西津村是迄今为止发现的世界上黄土分布最厚的地区［23］之一。

针对兰州市海绵城市建设，设计了一种雨水收集补充地下水系统［24］，兼有收集雨水、调节雨洪峰值和补充地下水的功能，系统包含了：收集渗透层、阻水层、蓄水结构和排导结构，其构造如图1所示。

“收集渗透层”为图1中的透水混凝土面层，由水泥、水、砂石料按一定的比例拌和碾压后形成，具有良好的渗透性和强度。该层以收集地面雨水为主，兼有承受上部人群荷载的作用。

“阻水层”为图1中三七灰土层和土工膜两部分，“阻水层”位于“收集渗透层”的下部，三七灰土层为路面垫层，具有支撑上部载荷和阻水的功能。土工膜置于三七灰土的上、下两层，上层可以阻止渗透层水分向灰土层渗透，下层可以防止地下水、毛细水的上升。“阻水层”结构能有效预防地面雨水进入黄土层，大大减少黄土被增湿的可能。

图1 海绵体结构示意

“蓄水结构”为图1中蓄水池部分，蓄水池进口段与路面透水混凝土层连接，透水混凝土层底部设一定的坡降，收集的雨水沿着透水混凝土流向蓄水结构。蓄水结构为两个独立的蓄水池，第一个蓄水池以收集和过滤雨水为主，若降雨量偏小，则前一个蓄水池处于非蓄满状态，收集的雨水可以用于小区花园灌溉；当降雨量大，持续时间长，或者两场降雨间隔时间短，第一个蓄水池被蓄满后，则多余雨水沿着过滤孔进入第二个蓄水池，蓄满后雨水沿着过渡段进入砂井。

“排导结构”为图1中砂井，砂井的直径约0.6～0.8 m，竖向开挖，采用砂砾石填充。砂井最大开挖深度穿透湿陷性黄土层，收集的雨水沿着砾石孔隙向下迁移，在砂井底部形成不同深度的有压水，并向土壤四周扩散，达到收集地表径流和补充地下水的目的。

目前，透水铺装技术作为低影响开发措施之一，对于吸纳、净化降水径流具有重要作用［25］，其良好的工作性能也得到认可，蓄水结构及过滤装置可以单独设计，然而排导结构的导水能力及埋置深度引起黄土的增湿变形需要进一步通过现场试验验证。

3 排导结构的现场试验

3.1 排导结构的布置为了检验黄土地区排导结构收集雨水的效果及埋深与变形的关系，选择兰州市以东45 km 的三角城进行现场试验。根据现场勘察资料显示，地表以下依次为耕植土、湿陷性黄土和非湿陷性黄土，各层土的基本物性指标如表1所示。勘查结果显示，湿陷性土位于地下0.5～18 m范围，18 m 以下为非湿陷性黄土。

表1 土层分布及土的基本物性指标

分别将不同埋深的排导砂井置于湿陷性和非湿陷性土层内，对比不同埋深砂井增湿后的变形量，从而验证排导砂井置于非湿陷性土层的合理性及埋深大小对变形的影响。试验现场砂井直径为0.8 m，湿陷性土层砂井的埋深依次为1.7、7.5 和15.6 m，编号为SJ1—SJ3；非湿陷性土层砂井的埋深为18.0和20.8 m，编号为SJ4、SJ5。砂井底部设置刚性沉降板，板中心外接刚性沉降杆，然后向砂井中回填直径为0.5～5 cm 的砂砾石，直至砂砾石与地面齐平，砂井侧壁1 m 深度范围内铺设塑料薄膜，预防注水后在地表浅层裂隙中的水平向渗透。砂砾石层刚性杆外围套接PVC 管，减少摩阻力对竖向变形的影响，砂井外围设置变形沉降监测，中心设置沉降杆，现场试验照片见图2。

图2 砂井现场照片

3.2 砂井渗透湿润锋扩散时间与位移的关系为了监测排导砂井底部土壤中水分的入渗速率，尤其是浸水后竖向湿润锋行进时间，在SJ1 排导砂井侧面开挖探槽，竖向每隔5 m 布置一个水分计，埋设前、后对水分计进行校核，然后采用素土分层夯实至顶部，避免探槽方向因局部薄弱而出现体积含水率突然增大的现象。排导砂井顶部设置采集卡，用于采集水分计变化数据，随着砂井中水量的累计，湿润锋扩散速度加快，水分计读数出现变化的瞬间即为湿润锋到达的时间，记录注水开始时刻及各层水分计读数开始增大至完全饱和的时间。水分监测点与砂井的关系见图3。

图3 排导结构示意图

一个土体单元中的流体损失和补给率是守恒的。依据达西定律建立渗透系数和水力梯度的表达式为：

式中：qz为竖向的下渗速率，m/s；kz为竖向渗透系数，m/s；∂h ∂z 为水力梯度。由于竖向砂砾石的渗透系数较黄土的渗透系数大，因此，地面积水沿着渗透性强的砾石层下渗。忽略水平向渗透量的影响，竖直砂井中流入的水量为：

式中： qin为流入流量，m3/s；ρ为水的密度，kg/m3；Δx、Δy 为x、y 方向的微单元长度，m。流出土体单元的总流量进一步表示为：

式中：qout为流出流量，m3/s。

单元在瞬态流动过程中，水量损失或补给率可表示为

由质量守恒定律可知，式（4）所示土体单元在瞬间流动过程中储存的水量必须等于净流量（qin-qout），由此可得

进一步简化为

式（6）描述了饱和或非饱和条件下砂井中流体瞬态流的控制方程。

在砂井底部土层中的水流仍然服从达西定律流动方程，砂砾石的渗透系数大于黄土的，因此在砂井底部出现流入量大于流出量现象，湿润锋在重力和静水压力的作用下向下推进。现做两个基本假设：（1）湿润峰前面的土体内的吸力水头是一个不随时间和空间变化的常量；（2）湿润锋后面的土体内的含水量与相应的渗透系数为不随时间和空间变化的常量。在这些基本假定条件下，任意时刻t，黄土中单位截面的总入渗位移L 等于初始阶段含水量的变化量与湿润锋扩散距离的乘积：

式中：L 为总入渗位移，m；θ0为湿润锋后面土体的体积含水量，增湿后水分计最大值，%；θi为湿润锋前面土体的体积含水量，水分计初始测定的值，%；z 为竖向湿润锋扩散距离，m。湿润锋上的总水头为h=hi-z，入渗率等于进水边界处的入渗率，可用达西定律近似的表示为：

式中：q 为饱和状态时的入渗速率，m/s；hi为湿润锋前面土体的吸力水头，m；h0为湿润锋后面土体的吸力水头，m；k0为湿润锋后面土体的渗透系数，m/s，常采用饱和时的值。

将式（7）代入式（8）消除变量z，结合t=0 时，L=0 的初始条件，对公式进行积分，可得砂井底部黄土中湿润锋总入渗位移和时间的关系为

式（9）建立了砂井底部黄土层中总入渗位移和经历时间的函数关系。

4 砂井现场浸水的渗透试验

为了对比分析砂井不同埋深对变形的影响，将砂井埋置于湿陷性土层和非湿陷性土层内，采用人工供水方式注水，并让水分自然入渗，当入渗量大于下渗量时，停止注水或减少水量，该阶段暂定为注水期，停止注水后，让水分自然消散，这一个阶段定义为停水期。

4.1 砂井底部入渗规律的试验分析砂砾石具有较大的孔隙，从而水、气在孔隙中产生流动，随着地面注水，水分沿着砂井砂砾层向下运动，试验测得砂砾石、湿陷性黄土和非湿陷性黄土在饱和状态下的渗透系数分别为1.53×10-3、3.25×10-6和2.09×10-6m/s。当砂砾石层的水分进入底部黄土层后，湿润锋向下发展，黄土也从非饱和状态逐渐转向饱和状态，体积含水量增大，饱和带黄土层的渗透系数进一步增大，其控制方程见式（6）。由于黄土和砂砾层的渗透系数相差较大，在砂砾石和黄土交界面出现水位升高现象，并形成一定的水压力，总势能增加成为控制黄土孔隙中水平衡和迁移的重要因素。在SJ1 砂井外围布置4 个水分采集仪，距离井底分别为5、10、14.8 和20.5 m，注水后，采集卡记录水分采集仪的值。假设水分计周围的黄土为均质土，湿润锋到达时，水分计读数增大，达到饱和状态时水分计最大。建立湿润锋行进距离与时间二分之一次方的关系并预测时间与湿润锋行进距离关系的函数如图4。

图4中显示，在井底以下5 m 范围内，自重作用下，湿润锋行进距离Ls的速度随时间增长而增大，5～16 m 范围内，湿润锋行进距离Ls的速度最快，而大于16 m 厚度的黄土层中，湿润锋行进距离Ls的速度减缓。根据现场勘查资料显示，湿陷性黄土层埋深18.0 m，下面为非湿陷性黄土，说明湿润锋行进距离Ls的速度与场地土层的渗透系数有关。

4.2 砂井中集水能力及增湿引起的变形分析现场布置5 座砂井，根据深度命名为SJ1、SJ2、SJ3、SJ4 和SJ5。砂井中填充直径为0.5～5 cm 的砂砾石，孔隙率n=0.41，渗透系数k3=1.53×10-3m/s，由于砂砾石的渗透系数大，因此注水后，沿着排导砂井渗入井底，然后在井底向黄土层渗透，由于渗透系数的差异性，相对渗透系数较小的砂井底部黄土层逐渐出现水位升高现象，沿着砂井底部呈33°～45°的扩散角向外渗透，砂井侧壁不设防水层时，随着井底水位的上升，形成一个灯泡状渗透扩散面，图5为0、24、48 和72 d 砂井底部渗透等势线变化值。

图4 湿润锋行进距离Ls与时间二分之一次方的关系

图5 湿润锋随时间扩散断面图

图6 砂井埋深与沉降量关系

分别进行SJ1—SJ5 砂井收集能力的监测，砂砾石层液体流动至砂井底部的时间通过水分采集仪的变化来反应。记录不同埋深点水分计开始变化的时间，SJ1 砂井井底水分计在18.5 min 后开始增大，而埋深较大的SJ5 砂井在265 min 后出现上述现象。根据现场统计数据，在SJ1—SJ5 砂井中分别注入20 m3清水，注水采取间断缓慢方式进行，历时70 d，注水结束后为停水期，时间为40 d。砾石层滞后了水的行进时间，埋深越大，历时越长。

试验开始，注水期每天观测两次变形量，注水期结束后，每隔3 d 观测一次变形量，图6为SJ1—SJ5 砂井注水期和停水期的变形量监测值。图6的监测数据显示，砂井埋深越浅，浸水引起的竖向变形越大（SJ1），同时也引起较大范围的塌陷；砂井埋深越深，变形则相对较小（SJ5），引起塌陷的范围较小。

SJ1 砂井埋深置于湿陷性土层内，底部以下湿陷性黄土层厚16.3 m，注水期引起砂井底部土层的含水量增大，发生增湿变形约135.0 cm，变形速率2.25 cm/s，停水期后变形发展则较为缓慢，经过40 d 的变形监测，SJ1 砂井累积变形量为144.71 cm，注水期变形量占总变形量的93%，水平向影响半径为5.2 m；SJ2 砂井也位于湿陷性土层内，砂井底部湿陷性黄土层厚10.5 m，注水期增湿变形量约104.74 cm，变形速率1.74 cm/d，停水期变形发展则较为缓慢，最终变形量为113.79 cm，注水期变形量占总变形量的92%，水平向影响半径为3.6 m；SJ3 砂井井底湿陷性黄土厚度约2.4 m，注水期湿陷性变形量约16.42 cm，变形速率0.27 cm/d，停水期后的最终变形量为43.86 cm，注水期变形量占总变形量的37.4%，水平向影响半径2.3 m；SJ4 砂井井底刚好置于非陷性土层，增湿仅仅引起非湿陷性土层的变形，注水期的变形量约6.44 cm，停水期后的最终变形量为34.09 cm，变形速率0.57 cm/d，注水期变形量占总变形量的26.7%，水平向影响半径1.6 m；SJ5 砂井井底也置于非湿陷性土层内，增湿引起非湿陷性黄土的变形，注水期的变形量约3.17 cm，变形速率0.05 cm/d，停水期后的最终变形量为17.64 cm，注水期变形量占总变形量的18.0%，水平向影响半径0.94 m。

因此，砂井底部湿陷性黄土厚度越厚，越容易引起增湿变形的发展，且注水期发生的变形量最大。SJ4、SJ5 砂井则全部置于非湿陷性黄土层内，注水引起非湿陷性黄土层的增湿变形，注水期变形量分别为6.44 cm 和3.17 cm，停水期分别增加了27.65 cm 和14.47 cm。图6中，曲线越陡，变形速率越快，注水期间，SJ1 变形速率最大，而SJ5 的变形速率最小；停水期间，SJ3、SJ4、SJ5 的变形速率较注水期大。

砂井置于湿陷性土层和非湿陷性土层时，埋深是影响变形的重要因素，同时局部湿陷变形引起上部土体呈锥状的变形，砂井中心变形量最大，随着砂井埋深的变化，影响范围也发生改变，竖向变形量愈大，锥形影响范围也愈大，图7为现场监测的砂井埋深与水平向距离变形的关系。

砂井下部湿陷性土层越厚，竖向变形越大，引起水平向变形的范围也最大，图7中SJ1 砂井竖向变形量144.71 cm，水平向影响半径5.2 m；砂井位于非湿陷性土层时，埋深愈深，变形愈小，引起周围变形的范围也愈小，图7中SJ5 砂井的竖向变形最小，为17.67 cm，水平向影响半径0.94 m。

图7 砂井沉降量与水平距离的关系

通过试验可以得出如下结论，砂井埋置在湿陷性土层的增湿变形量远大于非湿陷性土层的值，且湿陷性土层愈厚，增湿变形愈大，水平影响范围也愈大；砂井底部埋置深度超过湿陷性土层时，增湿引起的变形较小，引起的水平影响范围最小。

工程实践中，雨水收集系统的砂井埋深应超过湿陷性黄土层，一方面可以有效收集地表雨水，延长渗透时间，另一方面可以降低增湿引起的竖向变形量和水平向影响范围，减少变形对周边建筑物的影响。

5 结论

针对黄土地区海绵城市建设设计了一种雨水收集系统，避开了浅层黄土强湿陷区域，充分利用天然状态下黄土高强度的力学特性。通过蓄、排的方式缓解了地表径流，利用透水混凝土收集雨水，三七灰土和土工膜阻水，蓄水池蓄水，多余水分简单过滤后经过砂井导入非湿陷性土层之外。砂井底部位于湿陷性和非湿陷性土层表现出变形量和发展速率的较大差异性，通过现场试验，研究了砂井埋深与变形量的关系。

结果表明：位于湿陷性土层和非湿陷性土层的砂井，砂井埋深对变形的影响较大，SJ1 底部黄土埋深厚度最大，注水期增湿变形约135.0 cm，变形速率2.25 cm/d；停水期后累积变形量为144.71 cm，水平向影响半径为5.2 m；SJ2 砂井底部湿陷性黄土层厚10.5 m，注水期增湿变形量约104.74 cm，变形速率1.74 cm/d，停水期累积变形量为113.79 cm，水平向影响半径为3.6 m；SJ3 砂井底部湿陷性黄土厚度约2.4 m，注水期湿陷性变形量约16.42 cm，变形速率0.27 cm/d，停水期后累积变形量为43.86 cm，水平向影响半径2.3 m，砂井底部位于湿陷性黄土层时，增湿引起的变形量与湿陷性土层厚度有关，湿陷性土层越厚，变形、变形速率越大，水平影响半径也越大。SJ4、SJ5 砂井位于非湿陷性土层内，埋深分别为18.0 和20.8 m，注水期SJ4、SJ5 砂井变形量分别为6.44 和3.17 cm，变形速率为0.11、0.05 cm/d，停水期累积沉降量为27.65 和14.47 cm，SJ4、SJ5 水平向影响半径为1.6 和0.94 m，砂井埋深超过湿陷性土层时，埋深愈大，增湿引起的变形愈小，影响范围也愈小，变形速率愈慢。

设计的一种黄土地区雨水收集系统将实现城市微观单元的雨水控制，为降低城市雨洪峰值、缓解城市水患提供一项科学有效且实用的技术。