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湿陷性黄土地区海绵城市设计思考

发表时间：2021/7/23 来源：《建筑科技》2021年7月下作者：朱亚维

[导读] 面对城镇化带来的诸多水环境问题，我国在借鉴国外低影响开发技术的基础上提出了构建“海绵”城市。习近平总书记在 2013 年召开的中央城镇化工作会议上提出，“优先考虑更多利用自然力量排水，并优先考虑把有限的雨水留下，建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”。

河北省石家庄北方工程设计研究院有限公司工业工程设计院朱亚维 050011

摘要：面对城镇化带来的诸多水环境问题，我国在借鉴国外低影响开发技术的基础上提出了构建“海绵”城市。习近平总书记在 2013 年召开的中央城镇化工作会议上提出，“优先考虑更多利用自然力量排水，并优先考虑把有限的雨水留下，建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”。2014年10月，《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建》由国家住房和城乡建设部印发，作为海绵城市建设的技术指导； 2015 年10月国务院办公厅印发《关于推进海绵城市建设的指导意见》，部署推进海绵城市建设工作。2017年总理政府工作报告中明确了海绵城市建设不局限于试点城市，要推进海绵城市建设，使城市有面子更有里子。海绵城市的低影响开发技术（LID）设施建设地域性较强，我国西北部缺水较严重的地区，生态较脆弱，迫切需要建设海绵城市。但西北地区分布着大量的湿陷性黄土，需要合理地选取 LID 措施，科学的规划布局，并建立一套合理的 LID 方案评价体系，以便在湿陷性黄土地区进行推广。
关键词：失陷性黄土海绵城市低影响开发措施（LID）
        1引言
        我国城镇化发展至今，城市水环境问题已经十分突出，特别是夏季暴雨造成的“城市看海”现象频发，雨水资源不仅没有得到有效利用反而造成了危害。所以，借鉴国外先进雨洪管理理念而产生的海绵城市理念将会成为我国城市建设发展的一种新的模式。由于海绵城市在我国的研究与实践还处于刚兴起的阶段，海绵城市中的各种 LID 技术措施具有很强的地域特征，特别是在湿陷性黄土地区建设海绵城市还存在许多技术难题，缺乏一套科学完善的评价体系。
        本文通过对湿陷性黄土的相关概念进行归纳，分析在该地区建设海绵城市的可行性，总结该地区已有海绵城市建设的相关经验，整理出在湿陷性黄土地区几种常见 LID 设施的选择方案。
        2湿陷性黄土的定义及分布
        湿陷性黄土是指在一定压力下受水浸湿，土的结构迅速破坏，并产生显著附加下沉的黄土。在上覆土的饱和自重压力下受水浸湿，产生显著附加下沉的称为自重湿陷性黄土，不产生显著附加下沉的称为非自重湿陷性黄土。我国湿陷性黄土的分布面积约占我国黄土分布总面积的 60%左右，主要分布在山西、陕西、甘肃的大部分地区，河南西部和宁夏、青海、河北的部分地区，面积达 44km2。除此之外，在新疆维吾尔族自治区、内蒙古自治区和山东、辽宁、黑龙江等省也有零星分布，但一般面积较小，且不连续分布。我国《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2018）根据我国黄土的特征，从工程地质角度出发，提出了《中国湿陷性黄土工程地质分区》，图中将我国湿陷性黄土分为七个区（其中又分为十二个亚区），这七个区分别是：Ⅰ陇西地区，Ⅱ陇东-陕北-晋西地区，Ⅲ关中地区，Ⅳ山西-冀北地区，Ⅴ河南地区，Ⅵ冀鲁地区，Ⅶ边缘地区冀鲁地区，Ⅶ边缘地区。
        2.1、湿陷性黄土的特殊性质
        湿陷性黄土作为一种特殊性土，主要由其力学性质的特殊性来体现。力学性质主要包括压缩性、湿陷性、抗剪强度。
        （1）压缩性。湿陷性黄土的压缩变形是指在土壤天然含水量条件下受外荷作用所产生的变形，它不包括土壤受水浸湿后的湿陷变形产生的变形。由此可知，湿陷性黄土的压缩性与外来雨水入浸后产生的变形无关，只是单纯反映黄土在天然含水状态下受外力作用后土体体积的变形程度。
        （2）湿陷性。湿陷性黄土最显著的性质就是浸水后在一定压力作用下结构破坏而发生显著附加下沉现象，也就是湿陷。黄土的湿陷性实质上是对水作用的敏感性在变形方面的体现。该性质在工程建设领域极为重要，在海绵城市建设中也是直接影响了LID 设施的施工建设和运行效果，为此工程界确定了一些可以反映黄土湿陷性强弱的指标。常用的指标有：湿陷性系数 δs、标。常用的指标有：湿陷性系数 δs、自重湿陷系数 δzs、和湿陷起始压力 Psh。
        （3）抗剪强度。湿陷性黄土的强度主要取决于含水量和密实程度。通常在低含水量状态时，黄土的密实度较高，强度也较大，随着含水量的增加，抗剪强度逐步降低，进而引发湿陷。
        2.2海绵城市在湿陷性黄土地区建设的可行性分析
        由湿陷性黄土分布情况可知，我国的湿陷性黄土主要分布在北方地区，特别是以黄河中上游的西北地区为典型代表。该地区深居内陆，距海遥远，加之高原及高大山脉对湿润气流的阻挡，导致本区降水较少，气候干旱。降雨空间分布差异大，大部分地区全年降水量在500mm 以下，黄土高原年降水量在 300～500mm 之间，河西走廊少于 100mm，从东到西呈逐渐递减趋势。降雨在季节上分布极不均匀，70%的降雨集中在夏季，且发生极端强降雨事件频率逐年增加，部分城市在夏季发生严重内涝，在春冬季又发生严重干旱。因此西北地区城市需要在降雨集中的夏季利用各种海绵措施来收集雨水，并加以利用，以此来缓解强降雨带来的城市内涝和水资源紧缺问题。故从湿陷性黄土地区的降雨条件角度来分析，在该区域建设海绵城市是可行且必要的。
        3海绵城市在湿陷性黄土地区建设的一般要求
        湿陷性黄土地区海绵城市建设首先应做详细的水文地质勘察，对黄土湿陷等级、分布情况、湿陷性厚度等做出详细的数据库，根据数据库对建设区域进行科学分区，根据不同区域地质情况做出不同规划设计，同时应从具体 LID 设施的技术改造入手，使不同 LID 设施适用于湿陷性黄土地区。

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还需明确海绵措施与建筑物之间的安全距离，以及防水措施。
        3.1湿陷性黄土地区 LID 设施优化比选
        3.1.1雨水花园
        雨水花园常建设在地势较低的区域，通过植物、土壤介质和微生物种群的作用来净化、滞留和消纳雨水，是生物滞留设施的一种具体技术体现。雨水花园兼具了“滞、净、蓄、渗”等多种功能，对径流控制效果好且维护管理方便、易与景观结合，被广泛应用于各种小区和商业区中。雨水花园主要由蓄水层、覆盖层、种植土层、人工填料层和砾石层等五部分组成。
        适用范围：雨水花园形式多样，可以应用在小区、停车场、商业广场及市政道路周边等。湿陷性黄土地区应用雨水花园建议：考虑下渗雨水对周边建（构）筑物的湿陷风险，应保证雨水花园距离建（构）筑物有一定的距离要求，以《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2018）不同等级的建筑物的防护距离要求，来作为 LID 设施与建筑物之间的防护距离。从安全角度考虑，当 LID 设施与重要建筑物之间的距离不能满足上述规范的要求时，应该采取严格的防水措施，主要包括了两布一膜和钢筋混凝土挡墙等防水处理。
        3.1.2下凹式绿地
        下凹式绿地是最常见最简单的一种 LID 设施，指绿地表面高程低于周边铺砌地面或道路约 20cm 内的绿地。下凹式绿地一般由蓄水层、种植土层、原土层和溢流装置组成。
        （1）蓄水层。根据绿地接收雨水汇水面积的大小来控制蓄水层的深度，一般在 100～200mm。在雨水入口处，可设置砾石消能。
        （2）种植土层。根据植物种类不同，种植土层厚度和土壤配比也不同，一般在 250mm。当原土下渗性能好且满足植被生长，可以直接用原土作为种植土。
        （3）原土层。主要作为下渗雨水的存储空间和表层植被的承载层，没有具体厚度要求，但当距离建筑物水平距离小于 3m，周围有湿陷性风险，则需要在原土层下部和周围做防渗处理。
        （4）溢流装置。在绿地中央部位设置溢流雨水口，雨水口高程应高于绿地，便于超渗雨水通过雨水口进入雨水管网排出。下凹式绿地主要是利用蓄水层来储存部分雨水径流、推迟下游径流峰值到达时间、通过表面植被、土壤及微生物的协同作用来净化水质、涵养地下水。
        适用范围：由于下凹式绿地结构简单，建设和维护费用均较低，可以广泛应用于建筑与小区、商业广场、绿地和城市道路中。在湿陷性黄土区应用时，应满足规范要求的距离，当不满足时，应在底部和周围做防渗处理，但这样将大大增加建设成本，建议利用现有绿地进行改造。
        3.1.3植草沟
        植草沟是指种植有景观欣赏性植物的地表沟渠。通常依靠重力来收集、输送和排放径流雨水，是一种径流传导设施，可与其它 LID 设施衔接，达到组合调控雨水径流的效果。植草沟的植物和土壤也具有一定的水质净化作用。根据结构形式不同，植草沟可分为干式植草沟、湿式植草沟和转输型植草沟三种类型。
        3.1.4透水铺装
        透水铺装是指具有透水性面层及面层下可入渗、截污、蓄存雨水的路面。通常由透水面层、过滤层、基层、垫层和土基层构成。湿陷性黄土地区应用透水铺装的建议：（1）在城市机动车道路上尽量避免使用透水性面层铺装，防止机动车荷载过大和雨水下渗造成的路基损坏。在人行道路上应用透水铺砖，应用之前根据黄土湿陷等级采用不同的地基处理措施来消除湿陷性，常见的措施有灰土垫层法、冲击压实法、强夯法等。（2）在采用地基处理的方法消除湿陷性后，土壤的下渗性能将受到影响，故也可以采用底部防渗和快速排水的方法。底部防渗主要采用两布一膜和混凝土挡墙处理，快速排水是在蓄水基层底部设置 DN50 的排水管，可将基层中饱和雨水快速排出至周围景观绿地中，避免雨水过多引起的地基结构破坏。
        3.1.5 渗透井和渗透管渠
        湿陷性黄土地区做渗透井和渗透管渠的建议：当湿陷性等级和地下水位较高时，应避免使用渗透井；当湿陷性黄土层距离地表面较深，且等级不高时，可采用小而浅的渗透井和渗透管渠，同时还必须满足距离建筑物的安全距离，若不满足，可采用两布一膜和混凝土做防渗处理。
        4结语
        海绵城市在北方地区的应用是十分有必要的。海绵城市将传统的雨水管渠与低影响开发技术措施相结合，使得城市在开发前后的水文及生态环境特征基本保持不变，在抵抗自然灾害时，具有一定的“弹性”。
        在湿陷性黄土地区建设海绵城市，需要利用低影响开发技术措施从源头、中途和末端三方面进行控制。源头的控制，可以通过绿化屋顶、初期雨水弃流、渗透井、植被浅沟等措施实现；中途的控制，可以通过透水铺装、下凹式绿地、雨水沉淀池、滞留池等措施来实现；末端的控制，可以通过稳定塘、湿塘、人工湿地、渗透塘、雨水花园等措施来实现。
参考文献
［1］《基于SWMM的湿陷性黄土地区海绵城市建设研究》
［2］《建设海绵城市的研究与实践探索》
［3］《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB50025-2018）