黎一禾， 馮文凱， 白慧林， 魏昌利

(1. 成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610059；2.四川省地質(zhì)調(diào)查院， 四川 成都 610081)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)許多城市都飽受內(nèi)澇災(zāi)害的影響，最典型的是市政雨水管道堵塞和道路積水現(xiàn)象頻發(fā)，給城市管理與百姓生活造成不利影響.對(duì)此，一種以保護(hù)城市水循環(huán)的良好運(yùn)行為主要目的，解決或減輕城市內(nèi)澇現(xiàn)象的“海綿城市”概念應(yīng)運(yùn)而生，其關(guān)鍵就是通過(guò)建設(shè)系列海綿設(shè)施將雨水及時(shí)下滲排走.針對(duì)海綿設(shè)施滲流的相關(guān)問(wèn)題，程樹(shù)斌等[1]將負(fù)孔隙水壓力與相對(duì)滲透系數(shù)及體積含水率三者關(guān)系簡(jiǎn)化為指數(shù)函數(shù)，利用拉普拉斯變換求解非飽和滲流方程，給出了綠化帶雨水入滲的數(shù)學(xué)模型，分析了暴雨條件下植被土—碎石綠化帶雨水入滲特征；張建軍等[2]基于Biot理論研究非飽和道路結(jié)構(gòu)在降雨時(shí)側(cè)向滲流問(wèn)題；朱岳明等[3]提出降雨入滲邊界條件及非飽和逸出面邊界條件在滲流場(chǎng)求解中的數(shù)學(xué)表達(dá)式；吳禮舟等[4]基于Van Genuchten模型和Richards方程，建立了一維非飽和滲流數(shù)學(xué)模型，得到降雨入滲過(guò)程中孔隙水壓力分布情況和變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)土—水特征曲線對(duì)非飽和滲流有顯著影響；黃耀英等[5]采用等效連續(xù)介質(zhì)模型研究了滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合對(duì)混凝土壩位移的影響.2015年，遂寧市入選國(guó)家首批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市，隨著相關(guān)建設(shè)工程的開(kāi)展，很有必要對(duì)工程區(qū)域復(fù)雜的排水狀況和洪澇原因等相關(guān)情況進(jìn)行分析.對(duì)此，本研究利用二維仿真數(shù)值模擬軟件Geo-slope建立了研究區(qū)降雨入滲海綿設(shè)施后整個(gè)滲流場(chǎng)模型，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)位孔隙水壓力的變化，了解在不同降雨工況條件下模型的滲流情況，分析了研究區(qū)消除內(nèi)澇的能力.

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置

研究區(qū)地處遂寧市東北部河?xùn)|新區(qū)，位于東經(jīng)105°35′38.94″，北緯30°31′52.91″，建成區(qū)面積10 km2.其區(qū)位圖如圖1所示.

圖1研究區(qū)區(qū)位示意圖

1.2 地質(zhì)巖性及特征

根據(jù)勘察資料，遂寧市河?xùn)|新區(qū)位于涪江一級(jí)階地，表覆第四系沖積層巖性主要為粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂及砂卵礫石.涪江現(xiàn)河堤在原河堤位基礎(chǔ)上進(jìn)行一定回填加高，其工程地質(zhì)剖面圖如圖2所示.

圖2研究區(qū)工程地質(zhì)剖面

研究區(qū)粉土層呈灰—灰黃色，稍密狀態(tài)，厚約1.3～8.7 m；粉質(zhì)黏土層為灰褐色、褐黃色，可塑—軟塑，厚約2.2～5.7 m；粉砂層主要為淺黃色、灰褐色，厚約1.8～5.6 m；砂卵礫石層中，卵礫石含量約占95%，其中粒徑<2 cm的約占5%，粒徑為2～10 cm的約占75%，粒徑為10～20 cm的約占15%，偶見(jiàn)粒徑>20 cm的漂石，最大可見(jiàn)51 cm，密實(shí)度為中密—密實(shí)，厚約4～7 m.區(qū)內(nèi)地下水位埋深約273～275 m.

1.3 典型海綿結(jié)構(gòu)特征

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后，選取典型分析對(duì)象為五彩繽紛路多級(jí)別音樂(lè)公園—透水停車(chē)場(chǎng)(區(qū)位見(jiàn)圖1，結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3).該新建公園項(xiàng)目建設(shè)時(shí)在充分發(fā)揮滲、滯功能的基礎(chǔ)上，優(yōu)先考慮地表空間對(duì)徑流雨水進(jìn)行蓄滲利用，可在滿足自身功能要求的前提下，結(jié)合微地形處理構(gòu)建下沉式綠地、濕塘、濕地等形成所需的低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施調(diào)蓄容積，并通過(guò)有組織的匯流與轉(zhuǎn)輸使徑流雨水首先匯入下沉區(qū)域，實(shí)現(xiàn)雨水在源頭的積存、滲透和凈化，有效緩解“逢雨必澇、雨后即旱”問(wèn)題.

圖3海綿結(jié)構(gòu)示意

2 模型與參數(shù)

2.1 模型使用數(shù)據(jù)

本研究使用的數(shù)據(jù)主要包括地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)和水文等數(shù)據(jù).地質(zhì)勘查設(shè)計(jì)資料由項(xiàng)目的合作單位提供，包含研究區(qū)內(nèi)典型海綿設(shè)施附近小區(qū)的地勘報(bào)告等相關(guān)資料.水文數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)內(nèi)的近10年來(lái)的降雨數(shù)據(jù)，具體如圖4所示.

圖4研究區(qū)近10年降雨量趨勢(shì)

水文數(shù)據(jù)顯示，遂寧市年均降雨量為927.5～993.3 mm，降雨年際變幅較大，最大年降雨量為1 371.4 mm(1956年)，最小降雨量為736.7 mm(1976年).降雨年內(nèi)分布不均，冬季降雨量占年降雨量的4～5%，春季占年降雨量的20～22%，夏季占年雨量的43～48%，秋季占年降雨量的27～30%，平均年際降水變幅為115.4～150.2 mm.通過(guò)對(duì)2007年至2017年城區(qū)實(shí)測(cè)暴雨頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，24 h降雨量超過(guò)50 mm的降雨共發(fā)生48次、平均每年發(fā)生約4次，其中，降雨量為50～100 mm暴雨共發(fā)生42次，降雨量為100～200 mm的暴雨共發(fā)生9次，降雨量為超過(guò)200 mm的暴雨共發(fā)生3次；實(shí)測(cè)24 h降雨量的極大值為323.7 mm(發(fā)生時(shí)間為2013年6月30日)；暴雨多出現(xiàn)在6～9月，集中在7、8月，一次暴雨歷時(shí)時(shí)間約為3～5日，主雨峰歷時(shí)約為1～2日.

2.2 模型概化與建立

本研究基于Geo-slope軟件SEEP/W模塊.模型地層結(jié)構(gòu)由地表往下概化分別為素填土、粉土、粉砂、卵礫石及泥巖.該模型的海綿設(shè)施主要包含雨水花園和透水混凝土等，能快速吸收地表水，整體滲透性較大.具體概化為滲透性較高的一個(gè)整體，其最大厚度為3 m.

模型位于一級(jí)階地，地下水位埋深淺，底部、兩側(cè)邊界以及部分水泥硬化后的頂面(地面)邊界均設(shè)為不透水邊界；部分土質(zhì)地表與地下水連通，設(shè)置成自由滲透面，降雨可自由下滲，直至補(bǔ)給地下水.在海綿結(jié)構(gòu)和地形線最高處分別設(shè)置兩條孔隙水壓力監(jiān)測(cè)剖面線1-1'和2-2'，模擬分析計(jì)算得到剖面線上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力隨時(shí)間變化的數(shù)值，最終計(jì)算單元類(lèi)型采用四邊形和三角形的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.概化模型如圖5所示.

圖5停車(chē)場(chǎng)—音樂(lè)公園概化模型

2.3 模型參數(shù)

本研究通過(guò)室內(nèi)外抽水試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)等獲得一級(jí)階地區(qū)巖土體基本物理參數(shù)取值(見(jiàn)表1).根據(jù)降雨資料確定降雨工況為大雨(降雨強(qiáng)度50 mm/h，降雨持時(shí)24 h)和大暴雨(降雨強(qiáng)度141.9 mm/h，降雨持時(shí)12 h).在數(shù)值模擬過(guò)程中，采用的土水特征曲線模型為適用于所有質(zhì)地土壤的Van Genuchten模型，該模型在土石混合體中的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值更接近.

將各個(gè)地層滲透系數(shù)等參數(shù)、降水?dāng)?shù)據(jù)、地下水位高度等數(shù)據(jù)導(dǎo)入SEEP/W軟件之后，利用軟件自帶錯(cuò)誤檢查功能進(jìn)行錯(cuò)誤檢驗(yàn)，無(wú)誤后運(yùn)行模型，得到不同地層結(jié)構(gòu)的基質(zhì)吸力與體積含水量關(guān)系以及模擬計(jì)算結(jié)果，具體如圖6所示.

3 模擬結(jié)果分析

通常，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于巖土體滲透系數(shù)時(shí)，部分降雨將轉(zhuǎn)化為地表徑流.在海綿設(shè)施結(jié)構(gòu)中，當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，下滲量不足以消散降雨量，地表徑流將沿地下管道進(jìn)入市政管網(wǎng)，在非雨季期可被合理利用.不同降雨強(qiáng)度下，模型計(jì)算如下：

1)大雨工況.在大雨工況下，短時(shí)間的降雨下滲對(duì)地下水滲流場(chǎng)構(gòu)成一定影響，以大雨工況24 h持續(xù)降雨模擬，其1 h、12 h、24 h時(shí)間節(jié)點(diǎn)模擬結(jié)果如圖7所示.

圖6巖土體滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關(guān)系曲線

圖7大雨工況下孔隙水壓力等值線

由圖7可知，在大雨工況下， 降雨初始階段地下水運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)較為明顯，1 h時(shí)滲流矢量箭頭密集分布于海綿結(jié)構(gòu)正下方，在12 h的降雨過(guò)程中，地表未出現(xiàn)局部暫態(tài)飽和區(qū)，僅在降雨結(jié)束后海綿結(jié)構(gòu)附近巖土體孔隙水壓力有所提升，但仍處于非飽和狀態(tài)，其余地帶未見(jiàn)明顯變化跡象，未出現(xiàn)積水現(xiàn)象.整個(gè)過(guò)程中，地下水主要沿卵礫石層產(chǎn)生滲流運(yùn)動(dòng)，由于降雨時(shí)間短，總下滲量相對(duì)較小，且卵礫石層滲透系數(shù)較大，滲透性較好，地下水位線未出現(xiàn)明顯波動(dòng).

模擬分析大雨工況下，兩條孔隙水壓力監(jiān)測(cè)剖面線(圖5)上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力隨時(shí)間變化的數(shù)值，得到結(jié)果如圖8所示.

圖8大雨工況下孔隙水壓力與時(shí)間關(guān)系

由圖8可知，地表附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)波動(dòng)比較大，變化范圍從-50～5 kPa；從地表往下各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力變化范圍從20～60 kPa，基本維持在穩(wěn)定的范圍，變化幅度約1～3 kPa.剖面線1-1'中孔隙水壓力變化較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)1、2)主要位于海綿設(shè)施的地表以下，經(jīng)分析是因?yàn)楹＞d設(shè)施滲透系數(shù)較大，能短時(shí)間內(nèi)將雨水下滲，孔隙水壓力隨降雨持時(shí)增加而增加.在地下水位附近的孔隙水壓力(節(jié)點(diǎn)3～12)基本無(wú)變化，是因?yàn)榻?jīng)海綿設(shè)施下滲以后少有雨水能匯入到此區(qū)域，故滲流量較小，孔隙水壓力也較小.剖面線2-2'中孔隙水壓力變化原理和1-1'類(lèi)似，相對(duì)于1-1'變化較大的點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)1)位于地表線附近，經(jīng)分析是由于地形起伏較大，地表多為滲透系數(shù)相對(duì)較大的景觀草坪等，降雨入滲隨時(shí)間變化導(dǎo)致孔隙水壓力的變化較大.

2)大暴雨工況.大暴雨工況屬于極端降雨天氣，出現(xiàn)頻率相對(duì)較低，持續(xù)1 h、12 h大暴雨工況的模擬結(jié)果如圖9所示.

由圖9可知，與大雨工況具有相似性，當(dāng)降雨1 h時(shí)，地下水出現(xiàn)明顯的滲流運(yùn)移趨勢(shì)，滲流層主要位于卵礫石層.該工況下，地表各處仍未出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，說(shuō)明大暴雨下地表不會(huì)出現(xiàn)積水現(xiàn)象.此外，海綿設(shè)施附近孔隙水壓力同樣增長(zhǎng)，雖然大暴雨工況引起的地下水滲流情況總體與大雨工況相似，但由于降雨強(qiáng)度的增大，海綿設(shè)施區(qū)降雨匯集、下滲量較大，促使孔隙水壓力增長(zhǎng)速率加快.

圖9大暴雨工況下孔隙水壓力等值線

模擬分析大暴雨工況下，兩條孔隙水壓力監(jiān)測(cè)剖面線(圖5)上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力隨時(shí)間變化的數(shù)值，得到結(jié)果如圖10所示.

圖10大暴雨工況下孔隙水壓力與時(shí)間關(guān)系

大暴雨工況下監(jiān)測(cè)孔隙水壓力變化與大雨工況變化曲線類(lèi)似，同樣維持在穩(wěn)定的變化范圍.剖面線1-1'中孔隙水壓力變化較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)1～2)同樣位于海綿設(shè)施的地表以下，但明顯能看出在降雨的第1 h內(nèi)孔隙水壓力就出現(xiàn)明顯增大，從-50 kPa增至-18 kPa，而后經(jīng)海綿結(jié)構(gòu)下滲、排放后，孔隙水壓力增加趨勢(shì)漸緩；地下水位附近及以下的孔隙水壓力(節(jié)點(diǎn)3～11)同大雨工況相比基本無(wú)變化.剖面線2-2'中孔隙水壓力變化明顯的節(jié)點(diǎn)1和1-1'類(lèi)似，但變化趨勢(shì)較緩，經(jīng)分析是由于降雨持續(xù)時(shí)間較大雨工況更短，雨水總下滲量較少所致.

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)SEEP/W瞬態(tài)滲流分析得到典型的海綿設(shè)施結(jié)構(gòu)在不同降雨強(qiáng)度下滲流場(chǎng)的變化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)地表各處仍未出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，說(shuō)明雨水降落到地表不會(huì)出現(xiàn)積水現(xiàn)象，海綿設(shè)施設(shè)置效果較好.此外，海綿設(shè)施附近孔隙水壓力增長(zhǎng)是由于降雨強(qiáng)度的增大使雨水匯集、下滲量較大促使孔隙水壓力增長(zhǎng)速率加快所致.不同降雨持續(xù)時(shí)間下的海綿設(shè)施孔隙水壓力變化規(guī)律相同，即隨著降雨入滲，填方體表層基質(zhì)吸力減小，暫態(tài)飽和區(qū)擴(kuò)大，孔隙水壓力上升，在地下水位附近孔隙水壓力上升更為顯著，模型內(nèi)部一定深度不受降雨影響.

本研究工作得到遂寧市自然資源和規(guī)劃局、遂寧市建設(shè)局海綿辦、遂寧市河?xùn)|新區(qū)管委會(huì)建設(shè)局等部門(mén)的大力支持，并提供相關(guān)資料，幫助協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、取樣以及試驗(yàn).特此感謝!