湿陷性黄土地区海绵城市建设湿陷性风险模拟评估研究

李昌镐，侯精明，刘海松，杨 瑾，王镇中，刘 洋

(1.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；2.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；3.陕西省西咸新区空港新城规划建设局，陕西 咸阳 712035)

1 研究背景

近年来，极端降水事件增多导致内涝灾害频发[1]，例如2016年西安小寨地区发生的内涝给当地带来了严重的社会危害和经济损失。海绵城市建设实施使得我国部分地区城市水问题有所改善，原来积涝的水通过各种海绵措施可集中下渗、蓄存等。但海绵城市建设不能生搬硬套，而且在湿陷性黄土地区，海绵城市改造导致的集中入渗使土壤快速饱和，更容易因地球脉动现象而引起饱和黄土液化，最终进一步增加黄土湿陷的可能[2]。本文以存在黄土湿陷可能的西咸新区空港新城临空产业区为例，切入研究。

西咸新区为我国首批海绵城市建设试点，同时区域内分布着湿陷等级Ⅰ级到Ⅳ级不等的湿陷性黄土。马越等[3]通过将秦皇大道划分为5个子汇水分区，针对西咸新区某道路湿陷性黄土地质和原土渗透性差的现状提出诸如分段设置传输型草沟和雨水花园、将人行道不透水铺装改为透水铺装等针对性的LID(低影响开发，low impact development)改造措施；侯精明等[4]以西咸新区为例从建筑小区尺度研究了LID措施不同前期条件对径流控制和峰值削减的影响，量化了不同降雨量、不同前期条件的影响效果；韩松磊[5]从宏观到微观角度，以西安为例对湿陷性黄土地区海绵城市建设进行了探索，同时针对不同用地类型的湿陷性黄土区域，分别提出了相关的设计和建设技术要求；柴少波等[6]根据黄土地区海绵城市中邻近建筑物的LID设施的工程实际建立了LID设施渗流对建筑地基影响的数值计算模型，以含水量和沉降等作为研究的切入点，研究了雨水通过LID设施入渗邻近建筑地基的影响。以上研究从数值模型和工程实际等出发，探索研究了LID措施或湿陷性黄土区域海绵城市建设的要求和效果。

评价黄土湿陷性的传统方法通常为室内浸水压缩试验[7]，没有考虑自然降雨入渗情况下黄土湿陷的具体情况，而地面荷载和雨水集中入渗等变化，也可能带来湿陷性黄土地区发生地基沉降变形等风险[8]，基于此，在海绵城市建设中，雨水花园等海绵改造措施旨在将雨水进行集中、有效的处理，极有可能带来黄土湿陷的风险。本文采用精细模型量化分析黄土湿陷对不同自然降雨集中入渗的响应效果，对湿陷性黄土地区海绵城市建设有着重要参考意义。

本文以西咸新区空港新城临空产业区为例，引入一套高效高精度的基于GPU(图形处理器，graphics processing unit)加速的地表水及其附随过程数值模型GAST(GPU accelerated surface water flow and transport)[9]对研究区域降雨径流过程进行模拟，同时以集中降雨作为边界条件，对雨水在土体中的下渗情况进行模拟，根据湿陷性黄土地区建筑规范[10]对研究区域黄土湿陷风险作出评估。

2 资料来源与研究方法

2.1 研究区概况

西咸新区东距西安市中心10 km，西距咸阳市中心3 km，是西安国际化大都市未来拓展的重点区块[11]，本文研究区域位于西咸新区空港新城内，即西安咸阳国际机场西北侧的一片城区，并选取自贸大道与长平大街交汇处、自贸大街、宜平大街、北杜大街包含草地、林地、裸地3种土地利用类型在内的4个区域进行双环实验，实地量测不同土地利用情况的下渗参数。同时选取典型黄土区：将空港新城KGHX-2013-07号地块定为场地1、保障房项目A区为场地2、北杜(空港阳光里)项目市政工程场地为场地3、园区北大道(园区大道-第五大道)市政工程场地为场地4、园区十路(A-5路-园区二路)市政工程场地为场地5，并在5个场地现场取样，于室内进行变水头渗透试验，测试马兰黄土(L1)、第一层古土壤(S1)和第一层离石黄土(L2)3种土层的渗透系数，用于后续湿陷等级评价，土壤下渗测量和土质分析取样点位分布如图1所示。

图1 研究区土壤下渗测量和土质分析取样点位分布图

分析所测的土壤下渗数据，由霍顿公式拟合出典型土地利用类型下渗参数取值见表1。

表1 研究区典型土地利用类型下渗参数取值

测试马兰黄土(L1)、第一层古土壤(S1)和第一层离石黄土(L2)3种土层的渗透系数，最终计算时采用3种土层的平均渗透系数，见表2。

表2 各土层平均渗透系数 cm/s

2.2 研究方法

收集整理研究区基础数据，主要包括管网、地形、降雨等数据。不同土地利用类型下渗数据根据现场双环实验得到，其他资料由空港新城管委会提供。首先采用全水动力雨洪模型对研究区域不同重现期降雨下径流控制率和雨水下渗量进行评估，然后根据下渗水量对研究区下渗深度和黄土湿陷情况进行评估。具体技术路线图见图2。

图2 研究方法技术路线图

2.2.1 控制方程

(1)雨洪模型控制方程。本模型采用忽略了运动黏性项、紊流黏性项、风应力和科氏力的二维非线性浅水方程(SWEs)，方程的守恒格式可用如公式(1)的矢量形式来表示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(2)雨洪模型数值算法。地表水动力部分采用Godunov格式的有限体积法对圣维南方程进行全耦合数值求解[12]。在控制单元内，模型采用HLLC近似黎曼求解器计算界面上的水和动量通量；底坡源项采用底坡通量法处理，使得在计算过程中能与界面通量很好协调，更能满足全稳条件；摩阻力则用稳定性较佳的半隐式法来计算；摩阻源项采用二阶显式Runge Kutta方法来保证时间积分的二阶精度[13]。该模型已在文献[14]中得到验证，本文不再赘述。

(3)黄土湿陷模拟方法。Midas GTS/NX 是迈达斯信息科技有限公司针对岩土与隧道工程领域开发的一款通用有限元软件，具有一定优势[15]。何明[16]在对基坑支护数值模拟研究中运用Midas GTS/NX软件对研究基坑进行了数值模拟分析，且监测数据与模拟数据总体偏差不大，模拟结果较为准确，可为开展类似工程的研究工作提供借鉴。而且GTS/NX软件通过渗流-应力完全耦合分析，可以一次性模拟与水位条件相关的岩土问题(渗流/应力/固结)，还搭载有限元集成求解器，为复杂的工程分析和设计提供更加可靠的结果。因此，本文选用Midas GTS/NX软件对研究区的黄土湿陷情况进行模拟分析。

主要依据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025-2004)[10]中湿陷性黄土场地自重湿陷量计算式(公式6)和总湿陷量计算式(公式7)进行计算。

(6)

(7)

式中：Δzs为自重湿陷量，mm；Δs为总湿陷量，mm；δzsi为第i层土的自重湿陷系数；δsi为第i层土的湿陷系数；hi为第i层土的厚度，mm；β0为地区修正系数；β为浸湿及侧挤修正系数。

2.2.2 基础参数 根据西咸新区管委会提供的《西咸新区土地利用规划2011-2020》对研究区域进行土地利用划分，主要包括绿地、道路、房屋等。研究区域地形高程采用空港新城管委会提供的1∶2 000地形数据，通过克里金插值法得到，网格精度为3 m，共计350×104个方形网格单元。地形高程及土地利用划分见图3，研究区域内具体土地利用类型面积占比及曼宁值[17-18]见表3。

图3 研究区域地形数据及土地利用划分

表3 土地利用类型面积占比及曼宁值

通过Midas GTS/NX软件建立模型，因选取的5个场地具体工程不同，考虑本次计算仅关注雨水入渗深度，因此未考虑尺寸效应。雨水入渗数值计算模型及入渗边界见图4，具体尺寸如下：

模型长度100 m,宽度100 m,厚度13 m，其中L1马兰黄土厚度8 m，S1第一层古土壤厚度2 m，L2第一层离石黄土厚度3 m。由于后期建设的仓储区地面均会硬化成为隔水层，设计降雨下渗量只是绿地下渗水量，绿地面积占比为总区域的12%，因此数值计算的降雨边界取上述模型的3/25，即假定模型中100 m×12 m(长×宽)的区域为绿地(图4(b))。

图4 雨水入渗数值计算模型及入渗边界(单位：m)

本次数值计算基于水位随时间变化的瞬态分析，水分在黄土中的渗流服从达西定律[19](公式8、9)。

Q=k·A·i

(8)

v=k·i

(9)

式中：Q为渗流量，m3/s；v为渗流断面平均渗透速度，m/s；k为黄土的渗透系数，m/s；A为截面面积，m2；i为水力梯度。

5个场地的模型土体建设参数详见表4。

表4 研究区各场地模型土体建设参数

模拟区域总面积为13.02 km2，参考相似区域西咸新区沣西新城海绵城市气象水文监测资料，2018年7月2日降雨30.72 mm，降雨历时14 h，紧接着在7月4日降雨26.8 mm，降雨历时15.5 h。同时在2018年7月2日至8日为持续降雨天气，总降雨量为83.43 mm。多次统计实测降雨情况发现，短历史多频次降雨在雨季多有发生。考虑湿陷性最不利情况，本次模拟计算选用连续2 h短历时强降雨。降雨雨型采用芝加哥雨型，西咸新区暴雨强度公式由西咸新区空港新城海绵城市技术中心提供(公式10)，空港新城不同重现期降雨的2 h降雨雨型如图5所示。

图5 模型不同重现期降雨2h设计降雨雨型

(10)

式中：q为降水强度，mm/min；t为暴雨历时，min；P为重现期，a。

模拟降雨重现期为1年一遇(16.65 mm)设计降雨重复3次，5年一遇(44.35 mm)、20年一遇(68.20 mm)设计降雨和设计日降雨量13.5 mm/d重复6次。

3 结果与分析

在降雨历时2 h情况下通过GAST模型对研究区域进行了降雨模拟计算，单次降雨模拟结果分别见表5和图6。由表5和图6可知，虽然区域不透水占比较大，但是通过绿地等透水区域下渗水量依然很大，下渗深度计算结果见表6。

表6 不同重现期降雨下渗深度计算结果

图6 2 h设计降雨单次模拟结果

表5 2 h设计降雨单次模拟结果

为进一步了解研究区域内黄土的湿陷量情况，分别将13.5 mm/d、1年一遇、5年一遇和20年一遇重现期降雨在2 h降雨历时的4种工况在Midas GTS/NX软件中进行计算，选取5个场地中下渗最严重的场地4下渗量进行后续计算，其中场地4在20年一遇降雨情况下总水头剖面云图见图7。

图7 场地4的20年一遇降雨下渗总水头剖面云图

分别对5个场地4种降雨工况下黄土地层的自重湿陷量及总湿陷量进行计算，其结果见图8。

图8 各场地4种降雨情况下黄土地层的自重湿陷量及总湿陷量计算结果

由图8可看出，5个场地的自重湿陷量在小雨强(13.5 mm/d重复6次、1年一遇重复3次)情况下为167.67～239.03 mm，在大雨强(5年一遇、20年一遇重复6次)情况下，除场地2、3在5年一遇降雨的自重湿陷量分别为88.99、93.49 mm外，其余均在100 mm以上，雨强大小对湿陷量有所影响；5个场地总湿陷量在小雨强情况下均在600 mm以上，大雨强情况下除场地5在5年一遇工况下总湿陷量为468.18 mm外，其余均在500～750 mm之间。可见对于同一场地的整体情况而言，雨水下渗量越大，则土层湿陷量越大。

由计算结果可知：下渗深度受降雨量影响，即降雨量越大，则下渗深度越大，在雨水入渗后可能影响到的深度范围内，根据规范[10]，研究区域内所选场地湿陷等级多数已达到Ⅱ级或Ⅲ级级别。

4 结 论

为研究海绵城市建设后因LID措施导致的雨水集中入渗下的黄土湿陷风险，本文结合水动力模型和黄土湿陷沉降变形模型，对湿陷性黄土地区在进行海绵城市建设改造造成局部降雨集中入渗后的黄土湿陷风险进行模拟，结论如下：

(1)研究区不同重现期降雨下最严重地块下渗深度分别为6.06、6.51、5.02和5.42 m。

(2)在13.5 mm/d、1年一遇、5年一遇和20年一遇重现期降雨工况下，所选各场地的土层总湿陷量为468.18～1 015.56 mm，自重湿陷量为88.99～239.03 mm。整体来看，场地4湿陷等级达到Ⅱ级及Ⅲ级，在13.5 mm/d降雨工况下的总湿陷量为1 015.56 mm，自重湿陷量为208.28 mm，湿陷情况最严重。

所选研究区域内的场地在各种设计降雨工况中绝大多数已达到湿陷Ⅱ级，而且个别达Ⅲ级，极有可能危及各类构筑物的结构安全，诸如发生地基塌陷等事故。在湿陷性黄土地区进行海绵城市建设时必须将黄土湿陷因素纳入考虑范围内。故建设海绵城市时应结合实际情况，根据所在城市的地形和气候、土壤地质、自然禀赋、城建基础以及城市的基底，开展有针对性的海绵城市建设。