一种具有快速入渗装置的新型雨水花园

2023-12-28丁飞徐家豪张鲁鲁汪东林中煤第三建设集团有限责任公司安徽合肥007天津城建大学土木工程学院天津0084安徽建筑大学安徽合肥060

安徽建筑 2023年12期

丁飞，徐家豪，张鲁鲁，汪东林（.中煤第三建设(集团)有限责任公司，安徽合肥 007；.天津城建大学土木工程学院，天津 0084；.安徽建筑大学，安徽合肥 060)

1 引言

城市排水系统的好坏、排水设施是否健全、排水管网是否完善，直接决定了强降雨情况下是否会发生内涝。从目前情况来看，我国大多数城市的排水系统不足以胜任强降雨时的城市排水工作。加上城市硬铺装如沥青、混凝土路面非常普遍且其透水性较差，城市内涝在我国非常普遍[1-3]。

通过城市和农村的对比发现，不仅城市的植被远少于农村，而且水塘、河流等水域面积也较少。因此，短时间内的大量降雨无法下渗和储存，很容易出现汇水现象，并形成大面积积水。

目前，除了试点城市区域外，我国有许多城区需要进行海绵城市建设[4-6]。海绵城市建设下一步的工作重点是将试点得到的海绵城市建设经验与模式进行推广和应用。

雨水花园[7-9]是海绵城市建设诸多方法中的一种，具有广泛的应用和生态效益。然而传统的雨水花园具有渗透能力差、难以疏解强降雨时的大量来水。本文给出了一种在常规雨水花园下部布置滤芯渗井的新型海绵化方法，该方法采用天津城建大学专利产品滤芯渗井技术。研究表明，该新型雨水花园具有渗水效率高、绿色环保等综合效能，是一种具有较高社会价值和经济价值的设施。

2 工程概况

空港国际小镇宝教寺湖生态修复工程，所处区域属北亚热带湿润季风性气候区，四季分明，冷热适中，年平均温度在16°～18°，年平均蒸发量838mm，年相对湿度76%。无霜期长，平均为220d，常年主导风向为东北风。6-9 月期间的降雨量约占年降雨量的60%～70%，降雨季节分配不均。

合肥市水资源短缺，市域范围全年降水时空分布不均，项目所在区域降雨量较合肥市域年平均降雨量略低。

空港经济示范区大部分位于淮河流域，属瓦埠湖主要支流东淝河流域范围内。境内天然水系主要有王桥小河、唐小河，汇流后流入天河，再于寿县三觉寺东入东淝河。

空港国际小镇位于空港经济示范区北部，区域内主要水系有焦湖水库、焦湖支河、宝教寺水库、宝教支河等，最终汇入王桥河。河道断面普遍偏小，不能满足排洪防洪要求。

宝教寺湖生态修复工程设有3 号长廊，长廊中布置有透水路面、生态停车位、植草沟、雨水花园等海绵设施，还布置有小料石、混凝土、大理石等不透水路面，如图1所示。

图1 空港3号绿色生态廊道雨水花园位置示意图

3 有限元模型的建立

以项目中的雨水花园为依据，利用MIDAS GTS 建立其有限元模型。根据图纸得知，图1 中的雨水花园下凹0.3m。由于需要对比优化方案，这里建立2个长宽高均为5m 的雨水花园模型。滤芯长1.5m，直径0.1m，埋深均为水平面下0.5m处，布置方案如表1所示。

表1 滤芯布置情况(单位：m)

根据地质勘察资料，影响范围内的土层包括三层，各土层及滤芯参数如表2所示。

表2 各土层及滤芯参数

在MIDAS 软件中分别建立滤芯间距为1.0m、1.5m 和3.0m 的线框，如图2所示。

图2 线框示意图

利用扩展将线框扩展为各土层，并移动到相应深度，如图3所示。

图3 扩展模型示意图

其中滤芯与粘土层交接的部分需要通过布尔运算中的镶嵌部分来处理，处理完毕后删除多余的单元即可。顶层曲面可以通过扩展初始线框，再建立一个球体，通过布尔运算中的差集，即可得到。

按照表2 中的各项数据来定义材料，其中素填土、粘土1 与粘土2 土层按各向同性-莫尔-库伦模型建立，滤芯按各向同性-弹性模型建立。并且素填土、粘土1与粘土2土层需要考虑非饱和特性的影响。定义3D 属性与材料中的各项一一对应即可。

使用混合网格生成器生成尺寸为0.29 的网格，如图4 所示。注意土层属性一定要与网格划分一一对应。

图4 网格划分示意图

图5 不同阶段的施工定义

图6 孔隙水压力云图

在渗流/固结分析栏中找到节点水头选项，建立一个新的节点水头，其实就是地下水位。在网格模型地下3m 处选择一整层的3D 单元面作为目标，并赋予-3m 的值。勾选“如果总水头＜潜水头，则Q=0”选项，这样地下水位就建立完成。

在渗流/固结分析栏中找到曲面流量选项，建立一个新的曲面流量，即确定降雨面和降雨量。选择网格模型的最顶面，也就是雨水花园的顶面作为降雨面。此次模拟的降雨量选择暴雨的平均降雨量，即3×10-7m/sce。勾选“如果q＞Ksat，那么总水头=位置水头”选项，并命名为降雨。

定义一个渗流类型的施工阶段，共分为两个阶段。第一阶段是稳态阶段，将各网格组、节点水头和设置的焊接接触数据移动到激活数据即可。第二阶段是降雨阶段，是一个瞬态渗流阶段，只需将降雨激活，在时间步骤中设置14400sec，并设置四个步骤，即一小时记录一次即可。

4 模拟结果分析

在同一平面含滤芯土层不同深度分别取两个点，即较近点记作素填土（近）和粘土（近），较远点记作素填土（远）和粘土（远）。

由于顶层存在凹面，且在重力作用下雨水会向凹面中心汇集，两个模型模拟时的降雨量相同，所以这里着重分析内圈数据。

在两个模型中，素填土层的取点均在中心处和边缘较高处。可以看出，位于凹面中心点的土体孔隙水压力明显大于模型边缘较高处的孔隙水压力。这说明雨水会汇集在顶层凹面处。

观察总水头云图和表中数据，均无异常，说明两个模型都具可行性。

对比各模型在同一土层上滤芯附近和远离滤芯土体的孔隙水压力变化，结果如图7和图8所示。

图7 模型1孔隙水压力随时间变化曲线

图8 模型2孔隙水压力随时间变化曲线

由图7、图8 可以看出，两个模型中滤芯附近土体孔隙水压力始终大于远离滤芯的土体，土体孔隙水压力由负趋向于0 的过程说明土体在吸水，孔隙水压力达到0 时土体饱和，滤芯附近的土体相较于远离滤芯的土体吸水更早。水流在素填土中渗流时，通过滤芯渗井可以更早更快地将水下渗至下一土层。两个模型中的滤芯都能起到非常好的效果。