湿陷性黄土地区海绵城市建设研究进展

李佳

辽宁省市政工程设计研究院有限责任公司 辽宁沈阳 110006

1 黄土中水的迁移规律

近年来，对黄土湿陷性入渗过程和特征的研究主要涉及黄土水分入渗规律、影响因素和理论方法。许多学者针对黄土中水的运动规律进行了现场或室内渗水试验。研究表明，对于湿陷性黄土场地，如果不采取导水入渗措施，水分入渗是有限的；同时，入渗特性与土壤参数有关，包括初始含水量、土壤饱和度和渗透系数等，不同初始条件（水头、入渗时间和场地）下黄土的入渗规律不同。

第一、初始含水量、初始干密度等因素对黄土的湿陷性和渗透系数影响很大。第二、非饱和黄土试样在不同温度梯度、压实度和初始含水量下的水分运移规律：较大的温差和较小的土壤密度会导致试样两端水分运移更明显，含水量差异更大；初始含水量大、小时，温差引起的含水量差异小；但当初始含水率适中时，温度引起的含水率变化就大不相同了。第三、黄土在水分入渗过程中可分为湿层、不稳定层和稳定层。

同时，许多学者基于电子显微镜扫描、CT扫描和核磁共振技术研究了黄土浸水后的孔隙结构特征。①黄土润湿后，粘土骨料（水泥）的崩解，碳酸盐水泥等粘合剂的分解，会导致土体结构的破坏。②长而不规则的大孔隙和中孔对黄土的渗透性有显著影响。

2 黄土的湿陷特性和湿陷机理

黄土湿陷性的研究对黄土地区的工程安全具有重要的现实意义。许多学者研究了浸水黄土的湿陷规律。黄土的湿陷性是地质、物理和化学综合作用的结果。目前，在黄土工程领域，对黄土湿陷性的成因和机理的认识还没有统一。一般认为，黄土湿陷的必要条件有三：①黄土地层具有大孔隙内部结构；②黄土骨架颗粒间胶结强度低，属于水稳定性胶结差的类型；③黄土浸水，导致黄土含水量或饱和度显著增加，导致粒间接触胶结断裂。

其中，前两个条件是内部因素，最后一个是外部因素。湿陷性黄土是由粒径为0.005-0.075mm的颗粒（粘土或粉）组成的大孔隙粒状架空结构，在这种结构中，单位体积内颗粒间间接接触点少，骨架颗粒流动性大，容易失去稳定性，这是湿陷性的基本条件。除碎屑矿物外，构成黄土结构的一些骨架颗粒由内部胶结强度高的集料组成。在压力或浸没作用下，构造变形主要是由粒间接触胶结断裂引起的。

黄土湿陷机理是在浸水作用下，具有大孔隙结构的黄土颗粒间的接触胶结被破坏，导致大孔隙结构被破坏，黄土的孔隙率降低的现象。同时，黄土骨架颗粒之间的胶结性质复杂，可分为水稳性胶结（氧化铁胶结和老化碳酸盐胶结等）两种类型。）和非水稳定胶结（毛细管胶结和盐溶性结晶等。）.干旱条件下形成的胶结一般以非水稳性胶结为主；潮湿条件下形成的胶结作用一般以水稳性胶结为主。对于水稳定胶结和非水稳定胶结之间的粘膜胶结，取决于孔隙溶液中离子的浓度和组成以及水膜楔入后的胶体化学变化。如果黄土粒间胶结以非水稳性胶结为主，水膜楔入有利于粘膜胶溶，则浸水后粒间胶结强度急剧下降，表现出较强的湿陷性。

3 湿陷性黄土地区海绵城市建设

在湿陷性黄土地区建设海绵城市，对城市雨洪控制、水资源管理和城市景观环境有着积极的作用。关于海绵设施的径流控制效果评价，很多城市新区作为我国湿陷性黄土地区海绵城市建设的集中区域，低影响开发设施改造后，降雨期间道路积水情况得到改善，年总径流控制率和污染负荷率大幅降低；在监测分析了黄土场地下入渗和防渗雨水两年的径流削减量和污染物削减量后，发现原状土填充防渗雨水花园设施的减水率为69.14%，径流污染物年减载率基本在70%以上[1]；通过分析雨水花园对屋顶和建筑小区雨水径流的调节作用得到了类似的结果[2-3]。

同时，由于海绵设施的功能受土壤基质条件、植被条件、设施结构形式、降雨特性和阻塞状态等因素的影响，在湿陷性黄土地区建设海绵城市的过程中，许多学者根据设施应用场景和场地水文地质条件，对典型海绵设施进行了设计优化研究。基于湿陷性黄土工程的实际背景，根据埋深、开孔率和壁厚的变化，对湿陷性黄土地区预制渗井结构进行了优化；湿陷性黄土地区应尽可能采用浅层和小型雨水渗透设施；并提出在湿陷性黄土场地下的市政道路底部铺设PE防水土工布进行全面防护，并在植草沟两侧浇筑混凝土挡土墙，以保证道路路基的安全；通过“L”型钢筋混凝土挡土墙支护和人工更换生物滞留介质的技术手段，解决了湿陷性黄土地质和原土渗透性差等制约开发设施设计的不利因素。以上研究为湿陷性黄土地区海绵设施建设提供了帮助。然而，目前制约湿陷性黄土地区海绵城市建设的关键因素之一是海绵设施的滞后功能与黄土洪水引发的次生灾害之间的矛盾，即雨水通过海绵设施的渗透容易引起地基塌陷变形，导致不均匀沉降，甚至建筑物变形破坏。

因此，湿陷性黄土场地海绵设施的设计优化应考虑雨水入渗对基础结构的影响。

4 结语

从以上研究来看，国内外对湿陷性黄土地区海绵城市的研究主要集中在雨水管理的有效性、海绵设施的设计参数、径流控制、非点源污染净化等方面。而对黄土地区海绵设施雨水渗透的影响范围研究较少。现有对黄土地区雨水入渗影响的评价大多是从单层均质土壤和连续降雨条件方面进行的。由于海绵设施内部结构多为层状结构，不同降雨条件下土壤的入渗特性不同，因此层状黄土中雨水的入渗机理和入渗范围的研究仍需更加细致，设施中水入渗引起的滞流灾害风险及防治措施的研究仍需加强。