落底式止水帷幕对地下径流的阻碍影响分析

黄云浩， 唐红， 杨彦子

(武汉科技大学城市建设学院， 武汉 430081)

近年来，“城市看海”的情况频频发生，对居民的正常生活，社会公众的生命安全和财产安全都产生了巨大的威胁[1]。为解决城市内涝问题，2012年4月，在《2012低碳城市与区域发展科技论坛》中，“海绵城市”的概念被首次提出，其是指城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，也可称之为“水弹性城市”[2]。海绵城市的命名是为了让城市像海绵一样，在降雨时能就地或就近吸收、存蓄、入渗和净化雨水，从而补充地下水，实现城市雨水资源的有效利用; 在干旱缺水时将蓄存的水释放出来，从而让水在城市中更加“自然”地进行传输和循环[3]。

然而从2012年海绵城市的提出至2021年9年时间，城市内涝的问题依然严重，海绵城市的建设进度缓慢、成效不高。目前，海绵城市建设措施的研究方向多集中于解决路面硬化、打造“海绵体”等解决地表下渗问题，而对于地下水的排渗与地下径流却鲜有关注。张盼盼[4]和杨明悦[5]分别基于CNKI(中国知网)与Citespace通过文献检索的方式研究发现，低影响开发技术是目前海绵城市研究的热点与重点，但是目前研究的技术全部为雨水花园、透水铺装、雨水调蓄池等促进雨水下渗或收集的设施，没有关注地下环境的低影响开发措施。而杨默远等[6]基于城市水循环提出“五水”转换中，地下环境中的土壤水与地下水都是水循环过程中不可缺少的一环，并提出，目前针对深层入渗进入地下水系统的水量与输出过程的关注不足，是今后海绵城市建设的研究要点与发展方向之一。李兰等[7]则在分析海绵城市建设关键科学问题后表示，海绵城市的科学研究要在开发微观尺度建设的同时，从宏观、中观等不同尺度来打造海绵系统，形成海绵体网络，而作为纽带连接各个海绵设施节点的地下水运移是海绵系统中不可或缺的部分。海绵城市的建设目标是改善和优化城市的水体循环，而城市的水体循环不仅包括地表径流与管网排水还有重要的一环就是地表水的下渗与地下水的迁移，既然要改善城市的水体循环就要从全局考虑，优化水循环的每一个步骤，而不是只重视地表水的排渗而忽视地下水的汇流。

在高楼林立的现代城市中，地下空间充斥着大量的地下建筑与地下结构，数十米深的止水帷幕与地下连续墙犹如一个个“栓”阻塞了地下径流的路线，影响地下水的流动，而“堵塞”的地下水势必会影响地表水下渗的速度，加剧城市内涝。海绵城市的建设是要求改善城市的自然水体循环，其中减少地下结构的阻碍作用并恢复自然水体的地下径流是不可或缺的一环。因此，现通过COMSOL有限元软件，对地下结构的周边地下环境进行数值模拟，进而研究地下结构对地下水的阻碍作用并在此基础上找到解决措施。

1 海绵城市概述与城市水循环

1.1 低影响开发与海绵城市现状

低影响开发(low impact development,LID)起源于20世纪70年代的美国。经过长期的发展，低影响开发的总体目标是尊重场地的地下水资源和自然水循环，降低城市开发对自然环境的影响，保护和恢复城市开发前的自然水文特征[8]。中国“十二五”重大水专项课题对低影响开发进行了专项研究，并在深圳、嘉兴等城市陆续开展了大量的工程实践[9]，之后在低影响开发的思想下提出了海绵城市的概念。2013年12月12日，习近平总书记在《中央城镇化工作会议》讲话中强调了要建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市，让城市“弹性适应”环境变化与自然灾害[10]，其建设目标与低影响开发的目标一致，因而在建设中国海绵城市时可用低影响开发作为指导思想和技术手段。

2014年11月，住建部出台《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》，明确“海绵城市”的概念、建设路线、基本原则和技术方法[11]。2015年4月，住建部、水利部和财政部共同确定济南、武汉、厦门和常德等16个城市作为海绵城市建设试点城市[12]。之后，国家政策性的将海绵城市建设分为新建城区的建设和旧改区域的建设：以目标为导向，进行局部的海绵体综合设计；以综合治理为导向，整改老旧水网、净化污染水体、创设绿色生态环境[13]。在此期间，海绵城市在建设技术上取得进展，推出了透水铺装、雨水花园、生态草沟、绿色屋顶、下沉式绿地、生物滞留带、生态洼地等优秀地表下渗设施，取得初步成果。

然而海绵城市的建设并不乐观，截至2020年，海绵城市建设试点工作已进行5年，期间曾发生过多次全国性强降雨事件，多数试点城市仍出现了较为严重的城市内涝现象[14]。5年时间，各个试点城市完成了多个海绵城市项目，但是在此期间，传统城市化对地下空间的开发并未停止，地铁、多层地下室、地下连续墙无一不在加剧破坏自然水循环，并逐步将影响向更深的地下带入，而其造成的影响确未被重视。

1.2 城市水体循环规律

水循环是通过地表径流和地下径流将水导入江海，江海通过蒸发等将水通过水汽运输以降雨的形式导回给地面。其中地下径流是通过地表的植被、湖泊、湿地将降雨产生的非地表径流水下渗到地下，形成地下水流向江海。

城市内涝的根源就在于传统的城市化对雨水径流的巨大阻碍。人们在改造自然的过程中大幅度改变了地表的物质组成与结构[15]，地面的大量硬化、钢筋水泥取代河流、湖泊、湿地和绿地等都会造成不透水面的增加，使得地表积水难以排渗；地下建筑物与地下结构的大量修建则会阻断自然汇流通路，造成地下汇流时间延长，进一步拖慢地表排水的过程，加剧城市内涝。

地下空间的开发利用对地质表层的自然环境会造成永久性破坏，特别是对于地下水资源有巨大的影响[16]。海绵城市作为地下水的自由迁移系统的体现，面对大规模的地基止水系统的建设，很大一部分作为地下障碍物阻碍海绵城市内部的水体联通，减少了土壤补水的通量，严重影响了整个海绵城市的水循环。本文研究提供了一个新的海绵城市建设思路，不仅要重视地面硬化等地面雨水排渗问题，还要重视地下的水体循环，全局思考综合对水系统进行整治与防护。在新时代基于韧性思维的海绵城市理念下，需要发展健康的岩土工程，秉持低影响开发的思想，为建设绿色先进的海绵城市做贡献。

2 地下隔水结构对水体循环的阻碍影响研究

2.1 落底式止水帷幕止水特点

现阶段面对复杂的基坑周边环境，大型深基坑工程开始较多的采用TRD(trench cutting re-mixing deep wall method)或CSM(cutter soil mixing)工法在基坑周边建立作为地下连续墙与止水帷幕的水泥土搅拌墙，以起到支护和防渗的作用。无特殊情况下，止水帷幕为围绕基坑周围的矩形四面连续墙壁，如图1所示，高亮蓝色区域为止水帷幕，其内部为基坑，外部为土体区域。

落底式止水帷幕是指水泥土搅拌墙的深度已达到不透水层的止水帷幕，在理论上落底式止水帷幕可以完全阻隔深基坑内外的水力联系，因此在落底式止水帷幕建成后会在地下空间形成一个矩形范围的不透水区域，影响其周围的地下水流动。

图1 基坑止水帷幕示意图Fig.1 Schematic diagram of foundation pit water stop curtain

2.2 研究方案与模型建立

影响地下径流的因素很多，其中包括复杂的土层因素(土体类别、土体分布、土层厚度)、地下径流方向、地下或周边河流因素等。由于影响因素复杂多变，实际工程中也很难找到相同的工程状况，因此为找到较为普适的规律，本文的研究目标是：在不考虑其他因素的情况下，仅研究单一地下隔水结构对地下水径流的阻碍影响。研究方案为采用COMSOL有限元软件，建立二维地下隔水结构的绕渗模型，对一个落底式止水帷幕及其周边区域进行数值模拟，计算出止水帷幕造成的流量阻碍。

模型物理场选用多孔介质和地下水流模块的达西定律，研究类型选择稳态。在达西定律模块中，对一个边长200 m，面积40 000 m2的落底式止水帷幕及其周边1 000 m×800 m的矩形土体区域建模，默认厚度为1 m。流体材料为水，密度1 000 kg/m3，动力黏度0.001 Pa·s；多孔材料为细沙，孔隙率0.5，渗透率5×10-8m2。单向流动，入出口每1 000 m的压强差为147 000 Pa(每10 m的水头差为0.15 m)，入口压强大于出口压强，非压强方向的边界采用对称边界，即允许切向流动但无法向流动的边界。止水帷幕采用内壁边界，不允许任何方向的流动。

按物理场控制，较细化划分网格，开始模拟研究。计算结果选择达西速度场，计算完成后对模拟区域的流速进行积分，得到该区域地下水的瞬时总流量，即每秒的总流量；再对模拟区域上边界与入口边界的流速进行积分，得到边界处的线流量。

2.3 止水帷幕极限影响范围的确定

为完整表现单一止水帷幕对地下径流的影响以及止水帷幕对地下水流动的极限影响范围，模拟面积的选取应该足够大，取到止水帷幕不再有影响的边界面积。模拟区域为矩形，矩形的宽度方向为压强方向，坐标轴中为x方向；矩形的高度方向为非压强方向，坐标轴中为y方向。确定区域面积时，建立两个除有无止水帷幕外其他完全相同的两个模型，通过改变高度、宽度的值，计算后进行对比，最终确定不再对阻碍作用有影响的临界面积。

2.3.1 模拟区域非压强方向矩形高度的确定

止水帷幕对非压强方向的影响相对较小，实验中由于边界条件选取为对称边界，不允许法向流动，而止水帷幕会使帷幕附近产生y方向的流速，即产生y方向流动的水流，因此模拟区域高度选取越小，数据显示的止水帷幕产生的阻碍效果越强，即有止水帷幕和无止水帷幕的总流量差值越大，同时对上下边界流速的影响也越大。

确定模拟区域高度时，由于上下边界无法向流动，当高度取大于200 m时，上下线的线流量都将与无止水帷幕时一致，保持在7.35 m2，无法体现不同高度对阻碍作用的影响，因此确定高度对阻碍作用无影响的指标为：在与无止水帷幕模型的对比中，两模型总流量的差值与上下边界流速极值保持稳定不再变化。由于模型上下对称，上下边界的流速一致，故实验记录仅记录上边界流速极值。模拟时保持宽度为1 000 m，压强为147 000 Pa，计算结果如图2和图3所示。

由数据可得，即使是影响较小的高度方向，边长200 m的止水帷幕也将对4 500 m高度范围内的地下水流动造成影响。在4 500 m范围内，流量差值随高度的增大而减小，且减小速度逐渐缓慢；上边界的最高流速随高度的增加而降低，最低流速随高度的增加而增大，变化的幅度也在逐步减小。当高度达到4 500 m时，流量差值将降到最低值503 m3，并且该值将不会再随着高度的增加而产生变化；上边界最高流速与最低流速此时已交汇并等于同等条件下无止水帷幕的流速0.007 35 m/s，且随着高度的再次增加，该流速保持不变。

图2 高度变化流量差值图Fig.2 Height change flow difference diagram

图3 高度变化流速对比图Fig.3 Comparison diagram of height change and velocity

由此得出如下结论：边长200 m的止水帷幕在非压强方向，会对附近土体中的地下水流动产生较大影响，但随着距离的增大，该影响逐渐减小，在距离达到4 500 m左右时将不再有影响。

2.3.2 模拟区域压强方向矩形宽度的确定

止水帷幕对压强方向的影响更大，影响范围更远。确定模拟区域宽度时，保持高度为800 m不变，保持147 000 Pa/km的压强差不变，通过改变宽度计算不同宽度对阻碍作用的影响，改变宽度后按同比例调整压强。宽度变化时，出入口流量将不再保持一致，而是随着宽度的增大而增大，并逐步逼近无止水帷幕时的流量，因此确定宽度对阻碍作用无影响的指标为：在与无止水帷幕模型的对比中，两模型总流量的差值与出入口的流量保持稳定不再变化。由于模型左右对称，出入口的流量一致，故实验记录仅记录入口处的流量。计算结果如图4和图5所示。

图4 宽度变化流量差值图Fig.4 Flow difference diagram of width change

图5 宽度变化入口流量对比图Fig.5 Comparison of inlet flow with width change

数据表明，止水帷幕在压强方向的影响范围非常大，即使将宽度设置为20 000 m，在入口处，对比无止水帷幕时的情况，还是会造成入口0.54%的流量削减。在2 000 m的范围内，止水帷幕对地下水流速的影响较大，随着宽度的增加，入口处流量的增幅明显，总流量的差值也快速增大。当宽度达到2 000 m后，止水帷幕的影响效果显著减小，随着宽度的增加，入口处流量缓慢增加，并逐步向无止水帷幕时的入口线流量11.76 m2靠近，在宽度达到20 000 m时，入口处流量达到11.7 m2，与无止水帷幕时相比，两者相差0.54%；伴随流速的缓慢增加，总流量的差值也缓慢上涨，峰值将达到578 m3。

由此可得出结论：边长200 m的止水帷幕在压强方向，会对地下水流动产生范围非常大的阻碍影响，在2 000 m范围内该影响较大且随着距离的增加影响快速增大，之后影响的增加速度放缓，在20 000 m的边界该影响的增长微小但依然存在。

2.4 阻碍影响分析

由2.2节可知，边长200 m的止水帷幕将对周围20 000 m×4 500 m范围内的地下水流动产生影响。数据表明，在该实验区域内，总流量差值会随着高度的增加而减小，随着宽度的增加而增大，并且变化速度随着距离增加而逐渐减小，最后趋于稳定。总流量差值随着宽度和高度的变化而变化，因此不同面积区域下的总流量差值不同。

为计算不同面积范围内止水帷幕产生的流量减少，将宽度与高度分为400、600、800、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000 m的10组，分别组合为100种不同的面积，计算其流量差值，并将流量差值与无止水帷幕时的总流量之比作为阻碍影响的指标进行计算。计算结果如表1与表2所示。数据表明，止水帷幕产生的总流量差值的最大值为土体面积4 000 m×400 m时的726.83 m3，最小值为400 m×4 000 m时的452.48 m3，此时产生的阻碍影响分别为6.18%与3.85%。由于当面积增大时，无止水帷幕情况下总流量的增速较快，因此面积越大止水帷幕产生的阻碍影响百分比越小，其最大值为土体面积400 m×400 m时的39.56%，最小值为土体面积4 000 m×4 000 m时的0.46%，此时后者的总流量差值为539.65 m3大于前者的465.21 m3。

实际工程中，止水帷幕附近会有其他建筑影响，地下空间会有其他地下结构进行阻碍，这些地下结构会将较广范围的地下空间分割为不同范围的区域，因此每组不同的范围都可能有其对应的实际工程，本文选取建筑相距较为普遍的1 000 m作为分析范围。在1 000 m的范围内，止水帷幕将产生459.63～539.63 m3的流量削减，将会产生7.34%～39.56%的阻碍影响，这会对地下径流产生较为严重的阻碍，从而影响城市的水体循环，加剧城市内涝，威胁社会公众的生产生活。

2.5 倒角对阻碍影响的变化

在1 000 m×800 m的实验区域中，分别对边长200 m止水帷幕的4个角进行40 m的45°切角与倒圆角，保持面积40 000 m2不变，计算出不同倒角对止水帷幕阻碍作用的影响，计算结果如表3所示。

表1 不同面积总流量差值表Table 1 Flow difference of different areas

表2 不同面积阻碍影响百分比表Table 2 Percentage of impact of obstruction in different areas

表3 倒角模型数据表Table 3 Chamfer model data sheet

数据表明，在保持面积不变的情况下，适当倒角会降低止水帷幕对地下水流动的阻碍作用。对止水帷幕1/5处的4个角进行45°的切角，将会降低止水帷幕5.326%的阻水作用；对止水帷幕1/5处的4个角进行倒圆角，将会降低止水帷幕3.673%的阻水作用。其中45°切角的优化效果大于倒圆角的优化效果，主要原因是模型切角后的迎水面积要小于倒圆角后的面积，因此有效降低压强方向止水帷幕迎水面积将会降低其对地下水流动的阻碍作用。

由此可得出结论，在实际工程中，可以选择施工难度相对简单，造价相对便宜的45°切角来降低止水帷幕的阻碍作用。

3 止水帷幕阻碍作用对海绵城市的影响

止水帷幕的阻碍作用对海绵城市的主要影响为：由于阻碍作用，使得地下水的排渗速度较慢，局部地下水水位更快上升，挤占地表水的入渗空间，降低地表水的下渗速度，最终导致止水帷幕附近海绵城市设施的效率下降。

目前，海绵城市设施的建设主要分为两种，一种是使用透水混凝土、透水砖等透水材料铺设透水路面；二是建设雨水花园、下沉式绿地、渗井、生物滞留带等集中入渗设施，将附近不透水面(屋顶、路面等)导致的雨水径流集中存蓄并入渗补给地下水。其中，雨水径流集中入渗设施具有减缓城市内涝、净化水质与涵养地下水的综合功能，在海绵城市的建设中应用较为广泛[17]。针对雨水花园等集中入渗设施的使用，唐双成等[18]和贾忠华等[19]研究发现集中式雨水径流入渗设施会提高局部地下水水位，并且该过程会在降雨后短时间内发生[20]。Machusick 等[21]在美国宾夕法尼亚州东南部地区的研究发现，当降雨量大于 18 mm时，雨水径流通过渗蓄设施向下入渗补给地下水，局部得到补给的地下水会凸起形成小丘，造成地下水水位波动较大。止水帷幕的阻碍作用会使集中入渗后的地下水排渗难度加大，更易汇集成小丘，使地下水水位的波动更大，并且随着水位的上升，地下水的顶托作用逐渐发挥作用，使得地表水的入渗空间不足、下渗速度下降，最终导致集中入渗设施效率降低，更易发生较严重的溢流。

地下结构对天然流场的阻隔或截断会使得地下结构两侧地下水的水位局部上升或下降，造成两侧水力梯度增大[22]，阻碍地下水的流通，降低附近海绵城市设施的效率。同时，较大幅度的水位变化会造成建筑物内突水和增加附近建筑因浮托力而破坏的风险[23]，为城市的建设带来隐患。

4 结论

海绵城市建设进展缓慢，在低影响开发的倡导下，要逐步恢复城市的自然水循环，这不仅要求我们关注地面硬化等地表排渗问题，还要关注地下水汇流等地下径流问题。

影响地下径流的因素有很多，但大体上可以得出如下结论：在相同情况下，相对于无落底式止水帷幕，落底式止水帷幕会对地下水的流动产生较大影响，边长200 m的止水帷幕将对周围20 000 m×4 500 m范围内的地下水流动造成影响。在1 000 m的范围内，落底式止水帷幕会造成地下径流每秒7.34%～39.56%的流量削减，导致地下水汇流速度减慢，使得局部地下水水位提高，从而在降低附近海绵城市设施效率的同时增加附近建筑的安全隐患，不利于城市的健康发展。

实验表明，倒角与切角可以优化止水帷幕，降低止水帷幕的阻碍影响，其中45°切角造价便宜、施工简单、优化效果较好，对边长200 m止水帷幕1/5处的4个角进行切角可以减低止水帷幕5.326%的阻水作用，因此在实际工程中对止水帷幕进行45°切角符合低影响开发，有利于海绵城市建设。