不同雨强条件下滤芯渗井渗透性能规律研究

张光明，李顺群

不同雨强条件下滤芯渗井渗透性能规律研究

张光明，李顺群

（天津城建大学 土木工程学院，天津 300384）

针对海绵城市建设中滤芯渗井的渗透性能，设计了一种不同降雨条件下滤芯渗井渗透性能试验装置，对黏土进行4种不同雨强下的入渗试验，得到不同雨强下土体体积含水率和浸润峰移动深度的变化规律。试验结果表明，随着降雨强度的增加，体积含水率沿模型箱高度方向从上至下逐渐增加，最后趋于稳定，浸润峰移动深度在降雨强度为0.8 mm/min时，变化趋势较为明显，与体积含水率变化规律基本吻合，说明此时滤芯渗井已经接近最大渗水效率。

滤芯渗井；体积含水率；浸润峰移动深度

随着我国经济的快速发展和城镇化的步伐加快，城镇化率逐年攀升，水资源供需矛盾日益尖锐，尤其是北方地区水资源不足问题更加严重，“节水优先”是解决中国目前所遇到水资源问题的重要方针，同时也是构建一个绿色社会的重要举措[1-2]。大多数城市路面为人工处理后渗透性较差的硬化路面，雨季来临时，无法依靠土体的自身渗透性来减少地表径流，造成地表积水，产生城市内涝。基于此背景下，“海绵城市”概念2012年在我国首次被提出，指出城市能够像海绵一样，在应对自然灾害和环境变化有良好的“韧性”和“弹性”，缓解城市内涝灾害，实现城市可持续发展[3-4]。当今，海绵城市建设方案大多采用下凹式绿地、植草沟、雨水桶、雨水花园等措施，但是上述方案存在造价高、周期长、后期维护成本高、难以大量应用到老旧小区等缺点[5-6]。前人对渗井在海绵城市建设中的研究主要有以下几个方面：预制装配式钢筋混凝土新型渗井的数值模拟[7]、内置碎石渗井和透水网格结合在不同降雨重现期的渗水性能分析[8]、渗井在海绵城市建设中的应用现况[9]、基于建筑垃圾填充式渗井的原位场地渗水试验[10]。但是，目前对于不同降雨条件下的滤芯渗井入渗试验研究较为缺乏。本文设计一种不同降雨条件下滤芯渗井渗透性能的试验装置，探究滤芯渗井的入渗规律，以此为该渗水装置在缓解城市内涝和水资源短缺方面提供理论参考。

1 滤芯渗井技术原理

滤芯渗井作为一种加速雨水快速入渗的渗水装置，当降雨引起地表积水过多时，能够在短时间内将雨水引入深层地层，减少地表径流和形成蓄水海绵体地下水库供日后使用。在渗透性较小的粉土、黏土、粉质黏土等地区，雨水在短时间内无法下渗到土体深层处，通过布置滤芯渗井来提高雨水在土体下渗的能力。滤芯渗井中的滤芯由透水混凝土制成，渗透系数参照土工试验方法标准的变水头试验测得，按照式(1)计算。制备高为1 m，直径为0.1 m的圆柱形滤芯，各材料的用量见表1所示。将制备好的滤芯骨料倒入预制好的滤芯模具中，养护完成后进行脱模，形成如图1(b)所示的滤芯。滤芯渗井在实际工程应用中，通过查阅当地气候资料和相关理论来确定滤芯渗井长度和布置方式。

式中：为试样横截面面积；为试样的高度；为终止时间和开始时间的差值；为变水头管的横截面面积；b1、b2分别为起止水头高度和终止水头高度。

表1 单根滤芯各材料用量 kg

材料石子水泥水增黏剂 用量121.80.960.32

图1 试验装置

2 试验材料及方案

2.1 试验材料

为保证试验具有一定的代表性，同时为工程实践提供理论参考，本试验土样选择黏土，取自天津城建大学土木工程学院南侧花园空地，土的基本物理指标如表2所示。

表2 土的基本物理指标

土样孔隙比渗透系数/(m·s-1)饱和度/%含水率/% 黏土0.86.1×10-78024

2.2 试验装置

该模型箱用于监测不同雨强条件下滤芯渗井的渗透规律，包括以下几个部分。

(1)土壤水分传感器为山东威海电子科技有限公司生产，型号为MS-10，见图1(c)。数据采集仪为建大仁科公司生产，型号为KE-XZJ-100-Y，见图1(d)。使用之前需要对其进行标定，根据施加的电压与电流，数据采集仪显示相应的电阻率值，进一步推导得出电阻率与含水率的关系，求出测点的含水率。对含水率分别为10%、20%、30%、40%、50%的试验土样进行电阻率测量，根据测量结果拟合二者的关系式：

式中：为电阻率；为含水率。

(2)由16根长短不一的pvc管、6个两通pvc管连接件、8个三通pcv管连接件、20个降雨喷头、一根长3 m的塑料软管和带有流量计的水龙头构成本试验的降雨装置。模型箱形状为长方体，尺寸为110 mm×70 mm×80 mm，箱壁的厚度为8 mm，材质为有机玻璃，见图1(a)。

2.3 试验方案

为保证试验结果具有可靠的真实度，在填筑试验土样过程中，采用分层填筑、逐层密实的方式。模型箱中土样的填筑高度为75 cm，分为4层填筑，前3层每层填筑20 cm，最后一层填筑15 cm，同时在填筑过程中的对应位置处埋设土壤水分传感器和布置滤芯渗井，位置见图2所示。

图2 土壤水分传感器和滤芯渗井位置布置图

依据天津市暴雨强度公式[11]：

式中：为重现期；为降雨历时，计算重现期下10、20、50、100 a，降雨历时60 min下的降雨强度，计算结果见表2所示。数据采集仪的采集频率设置为每5 min采集一次，浸润峰深度通过卷尺每1 min测量一次。为减小对试验土样的扰动，保证试验数据的准确性，将填筑完成的模型箱静置72 h后进行试验。

表2 渗透性能试验降雨强度mm/min

试验编号abcd 降雨强度0.40.60.81.0

3 试验结果及分析

本试验通过在模型箱不同位置埋设土壤水分传感器来监测不同雨强条件下的体积含水率变化规律，如图3所示。记录不同雨强下各个时刻浸润峰深度的变化值，得到不同雨强下浸润峰深度随时间的变化规律，如图4所示。

从图3可知，降雨开始后，雨水首先积聚在土体上表面，随着雨水的不断积聚，入渗开始向下发展，体积含水率沿模型箱高度方向从上到下逐渐增加，随着试验的进行，最后基本保持一致。降雨强度为0.8 mm/min时，各个测点的体积水率相对于另外3种降雨强度条件下变化较为明显。原因是当降雨强度过大时，大于滤芯渗井自身的渗水效率，渗井孔隙全部被水填满，来自滤芯渗井上部的雨水无法向下入渗，只能积聚在土体表面，造成体积含水率变化缓慢。

图3 体积含水率变化规律

从图4可知，随着降雨强度的增加，浸润峰移动深度整体趋势都在向上增加，但当降雨强度大于0.8 mm/min时，向上趋势有所减缓，原因是随着降雨的持续进行，土体从非饱和趋于饱和，滤芯渗井的入渗速率逐渐减缓直至趋于稳定，随之影响浸润峰移动深度向上趋势也趋于稳定直至不再变化，与图3所示体积含水率变化规律基本吻合，说明此时滤芯渗井已经接近最大渗水速率。

图4 浸润峰深度变化规律

4 结论

为探究滤芯渗井在海绵城市建设的运行效果，设计一种不同降雨条件下滤芯渗井渗透性能试验装置，对黏土进行4种不同雨强下的入渗试验，得到不同雨强下土体体积含水率和浸润峰移动深度的变化规律，试验结论如下。

(1)体积含水率沿模型箱高度方向从上到下逐渐增加，随着试验的进行，最后基本保持一致。降雨强度为0.8 mm/min时，各个测点的体积水率相对于另外3种降雨强条件下变化较为明显。

(2)随着降雨强度的增加，浸润峰移动深度整体趋势都在向上增加，但当降雨强度大于0.8 mm/min时，向上趋势有所减缓，土体从非饱和趋于饱和，滤芯渗井的入渗速率逐渐减缓直至趋于稳定，说明此时滤芯渗井已经接近最大渗水速率。

根据滤芯渗井渗透性能试验结果，该渗水装置在一定程度上能够减小地表径流和加速雨水快速入渗，在海绵城市建设领域有着一定的推广意义和应用价值。

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Study on Permeability Law of Filter Core Seepage Well under Different Rain Intensities

ZHANG Guang-ming, LI Shun-qun

（School of Civil Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China）

Aiming at the permeability of filter core seepage well in sponge city construction, a filter core seepage well permeability test device was designed under different rainfall conditions. The infiltration tests were carried out on clay under four different rain intensities, and the change rules of soil volumetric water content and moving depth of infiltration peak were obtained under different rain intensities. The test results show that with the increase of rainfall intensity, the volumetric water content gradually increases from top to bottom along the direction of the height of the model box, and finally tends to be stable. When the rainfall intensity is 0.8mm/min, the moving depth of the infiltration peak shows an obvious change trend, which is basically consistent with the change rule of the volumetric water content, indicating that the filter core seepage well is close to the maximum seepage efficiency at this time.

filter pits; volumetric moisture content; moving depth of infiltration peak

10.15916/j.issn1674-3261.2022.02.012

TU411

A

1674-3261(2022)02-0127-03

2021-08-13

张光明(1995-)，男，河南信阳人，硕士。

李顺群(1971-)，男，河南卫辉人，教授，博士。

责任编辑：孙 林