樊綠葉，龔金龍，崔永軍

（昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，江蘇 昆山 215300）

0 引 言

昆山境內(nèi)河網(wǎng)密布，地勢(shì)平坦，雨量充沛，歷年平均降雨量為 1 133.3 mm，年平均降雨天數(shù) 124 d/年。地下水位較高，為 0.5～1.5 mm。土質(zhì)偏黏，滲透性能較差，一般在 10～7 cm/s 數(shù)量級(jí)。因此研究適宜昆山地區(qū)的生物滯留設(shè)施過(guò)濾層填料配比，是海綿城市建設(shè)中十分重要的一環(huán)。

筆者以澳大利亞生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)指南為依據(jù)。開(kāi)展生物滯留設(shè)施過(guò)濾層填料配比試驗(yàn)研究。旨在實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1）以滲透系數(shù)作為主要控制參數(shù)，參考澳洲滲透系數(shù)，結(jié)合昆山地區(qū)土壤及氣候特點(diǎn)，明確 24 h 滲透系數(shù)控制在 200～400 mm/h。

2）將滿(mǎn)足初步滲透系數(shù)要求的級(jí)配進(jìn)行持續(xù)進(jìn)水滲透試驗(yàn)，找出具有長(zhǎng)期滲透穩(wěn)定性能的級(jí)配。

3）在滿(mǎn)足滲透系數(shù)條件下，找出最佳有機(jī)質(zhì)含量。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料選擇

以昆山本地易得到的材料為原則［1］，從各個(gè)碼頭中選取粗、細(xì)、特細(xì)河砂為主要原材料；0.075 mm 以下材料選取昆山本地的粉質(zhì)黏土（塑性指數(shù) 13～16），風(fēng)干、粉碎，并過(guò) 0.6 mm 篩。有機(jī)質(zhì)選擇木屑、龍糠、營(yíng)養(yǎng)土等，進(jìn)行風(fēng)干、粉碎，并過(guò) 0.6 mm 篩。原材料種類(lèi)及性能如表1 所示，河砂級(jí)配如表2 所示。

表1 原材料種類(lèi)及性能

表2 不同級(jí)別河砂篩分后各孔分計(jì)篩余

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及檢測(cè)方法

過(guò)濾層填料的配比檢測(cè)主要有滲透系數(shù)、級(jí)配以及有機(jī)質(zhì)含量 3 個(gè)項(xiàng)目［2］。

滲透系數(shù)的檢測(cè)原理是達(dá)西定理，根據(jù)測(cè)定流速和水力梯度來(lái)計(jì)算滲透系數(shù)。

級(jí)配的檢測(cè)是將試驗(yàn)樣品細(xì)集料套篩（0.075～9.5 mm），分別稱(chēng)取篩上殘留質(zhì)量，計(jì)算各粒徑的通過(guò)百分比。

有機(jī)質(zhì)的檢測(cè)是在外加熱源的條件下，用一定量的標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀-硫酸溶液來(lái)氧化土壤有機(jī)質(zhì)（碳），由消耗的重鉻酸鉀量計(jì)算有機(jī)碳的含量，再間接計(jì)算有機(jī)質(zhì)的含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)主要分為三部分。第一部分為用本地現(xiàn)有的材料配置出澳洲的配比進(jìn)行驗(yàn)證，并試驗(yàn)現(xiàn)有的原材料性能。第二部分為利用現(xiàn)有的原材料進(jìn)行組合試驗(yàn)，找出較合適的幾組配比，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下優(yōu)選出能保持穩(wěn)定的配比；驗(yàn)證不同產(chǎn)地材料按配比拌合是否能滿(mǎn)足要求；進(jìn)行多批次微調(diào)試驗(yàn)，找出合格的配比區(qū)間。第三部分為模擬工程實(shí)際持續(xù)運(yùn)行 6 個(gè)月，檢測(cè)最終效果。

2.1 現(xiàn)有過(guò)濾層配比的驗(yàn)證

澳大利亞生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)指南中對(duì)生物滯留設(shè)施過(guò)濾層填料的配比、有機(jī)質(zhì)含量提出明確的要求［3］：將連續(xù)級(jí)配的河砂用細(xì)集料篩將各檔材料篩分，然后按澳大利亞級(jí)配中值配置并摻 1 % 木屑，進(jìn)行滲透系數(shù)和有機(jī)質(zhì)檢測(cè)。所得結(jié)果如表3 所示。

表3 澳洲配比檢測(cè)結(jié)果

昆山地區(qū)未找到滿(mǎn)足澳洲級(jí)配范圍的原材料，并且滲透系數(shù)檢測(cè)結(jié)果＞400 mm/h，不符合 100～300 mm/h的要求，需要尋找新的配比，如表4 所示。

表4 各項(xiàng)原材料滲透系數(shù)

2.2 不同配比試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.2.1 以澳方配比結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的配比及結(jié)果分析

選擇細(xì)砂、特細(xì)砂為基礎(chǔ)配置不同的配比，檢測(cè)滲透系數(shù)及長(zhǎng)期穩(wěn)定性，結(jié)果如表5 所示。

表5 不同配比滲透系數(shù)

對(duì)以上 6 種配比進(jìn)行持續(xù)加水條件下，檢測(cè)滲透系數(shù)變化情況，查看配比的長(zhǎng)期穩(wěn)定性（見(jiàn)圖1）。

圖1 不同配比滲透系數(shù)長(zhǎng)期趨勢(shì)

由圖1 可以看出，以細(xì)砂為主的配比，隨著（0.6～ 2.36 mm）砂含量的增加，滲透系數(shù)逐漸降低。因?yàn)榇诸w粒逐漸成為配比中的骨架，細(xì)顆粒填充其中，使得孔隙率降低，從而滲透系數(shù)降低。但從 9 # 配比 30 d 滲透系數(shù)觀(guān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，滲透系數(shù)逐漸增大，無(wú)法穩(wěn)定，這是因?yàn)榕浔仍谒鞯某掷m(xù)沖刷下，顆粒級(jí)配逐漸被破壞，不能形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

10 #、11 # 配比在 30 d 滲透系數(shù)觀(guān)察中發(fā)現(xiàn)，土的加入可以使初期滲透系數(shù)滿(mǎn)足要求，但卻無(wú)法保持長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求。

2.2.2 以連續(xù)級(jí)配為基礎(chǔ)的配比試驗(yàn)及結(jié)果分析

連續(xù)結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性上優(yōu)于斷級(jí)配配比，以粗砂、細(xì)砂、特細(xì)砂、土和有機(jī)質(zhì)不同比例方式組合，找出較穩(wěn)定滲透系數(shù)的配比，如表6、圖2 所示。

表6 連續(xù)級(jí)配配比滲透系數(shù)

圖2 連續(xù)級(jí)配配比滲透系數(shù)長(zhǎng)期趨勢(shì)

12 #～17 # 配比都是采用連續(xù)型的粗、細(xì)、特細(xì)砂按不同比例配置，從表6、圖2 中看出，隨著粗砂含量增加、特細(xì)砂含量減少，滲透系數(shù)隨之增加。從表6、圖2 中看出，15 # 配比初期滲透系數(shù)能滿(mǎn)足要求，并且長(zhǎng)期穩(wěn)定性更好，能趨于穩(wěn)定。因此選取 15 # 配比進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2.2.3 不同有機(jī)質(zhì)摻量試驗(yàn)及結(jié)果分析

以 15 # 配比為基礎(chǔ)分別添加不同種類(lèi)的有機(jī)質(zhì)，篩選出最優(yōu)的有機(jī)質(zhì)種類(lèi)及摻量，如圖3 所示。

圖3 不同有機(jī)質(zhì)摻量下的滲透系數(shù)

從圖3 可以看出，龍糠和木屑材質(zhì)偏輕且龍糠顆粒偏大，兩種材質(zhì)都會(huì)破壞 15 # 配比中的結(jié)構(gòu)，因此滲透系數(shù)逐漸上升，不能穩(wěn)定。

營(yíng)養(yǎng)土（糞便或樹(shù)葉）摻入 1 %～3 % 時(shí)，滲透系數(shù)有少量降低，摻量超 3 % 時(shí)，滲透系數(shù)有迅速增加。這是因?yàn)樯倭繝I(yíng)養(yǎng)土正好可以填充 15 # 配比中多余空隙部分。

選取 15 # 配比中摻拌 2 % 營(yíng)養(yǎng)土進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2.2.4 不同料源配比試驗(yàn)及結(jié)果分析

從不同碼頭取原材料按 15 # 配比（摻 2 % 營(yíng)養(yǎng)土）拌合，檢測(cè)滲透系數(shù)（持續(xù)飽和 24 h）是否也和試驗(yàn)室一致，如圖4 所示。

圖4 不同碼頭材料拌合的滲透系數(shù)

由圖4 中可以看出，不同碼頭取回的原材料配置的 15 # 配比滲透系數(shù)都能滿(mǎn)足要求，且變化趨勢(shì)相似，說(shuō)明 15 # 配比的原材料來(lái)源廣泛且 15 # 配比能夠直接推廣到實(shí)際工程應(yīng)用中。

2.2.5 滿(mǎn)足滲透系數(shù)的配比區(qū)間

微調(diào)粗、細(xì)、特細(xì)砂的比例，以 24 h 持續(xù)加水滲透系數(shù)為準(zhǔn)，找出滿(mǎn)足滲透系數(shù) 200～400 mm/h的級(jí)配區(qū)間范圍，如表7、圖5 所示。

圖5 滿(mǎn)足要求的級(jí)配范圍

表7 滿(mǎn)足要求的級(jí)配范圍

當(dāng)配比中原材料級(jí)配發(fā)生改變時(shí)，可以調(diào)整摻配比例，以表7、圖5 中的級(jí)配范圍為標(biāo)準(zhǔn)，直接配置出符合要求的配比，提高效率，節(jié)約時(shí)間。

將以上符合此級(jí)配范圍的配比統(tǒng)一定義為KS-1 # 配比。

2.3 實(shí)際運(yùn)行及水質(zhì)凈化效果

選取 KS-1 # 配比裝填到雨水滯留試驗(yàn)桶中（見(jiàn)圖6），運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后觀(guān)測(cè)長(zhǎng)期滲透系數(shù)變化和水質(zhì)凈化效果，如表8～9 所示。

表8 雨水滯留桶長(zhǎng)期滲透系數(shù)

表9 雨水滯留桶水質(zhì)凈化效果

圖6 雨水滯留桶

3 結(jié) 論

1）通過(guò)昆山地區(qū)常見(jiàn)的粗、細(xì)、特細(xì)河砂來(lái)配置單粒徑配比、斷級(jí)配配比以及連續(xù)級(jí)配配比。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)連續(xù)級(jí)配的滲透系數(shù)在長(zhǎng)期試驗(yàn)中能保持穩(wěn)定，滿(mǎn)足要求。

2）適量有機(jī)質(zhì)含量能使得滲透系數(shù)下降，主要是有機(jī)質(zhì)中的細(xì)顆粒填充了配比中的空隙，隨有機(jī)質(zhì)含量的增加，逐漸破壞原有結(jié)構(gòu)框架，使得滲透系數(shù)重新增大。

3）通過(guò)多次試驗(yàn)以及在大型試驗(yàn)桶中半年以上的運(yùn)行試驗(yàn)得到表7、圖5 中的 KS-1# 配比級(jí)配范圍，為工程設(shè)計(jì)、施工提供參考。

4）現(xiàn)有配比試驗(yàn)中對(duì)植物種植試驗(yàn)不足，未來(lái)的試驗(yàn)方向應(yīng)在植物生長(zhǎng)方面來(lái)改進(jìn)配比，并篩選出適合 KS-1# 配比的植物種類(lèi)。Q