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降雨期间,除超渗产流带来溢流外排情形外,雨水在结构内下渗、滞留、净化、排泄过程形态可分为顶部蓄水、种植层与砾石层内部蓄水、下渗土壤或底部出流,这在其容积计算时已考虑,见式(1):
式中V——生物滞留设施调蓄容积,m³;
A——设施表面积,m²;
hx、hz、hl——分别为设施临时蓄水层深度、种植土层深度、砾石排水层深度,m;
nv——植物横截面积占蓄水层表面积比例,%;
nz、nl——分别为种植土层、砾石层平均孔隙率;
fm——土壤入渗率,mm/h;
t——降雨历时,h。
除调蓄容积外,设计时还须考虑排空时间。设施排空时间与设施整体渗透性能有关,过慢影响植物生长(耐淹)、孳生蚊蝇,过快影响径流与污染削减效果。一般生物滞留设施排空时间上限为48 h,下限不宜低于6 h。根据达西定律,近似考虑种植土层、砾石层孔隙水饱和状态下,推导调蓄容积与排空时间关系如式(2)所示:
式中te——设施排空时间,h;
kz、kl——分别为设施换填土层、砾石层饱和渗透系数,mm/h。
由于砾石层饱和渗透系数远大于种植土层(种植土层雨水下渗过程为设施整体下渗“限速步”),其内部通常存在自由水面,因此式(2)可简化为式(3):
在湿陷性场地,鉴于安全考量,防止设施内部长期存水(水压下沿防渗薄弱处渗漏),应尽量缩短设施排空时间。由式(3)不难看出,提高种植土渗透系数是一种途径,工程中可通过改良种植介质或局部牺牲径流污染控制效果实现,在安全为重的原则下不失为选择。但不能无限提高渗透性(植物生长保水、径流控制有效性需要),因此设计时可通过加大砾石层内穿孔排水管泄排能力实现。
对于透水铺装、调节塘等设施亦可通过提高底部渗排管、放空管排泄能力,减少雨水停留,结合强化防渗处理降低雨水积存渗漏致灾风险。
2 湿陷性黄土场地海绵城市建设预评估
为保障湿陷性黄土地区建(构)筑物安全,合理开展海绵城市建设,规避次生灾害,笔者建议在海绵城市专项规划和项目勘查设计阶段开展预评估工作,指导工程设计,并与施工、运维反馈结合,形成闭环管控。设计阶段预评估工作建议涵盖:
(1)场地环境分析。在传统海绵城市专项设计场地分析(地形竖向、现状场地排水方式、积涝点、管网分布、绿地与建(构)筑物空间关系等)基础上,开展详细勘察,明确拟建场地湿陷性黄土层埋深、厚度、湿陷系数及类型、湿陷起始压力及含水率深度变化、湿陷等级平面分布、地下水位、渗透变形与承载力参数;地上地下建(构)筑物类型与重要程度、基础形式、承载力要求、地基处理方式。这些直接关系海绵雨水设施选择、结构设计、平面布置与防渗方式。
(2)适用性海绵城市技术措施分析。根据上述分析,结合海绵城市建设要求(年径流总量控制率、年径流污染削减率等),分析场地竖向与下垫面,划分汇水分区,设计雨水组织,开展设施选型。设施选择时须注意:
①宜采用浅表型设施。对于Ⅱ级及以上大厚度自重湿陷性黄土地层,不应设置深层、大型渗透设施(渗井、渗塘等);传输类设施宜采用防渗型植草沟或混凝土、树脂、HDPE排水沟等,不宜采用渗管(渠)。
②设施结构设计以“临时调蓄(节)为主,缩短雨水积存时间,适度有限渗透或不渗透”为原则,自重湿陷性场地(Ⅱ~Ⅳ级)的建筑小区、市政道路,海绵设施结构中须设置防渗层与疏排水系统;非自重湿陷性场地,无不良地质发育,建设场地较大,渗透、滞留设施与建(构)筑物间满足《湿陷性黄土地区建筑标准》规定安全防护距离时,可不采取防渗。
③各级湿陷性黄土地基上的海绵设施,当地基湿陷变形、压缩变形或承载力不满足设计要求时,应针对不同土质,在地基压缩层或湿陷性黄土层内采取处理、防水和结构等措施。④设施平面布置应优先选择远离建构(筑)物基础的外围公共绿地、红线外绿地;设施溢流雨水就近接入小区或市政管网,尽量减少新建长距离、高密度地下衔接管,规避对场地既有基础处理、防水层、防护结构破坏或扰动。
在此原则下,完成海绵设施选择、规模计算、结构设计与平面布设初步方案。
(3)场地海绵化建设安全风险预判。应用数值模型,分析评估上述方案对邻近建(构)筑物变形和稳定性影响。评价可采用GeoStudio、ABAQUS等软件进行,流程如图2所示。
根据模拟分析,确定场地不同区域风险等级;评估渗漏高风险点最不利工况(长时积水)致灾影响,强化薄弱环节处理,指导设施布置、防渗与基础处理措施强化,反馈设计、施工。在此原则下,优化设施选择布置,指导方案比选,完成详图设计。
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