丁飛，徐家豪，張魯魯，汪東林 （.中煤第三建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 合肥 007；.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 0084；.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 060)

1 引言

城市排水系統(tǒng)的好壞、排水設(shè)施是否健全、排水管網(wǎng)是否完善，直接決定了強(qiáng)降雨情況下是否會(huì)發(fā)生內(nèi)澇。從目前情況來看，我國大多數(shù)城市的排水系統(tǒng)不足以勝任強(qiáng)降雨時(shí)的城市排水工作。加上城市硬鋪裝如瀝青、混凝土路面非常普遍且其透水性較差，城市內(nèi)澇在我國非常普遍[1-3]。

通過城市和農(nóng)村的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不僅城市的植被遠(yuǎn)少于農(nóng)村，而且水塘、河流等水域面積也較少。因此，短時(shí)間內(nèi)的大量降雨無法下滲和儲(chǔ)存，很容易出現(xiàn)匯水現(xiàn)象，并形成大面積積水。

目前，除了試點(diǎn)城市區(qū)域外，我國有許多城區(qū)需要進(jìn)行海綿城市建設(shè)[4-6]。海綿城市建設(shè)下一步的工作重點(diǎn)是將試點(diǎn)得到的海綿城市建設(shè)經(jīng)驗(yàn)與模式進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

雨水花園[7-9]是海綿城市建設(shè)諸多方法中的一種，具有廣泛的應(yīng)用和生態(tài)效益。然而傳統(tǒng)的雨水花園具有滲透能力差、難以疏解強(qiáng)降雨時(shí)的大量來水。本文給出了一種在常規(guī)雨水花園下部布置濾芯滲井的新型海綿化方法，該方法采用天津城建大學(xué)專利產(chǎn)品濾芯滲井技術(shù)。研究表明，該新型雨水花園具有滲水效率高、綠色環(huán)保等綜合效能，是一種具有較高社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的設(shè)施。

2 工程概況

空港國際小鎮(zhèn)寶教寺湖生態(tài)修復(fù)工程，所處區(qū)域?qū)俦眮啛釒駶櫦撅L(fēng)性氣候區(qū)，四季分明，冷熱適中，年平均溫度在16°～18°，年平均蒸發(fā)量838mm，年相對(duì)濕度76%。無霜期長，平均為220d，常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)。6-9 月期間的降雨量約占年降雨量的60%～70%，降雨季節(jié)分配不均。

合肥市水資源短缺，市域范圍全年降水時(shí)空分布不均，項(xiàng)目所在區(qū)域降雨量較合肥市域年平均降雨量略低。

空港經(jīng)濟(jì)示范區(qū)大部分位于淮河流域，屬瓦埠湖主要支流東淝河流域范圍內(nèi)。境內(nèi)天然水系主要有王橋小河、唐小河，匯流后流入天河，再于壽縣三覺寺東入東淝河。

空港國際小鎮(zhèn)位于空港經(jīng)濟(jì)示范區(qū)北部，區(qū)域內(nèi)主要水系有焦湖水庫、焦湖支河、寶教寺水庫、寶教支河等，最終匯入王橋河。河道斷面普遍偏小，不能滿足排洪防洪要求。

寶教寺湖生態(tài)修復(fù)工程設(shè)有3 號(hào)長廊，長廊中布置有透水路面、生態(tài)停車位、植草溝、雨水花園等海綿設(shè)施，還布置有小料石、混凝土、大理石等不透水路面，如圖1所示。

圖1 空港3號(hào)綠色生態(tài)廊道雨水花園位置示意圖

3 有限元模型的建立

以項(xiàng)目中的雨水花園為依據(jù)，利用MIDAS GTS 建立其有限元模型。根據(jù)圖紙得知，圖1 中的雨水花園下凹0.3m。由于需要對(duì)比優(yōu)化方案，這里建立2個(gè)長寬高均為5m 的雨水花園模型。濾芯長1.5m，直徑0.1m，埋深均為水平面下0.5m處，布置方案如表1所示。

表1 濾芯布置情況(單位：m)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，影響范圍內(nèi)的土層包括三層，各土層及濾芯參數(shù)如表2所示。

表2 各土層及濾芯參數(shù)

在MIDAS 軟件中分別建立濾芯間距為1.0m、1.5m 和3.0m 的線框，如圖2所示。

圖2 線框示意圖

利用擴(kuò)展將線框擴(kuò)展為各土層，并移動(dòng)到相應(yīng)深度，如圖3所示。

圖3 擴(kuò)展模型示意圖

其中濾芯與粘土層交接的部分需要通過布爾運(yùn)算中的鑲嵌部分來處理，處理完畢后刪除多余的單元即可。頂層曲面可以通過擴(kuò)展初始線框，再建立一個(gè)球體，通過布爾運(yùn)算中的差集，即可得到。

按照表2 中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)來定義材料，其中素填土、粘土1 與粘土2 土層按各向同性-莫爾-庫倫模型建立，濾芯按各向同性-彈性模型建立。并且素填土、粘土1與粘土2土層需要考慮非飽和特性的影響。定義3D 屬性與材料中的各項(xiàng)一一對(duì)應(yīng)即可。

使用混合網(wǎng)格生成器生成尺寸為0.29 的網(wǎng)格，如圖4 所示。注意土層屬性一定要與網(wǎng)格劃分一一對(duì)應(yīng)。

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖

圖5 不同階段的施工定義

圖6 孔隙水壓力云圖

在滲流/固結(jié)分析欄中找到節(jié)點(diǎn)水頭選項(xiàng)，建立一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)水頭，其實(shí)就是地下水位。在網(wǎng)格模型地下3m 處選擇一整層的3D 單元面作為目標(biāo)，并賦予-3m 的值。勾選“如果總水頭＜潛水頭，則Q=0”選項(xiàng)，這樣地下水位就建立完成。

在滲流/固結(jié)分析欄中找到曲面流量選項(xiàng)，建立一個(gè)新的曲面流量，即確定降雨面和降雨量。選擇網(wǎng)格模型的最頂面，也就是雨水花園的頂面作為降雨面。此次模擬的降雨量選擇暴雨的平均降雨量，即3×10-7m/sce。勾選“如果q＞Ksat，那么總水頭=位置水頭”選項(xiàng)，并命名為降雨。

定義一個(gè)滲流類型的施工階段，共分為兩個(gè)階段。第一階段是穩(wěn)態(tài)階段，將各網(wǎng)格組、節(jié)點(diǎn)水頭和設(shè)置的焊接接觸數(shù)據(jù)移動(dòng)到激活數(shù)據(jù)即可。第二階段是降雨階段，是一個(gè)瞬態(tài)滲流階段，只需將降雨激活，在時(shí)間步驟中設(shè)置14400sec，并設(shè)置四個(gè)步驟，即一小時(shí)記錄一次即可。

4 模擬結(jié)果分析

在同一平面含濾芯土層不同深度分別取兩個(gè)點(diǎn)，即較近點(diǎn)記作素填土（近）和粘土（近），較遠(yuǎn)點(diǎn)記作素填土（遠(yuǎn)）和粘土（遠(yuǎn)）。

由于頂層存在凹面，且在重力作用下雨水會(huì)向凹面中心匯集，兩個(gè)模型模擬時(shí)的降雨量相同，所以這里著重分析內(nèi)圈數(shù)據(jù)。

在兩個(gè)模型中，素填土層的取點(diǎn)均在中心處和邊緣較高處。可以看出，位于凹面中心點(diǎn)的土體孔隙水壓力明顯大于模型邊緣較高處的孔隙水壓力。這說明雨水會(huì)匯集在頂層凹面處。

觀察總水頭云圖和表中數(shù)據(jù)，均無異常，說明兩個(gè)模型都具可行性。

對(duì)比各模型在同一土層上濾芯附近和遠(yuǎn)離濾芯土體的孔隙水壓力變化，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 模型1孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線

圖8 模型2孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線

由圖7、圖8 可以看出，兩個(gè)模型中濾芯附近土體孔隙水壓力始終大于遠(yuǎn)離濾芯的土體，土體孔隙水壓力由負(fù)趨向于0 的過程說明土體在吸水，孔隙水壓力達(dá)到0 時(shí)土體飽和，濾芯附近的土體相較于遠(yuǎn)離濾芯的土體吸水更早。水流在素填土中滲流時(shí)，通過濾芯滲井可以更早更快地將水下滲至下一土層。兩個(gè)模型中的濾芯都能起到非常好的效果。

5 結(jié)語

基于傳統(tǒng)雨水花園的特點(diǎn)和不足，本文提出了一種設(shè)置有濾芯滲井的新型雨水花園。根據(jù)合肥寶教寺生態(tài)修復(fù)工程，建立了該新型雨水花園的數(shù)值模型，著重研究了兩種中心濾芯滲井雨水花園方案。通過分析孔隙水壓力變化情況，發(fā)現(xiàn)二者均具有很強(qiáng)的雨水下滲能力，可以作為附屬設(shè)施應(yīng)用于傳統(tǒng)海綿城市建設(shè)方法中的雨水花園方案。