李昌鎬，侯精明，劉海松，楊 瑾，王鎮(zhèn)中，劉 洋

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048；2.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西省西咸新區(qū)空港新城規(guī)劃建設(shè)局，陜西 咸陽 712035)

1 研究背景

近年來，極端降水事件增多導(dǎo)致內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)[1]，例如2016年西安小寨地區(qū)發(fā)生的內(nèi)澇給當?shù)貛砹藝乐氐纳鐣：徒?jīng)濟損失。海綿城市建設(shè)實施使得我國部分地區(qū)城市水問題有所改善，原來積澇的水通過各種海綿措施可集中下滲、蓄存等。但海綿城市建設(shè)不能生搬硬套，而且在濕陷性黃土地區(qū)，海綿城市改造導(dǎo)致的集中入滲使土壤快速飽和，更容易因地球脈動現(xiàn)象而引起飽和黃土液化，最終進一步增加黃土濕陷的可能[2]。本文以存在黃土濕陷可能的西咸新區(qū)空港新城臨空產(chǎn)業(yè)區(qū)為例，切入研究。

西咸新區(qū)為我國首批海綿城市建設(shè)試點，同時區(qū)域內(nèi)分布著濕陷等級Ⅰ級到Ⅳ級不等的濕陷性黃土。馬越等[3]通過將秦皇大道劃分為5個子匯水分區(qū)，針對西咸新區(qū)某道路濕陷性黃土地質(zhì)和原土滲透性差的現(xiàn)狀提出諸如分段設(shè)置傳輸型草溝和雨水花園、將人行道不透水鋪裝改為透水鋪裝等針對性的LID(低影響開發(fā)，low impact development)改造措施；侯精明等[4]以西咸新區(qū)為例從建筑小區(qū)尺度研究了LID措施不同前期條件對徑流控制和峰值削減的影響，量化了不同降雨量、不同前期條件的影響效果；韓松磊[5]從宏觀到微觀角度，以西安為例對濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)進行了探索，同時針對不同用地類型的濕陷性黃土區(qū)域，分別提出了相關(guān)的設(shè)計和建設(shè)技術(shù)要求；柴少波等[6]根據(jù)黃土地區(qū)海綿城市中鄰近建筑物的LID設(shè)施的工程實際建立了LID設(shè)施滲流對建筑地基影響的數(shù)值計算模型，以含水量和沉降等作為研究的切入點，研究了雨水通過LID設(shè)施入滲鄰近建筑地基的影響。以上研究從數(shù)值模型和工程實際等出發(fā)，探索研究了LID措施或濕陷性黃土區(qū)域海綿城市建設(shè)的要求和效果。

評價黃土濕陷性的傳統(tǒng)方法通常為室內(nèi)浸水壓縮試驗[7]，沒有考慮自然降雨入滲情況下黃土濕陷的具體情況，而地面荷載和雨水集中入滲等變化，也可能帶來濕陷性黃土地區(qū)發(fā)生地基沉降變形等風(fēng)險[8]，基于此，在海綿城市建設(shè)中，雨水花園等海綿改造措施旨在將雨水進行集中、有效的處理，極有可能帶來黃土濕陷的風(fēng)險。本文采用精細模型量化分析黃土濕陷對不同自然降雨集中入滲的響應(yīng)效果，對濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)有著重要參考意義。

本文以西咸新區(qū)空港新城臨空產(chǎn)業(yè)區(qū)為例，引入一套高效高精度的基于GPU(圖形處理器，graphics processing unit)加速的地表水及其附隨過程數(shù)值模型GAST(GPU accelerated surface water flow and transport)[9]對研究區(qū)域降雨徑流過程進行模擬，同時以集中降雨作為邊界條件，對雨水在土體中的下滲情況進行模擬，根據(jù)濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[10]對研究區(qū)域黃土濕陷風(fēng)險作出評估。

2 資料來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

西咸新區(qū)東距西安市中心10 km，西距咸陽市中心3 km，是西安國際化大都市未來拓展的重點區(qū)塊[11]，本文研究區(qū)域位于西咸新區(qū)空港新城內(nèi)，即西安咸陽國際機場西北側(cè)的一片城區(qū)，并選取自貿(mào)大道與長平大街交匯處、自貿(mào)大街、宜平大街、北杜大街包含草地、林地、裸地3種土地利用類型在內(nèi)的4個區(qū)域進行雙環(huán)實驗，實地量測不同土地利用情況的下滲參數(shù)。同時選取典型黃土區(qū)：將空港新城KGHX-2013-07號地塊定為場地1、保障房項目A區(qū)為場地2、北杜(空港陽光里)項目市政工程場地為場地3、園區(qū)北大道(園區(qū)大道-第五大道)市政工程場地為場地4、園區(qū)十路(A-5路-園區(qū)二路)市政工程場地為場地5，并在5個場地現(xiàn)場取樣，于室內(nèi)進行變水頭滲透試驗，測試馬蘭黃土(L1)、第一層古土壤(S1)和第一層離石黃土(L2)3種土層的滲透系數(shù)，用于后續(xù)濕陷等級評價，土壤下滲測量和土質(zhì)分析取樣點位分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)土壤下滲測量和土質(zhì)分析取樣點位分布圖

分析所測的土壤下滲數(shù)據(jù)，由霍頓公式擬合出典型土地利用類型下滲參數(shù)取值見表1。

表1 研究區(qū)典型土地利用類型下滲參數(shù)取值

測試馬蘭黃土(L1)、第一層古土壤(S1)和第一層離石黃土(L2)3種土層的滲透系數(shù)，最終計算時采用3種土層的平均滲透系數(shù)，見表2。

表2 各土層平均滲透系數(shù) cm/s

2.2 研究方法

收集整理研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要包括管網(wǎng)、地形、降雨等數(shù)據(jù)。不同土地利用類型下滲數(shù)據(jù)根據(jù)現(xiàn)場雙環(huán)實驗得到，其他資料由空港新城管委會提供。首先采用全水動力雨洪模型對研究區(qū)域不同重現(xiàn)期降雨下徑流控制率和雨水下滲量進行評估，然后根據(jù)下滲水量對研究區(qū)下滲深度和黃土濕陷情況進行評估。具體技術(shù)路線圖見圖2。

圖2 研究方法技術(shù)路線圖

2.2.1 控制方程

(1)雨洪模型控制方程。本模型采用忽略了運動黏性項、紊流黏性項、風(fēng)應(yīng)力和科氏力的二維非線性淺水方程(SWEs)，方程的守恒格式可用如公式(1)的矢量形式來表示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(2)雨洪模型數(shù)值算法。地表水動力部分采用Godunov格式的有限體積法對圣維南方程進行全耦合數(shù)值求解[12]。在控制單元內(nèi)，模型采用HLLC近似黎曼求解器計算界面上的水和動量通量；底坡源項采用底坡通量法處理，使得在計算過程中能與界面通量很好協(xié)調(diào)，更能滿足全穩(wěn)條件；摩阻力則用穩(wěn)定性較佳的半隱式法來計算；摩阻源項采用二階顯式Runge Kutta方法來保證時間積分的二階精度[13]。該模型已在文獻[14]中得到驗證，本文不再贅述。

(3)黃土濕陷模擬方法。Midas GTS/NX 是邁達斯信息科技有限公司針對巖土與隧道工程領(lǐng)域開發(fā)的一款通用有限元軟件，具有一定優(yōu)勢[15]。何明[16]在對基坑支護數(shù)值模擬研究中運用Midas GTS/NX軟件對研究基坑進行了數(shù)值模擬分析，且監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)總體偏差不大，模擬結(jié)果較為準確，可為開展類似工程的研究工作提供借鑒。而且GTS/NX軟件通過滲流-應(yīng)力完全耦合分析，可以一次性模擬與水位條件相關(guān)的巖土問題(滲流/應(yīng)力/固結(jié))，還搭載有限元集成求解器，為復(fù)雜的工程分析和設(shè)計提供更加可靠的結(jié)果。因此，本文選用Midas GTS/NX軟件對研究區(qū)的黃土濕陷情況進行模擬分析。

主要依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025-2004)[10]中濕陷性黃土場地自重濕陷量計算式(公式6)和總濕陷量計算式(公式7)進行計算。

(6)

(7)

式中：Δzs為自重濕陷量，mm；Δs為總濕陷量，mm；δzsi為第i層土的自重濕陷系數(shù)；δsi為第i層土的濕陷系數(shù)；hi為第i層土的厚度，mm；β0為地區(qū)修正系數(shù)；β為浸濕及側(cè)擠修正系數(shù)。

2.2.2 基礎(chǔ)參數(shù) 根據(jù)西咸新區(qū)管委會提供的《西咸新區(qū)土地利用規(guī)劃2011-2020》對研究區(qū)域進行土地利用劃分，主要包括綠地、道路、房屋等。研究區(qū)域地形高程采用空港新城管委會提供的1∶2 000地形數(shù)據(jù)，通過克里金插值法得到，網(wǎng)格精度為3 m，共計350×104個方形網(wǎng)格單元。地形高程及土地利用劃分見圖3，研究區(qū)域內(nèi)具體土地利用類型面積占比及曼寧值[17-18]見表3。

圖3 研究區(qū)域地形數(shù)據(jù)及土地利用劃分

表3 土地利用類型面積占比及曼寧值

通過Midas GTS/NX軟件建立模型，因選取的5個場地具體工程不同，考慮本次計算僅關(guān)注雨水入滲深度，因此未考慮尺寸效應(yīng)。雨水入滲數(shù)值計算模型及入滲邊界見圖4，具體尺寸如下：

模型長度100 m,寬度100 m,厚度13 m，其中L1馬蘭黃土厚度8 m，S1第一層古土壤厚度2 m，L2第一層離石黃土厚度3 m。由于后期建設(shè)的倉儲區(qū)地面均會硬化成為隔水層，設(shè)計降雨下滲量只是綠地下滲水量，綠地面積占比為總區(qū)域的12%，因此數(shù)值計算的降雨邊界取上述模型的3/25，即假定模型中100 m×12 m(長×寬)的區(qū)域為綠地(圖4(b))。

圖4 雨水入滲數(shù)值計算模型及入滲邊界(單位：m)

本次數(shù)值計算基于水位隨時間變化的瞬態(tài)分析，水分在黃土中的滲流服從達西定律[19](公式8、9)。

Q=k·A·i

(8)

v=k·i

(9)

式中：Q為滲流量，m3/s；v為滲流斷面平均滲透速度，m/s；k為黃土的滲透系數(shù)，m/s；A為截面面積，m2；i為水力梯度。

5個場地的模型土體建設(shè)參數(shù)詳見表4。

表4 研究區(qū)各場地模型土體建設(shè)參數(shù)

模擬區(qū)域總面積為13.02 km2，參考相似區(qū)域西咸新區(qū)灃西新城海綿城市氣象水文監(jiān)測資料，2018年7月2日降雨30.72 mm，降雨歷時14 h，緊接著在7月4日降雨26.8 mm，降雨歷時15.5 h。同時在2018年7月2日至8日為持續(xù)降雨天氣，總降雨量為83.43 mm。多次統(tǒng)計實測降雨情況發(fā)現(xiàn)，短歷史多頻次降雨在雨季多有發(fā)生?？紤]濕陷性最不利情況，本次模擬計算選用連續(xù)2 h短歷時強降雨。降雨雨型采用芝加哥雨型，西咸新區(qū)暴雨強度公式由西咸新區(qū)空港新城海綿城市技術(shù)中心提供(公式10)，空港新城不同重現(xiàn)期降雨的2 h降雨雨型如圖5所示。

圖5 模型不同重現(xiàn)期降雨2h設(shè)計降雨雨型

(10)

式中：q為降水強度，mm/min；t為暴雨歷時，min；P為重現(xiàn)期，a。

模擬降雨重現(xiàn)期為1年一遇(16.65 mm)設(shè)計降雨重復(fù)3次，5年一遇(44.35 mm)、20年一遇(68.20 mm)設(shè)計降雨和設(shè)計日降雨量13.5 mm/d重復(fù)6次。

3 結(jié)果與分析

在降雨歷時2 h情況下通過GAST模型對研究區(qū)域進行了降雨模擬計算，單次降雨模擬結(jié)果分別見表5和圖6。由表5和圖6可知，雖然區(qū)域不透水占比較大，但是通過綠地等透水區(qū)域下滲水量依然很大，下滲深度計算結(jié)果見表6。

表6 不同重現(xiàn)期降雨下滲深度計算結(jié)果

圖6 2 h設(shè)計降雨單次模擬結(jié)果

表5 2 h設(shè)計降雨單次模擬結(jié)果

為進一步了解研究區(qū)域內(nèi)黃土的濕陷量情況，分別將13.5 mm/d、1年一遇、5年一遇和20年一遇重現(xiàn)期降雨在2 h降雨歷時的4種工況在Midas GTS/NX軟件中進行計算，選取5個場地中下滲最嚴重的場地4下滲量進行后續(xù)計算，其中場地4在20年一遇降雨情況下總水頭剖面云圖見圖7。

圖7 場地4的20年一遇降雨下滲總水頭剖面云圖

分別對5個場地4種降雨工況下黃土地層的自重濕陷量及總濕陷量進行計算，其結(jié)果見圖8。

圖8 各場地4種降雨情況下黃土地層的自重濕陷量及總濕陷量計算結(jié)果

由圖8可看出，5個場地的自重濕陷量在小雨強(13.5 mm/d重復(fù)6次、1年一遇重復(fù)3次)情況下為167.67～239.03 mm，在大雨強(5年一遇、20年一遇重復(fù)6次)情況下，除場地2、3在5年一遇降雨的自重濕陷量分別為88.99、93.49 mm外，其余均在100 mm以上，雨強大小對濕陷量有所影響；5個場地總濕陷量在小雨強情況下均在600 mm以上，大雨強情況下除場地5在5年一遇工況下總濕陷量為468.18 mm外，其余均在500～750 mm之間?？梢妼τ谕粓龅氐恼w情況而言，雨水下滲量越大，則土層濕陷量越大。

由計算結(jié)果可知：下滲深度受降雨量影響，即降雨量越大，則下滲深度越大，在雨水入滲后可能影響到的深度范圍內(nèi)，根據(jù)規(guī)范[10]，研究區(qū)域內(nèi)所選場地濕陷等級多數(shù)已達到Ⅱ級或Ⅲ級級別。

4 結(jié) 論

為研究海綿城市建設(shè)后因LID措施導(dǎo)致的雨水集中入滲下的黃土濕陷風(fēng)險，本文結(jié)合水動力模型和黃土濕陷沉降變形模型，對濕陷性黃土地區(qū)在進行海綿城市建設(shè)改造造成局部降雨集中入滲后的黃土濕陷風(fēng)險進行模擬，結(jié)論如下：

(1)研究區(qū)不同重現(xiàn)期降雨下最嚴重地塊下滲深度分別為6.06、6.51、5.02和5.42 m。

(2)在13.5 mm/d、1年一遇、5年一遇和20年一遇重現(xiàn)期降雨工況下，所選各場地的土層總濕陷量為468.18～1 015.56 mm，自重濕陷量為88.99～239.03 mm。整體來看，場地4濕陷等級達到Ⅱ級及Ⅲ級，在13.5 mm/d降雨工況下的總濕陷量為1 015.56 mm，自重濕陷量為208.28 mm，濕陷情況最嚴重。

所選研究區(qū)域內(nèi)的場地在各種設(shè)計降雨工況中絕大多數(shù)已達到濕陷Ⅱ級，而且個別達Ⅲ級，極有可能危及各類構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全，諸如發(fā)生地基塌陷等事故。在濕陷性黃土地區(qū)進行海綿城市建設(shè)時必須將黃土濕陷因素納入考慮范圍內(nèi)。故建設(shè)海綿城市時應(yīng)結(jié)合實際情況，根據(jù)所在城市的地形和氣候、土壤地質(zhì)、自然稟賦、城建基礎(chǔ)以及城市的基底，開展有針對性的海綿城市建設(shè)。