不同工程措施对陕西志丹县海绵城市双层河道渗流影响的研究

刘小婧

(志丹县水务局地下水监督监测管理站，陕西 志丹 717500)

近年来，海绵城市的概念开始进入大众视野，独特的设计使海绵城市对环境和气候变化有着良好的适应性，还能高效灵活地应对强降雨等灾害，所以海绵城市的理念逐渐在城市建设中推广开来。建设处在山区或多丘陵地区的海绵城市时，平整场地需要配合大量的土石填方工程，因此需要一种既能保证排洪排涝，又可以减轻土石填方对地下水流动产生干扰作用的河道结构。这样的背景下，提出了双层河道这种新型河道结构，双层河道分为上、下2层，上层河道一般为明渠，用来调节城市河流和地表水水情，下层河道为具有一定透水能力的箱涵或管道，用于排出渗流。土石填方区域的渗透能力是影响双层河道使用效果的关键因素，因此本文将研究重心放在双层河道的渗流特性上[1- 5]。

在双层河道的建设中，是否在上层明渠设置防渗设施，或是在下层箱涵设置排水设施，以及如何解决边坡稳定问题，同时将结构的沉降变形控制在一定范围内，都是双层河道建设过程中的重点研究问题，而填方体的渗流情况又是影响这些问题的关键[6- 8]。鉴于此，本文将运用软件spaw来建立志丹县海绵城市双层河道模型，在同一设计洪水位下展开不同工程设施对河道渗流特性影响的研究。

1 模型及工况

填方体的孔隙比和渗透系数等参数对渗流的影响较大[9- 11]，本模型所有填方区域均采用同一材料，材料的具体物理参数见表1。具体的计算思路如下：

(1)在spaw软件中建立双层河道的平面模型，设置填方体的材料属性，并将整个计算域定义为饱和状态。

(2)在明渠内施加水压力，地下水位与箱涵顶部齐平，spaw开始计算模型各网格点的孔隙水压力，连接所有孔隙水压力为零的网格点构成界面。追踪并连接孔隙水压力相等的网格点形成孔隙水压力等值线图。

表1 填方体材料参数

1.1 有限元模型

软件spaw建立的典型双层河道模型如图1所示。双层河道两侧的回填高度达到20m，上层明渠堤身高度为5m，明渠两侧的边坡率取1∶2，明渠段防渗设置为全断面防渗，下层的箱涵净空尺寸为5m×5m，砌筑结构厚度为1m，顶侧设置0.1m×0.1m的排水孔并呈梅花型布置，间距设置为1.5m，箱涵的侧墙排水孔位于距箱涵顶部1.5m处，明渠和箱涵的中心线重合。

计算域尺寸为30m×30m，水流来流方向垂直于断面，来流方向的左右两侧以及计算域的底部为不透水边界，上层明渠的边坡以及河床为透水边界，防渗土工膜布置在该处，下层箱涵设有排水孔，渗流通过排水孔进行流量交换，且流量交换为负值，其余边界均为不透水边界。

图1 模型示意图

1.2 工况设置

为研究上层防渗设施及下层排水孔的设置对模型渗流结果的影响[12- 15]，设置4种工况来展开计算。工况1：在上下两层均不设置防渗措施或排水孔；工况2：仅在下层设置排水孔；工况3：仅在上层设置防渗土工膜；工况4：在上层设置防渗土工膜，下层设置排水孔。各工况下的工程措施及计算水深见表2。

表2 不同工况的工程措施及边界条件 单位：m

2 静水位下的渗流计算结果

2.1 工况1

孔隙水压力在河流纵向上基本保持一致，渗流场的变化主要发生在横断面上，所以该二维模型只计算河道横断面上的渗流结果，如图2所示。当上层明渠未设置防渗设施时，在设计洪水位下，由于水流不能快速顺河道排出而产生了向下的渗流，因此在土石填方内部出现了地下水位顶托渗流现象，下层的箱涵四周孔隙水压力增大，而且模型的最大正孔隙水压力出现在箱涵的周围，孔隙水压力等值线绕箱涵呈抛物线，孔隙水压力随埋深的降低而不断减小，孔隙水压力在计算域的两侧顶部达到最大负压力。

图2 工况1孔隙水压力分布图(单位：kPa)

图3 工况1渗流路径示意图

图3为工况1下的渗流路径示意图，可以看出，设计洪水位作用下，上层明渠的水流不断向下渗流，而箱涵由于无排水设施，其周围产生了明显的绕流现象，水流由模型底部向外渗流而出，地下水受明显影响。

2.2 工况2

由图4可以看到，当上层的明渠未设置防渗设施时，在设计洪水位影响下，土石填方内的渗流量更大，同样产生了地下水位顶托渗流，虽然下层箱涵设置有排水设施，但是土石填方体的渗流量远大于箱涵排水孔的排水能力，因此孔隙水压力等值线图在箱涵附近有凹向排水孔的趋势。箱涵顶部的孔隙水压力较小而两侧以及模型底部的孔隙水压力达到最大正压力，在明渠附近的孔隙水压力比较小，明渠两侧孔隙水达到了最大负值。

图4 工况2孔隙水压力分布图(单位：kPa)

图5 工况2渗流路径示意图

由图5可知，由于工况2在箱涵处设置有排水孔用来排水，因此箱涵周围没有出现绕流的现象，而且部分渗流能通过箱涵的排水孔流出，但箱涵排水孔的排水量比较小，而计算域的总渗流量较大，所以仍有相当一部分渗流由模型的两侧流出。

2.3 工况3

如图6所示，当模型仅在明渠底部设置防渗土工膜，而不考虑箱涵排水孔作用时，模型地下水位托顶渗流现象几乎没有发生，位于地下水位以上的土石填方体出现了大范围负压区，明渠底部出现了闭合孔隙水压力等值线，其数值为负，模型的总渗流量大幅减小。箱涵周围的孔隙水压力等值线出现弯曲，其弯曲程度明显小于工况1和工况2的结果，在地下水位以下的等值线基本保持平行，地下水未受到明显影响，说明防渗土工膜的单独作用效果比箱涵排水孔的效果好。

图6 工况3孔隙水压力分布图(单位：kPa)

图7 工况3渗流路径示意图

由图7可知，在防渗土工膜的影响下，土石填方体内的渗流路径向计算域中心集中，各条渗流路径随埋深的增加先后出现了大于等于90°的转折点，而且从计算域流出的渗流路径也更加集中。箱涵周围的渗流路径均绕过箱涵向计算域两侧发展。

2.4 工况4

工况4计算的是防渗土工膜和箱涵排水孔共同作用下的渗流结果，可以看出，图8的孔隙水压力分布情况与图6类似，但图8的的孔隙水压力绝对值普遍较低，明渠下方负压区的孔隙水压力绝对值较小，负压区面积也更大，箱涵周围等值线的突起程度稍高。造成这一结果的主要原因是：防渗土工膜大幅减小了总渗流量，土石填方体内的水流又能很快的从箱涵排水孔排出，进一步减小计算域内的渗流量。

图8 工况4孔隙水压力分布图(单位：kPa)

图9 工况4渗流路径示意图

从图9可以发现，渗流路径的数量较少，越往计算域中间，渗流路径越集中，其间距越小，计算域中间的渗流路径竖直向下发展，最后由箱涵顶部和两侧的排水孔流出，未对地下水产生影响，计算域两侧的渗流路径都朝着左、右两个出流点发展，未对地下水水位造成太大影响，地下水水位基本与箱涵侧排水孔齐平。

3 结论

本文以陕西志丹县海绵城市典型双层河道模型为对象，研究了不同工程措施影响下模型孔隙水压力分布和渗流路径的发展情况，得到以下结论。

(1)考虑单一工程措施时，防渗土工膜对渗流量的削减作用优于排水孔，因为防渗土工膜能从源头上减少总渗流量，而排水孔主要是作为辅助工程使用，其本身的作用并不突出。

(2)模型同时采用防渗土工膜和排水孔工程措施时的防渗、排水效果最佳，孔隙水压力最小，渗流路径更合理。

受计算资源的限制，本文仅计算了双层河道二维模型的渗流情况，如若能展开三维仿真模拟，分析渗流在河道横纵方向的发展，其结果将具有更高的应用价值。