北極星水處理網訊:導讀：針對溼陷性黃土地區海綿城市建設雨水滲蓄引發環境地質災害風險等問題，系統梳理國家海綿城市建設試點經驗，結合理論研究與工程實踐，提出開展溼陷性黃土地區海綿城市設計預評估的建議與方法，探討構建包括主動消除溼陷性、設置安全防護距離、貫穿溼陷性黃土層、防滲漏處理、強化疏排水、變形觀（監）測與處置在內的系統化防控體系。
0 前言
我國不同地區海綿城市建設路徑與方法存在區別，特別是溼陷性黃土、膨脹土等特殊地質區海綿城市建設適宜性問題備受行業關注與質疑。海綿城市建設強調雨水的「滲、滯、蓄、淨、用、排」技術措施與源頭徑流總量-峰值-汙染綜合管控等要求較傳統「快排」模式，增加了下墊面雨水停留時間與滲蓄總量，部分措施引導雨水中深層入滲，在溼陷性黃土、膨脹土等地質區實施時，雨水滲漏大概率引發土體結構浸水沉降或膨脹，承載力迅速衰減等可能危害建（構）築物基礎安全問題。截止目前，國家規範尚未就上述特殊地質區海綿城市建設提出明確技術指引，相關城市工程實踐大多採用「嚴防死守型（全面防滲）」做法或設置「豁免清單（特殊地質區不建設）」，缺乏科學論證。為此，筆者通過國家試點城市調研，結合團隊專項研究，就理性認知溼陷性黃土區海綿城市建設問題、鼓勵開展項目設計預評估等進行探討，提出了雨水滲蓄風險防控典型措施及其適用場景。
1 溼陷性黃土地區海綿城市建設再認知
我國溼陷性黃土地質分布廣泛，主要集中在乾旱、半乾旱氣候區，其在天然狀態下的高孔隙率和低溼性（天然溼度≤塑限含水量）是其產生溼陷的重要條件。溼陷性黃土組成以粉粒為主，其中粗粉土（0.01～0.05 mm）顆粒居多，同時含有少量粘土（<0.005 mm）和細砂（0.1～0.25 mm）顆粒。粗粉粒在黃土結構中起骨架作用，細粉粒依附於其表面，並與粘粒和土體中無定型鹽類等膠體物質作為填充料。遇水時，在土體自重或附加壓力下產生顯著沉降一方面歸因於其乾旱氣候下的形成機制（蒸發影響深度大於降水，壓力、溼度不良）帶來的欠壓實狀態（富含空隙、垂直節理髮育），另一方面則是內部粒間膠結物遇溼軟化（鹽晶溶解）、強度降低、破裂所致。
溼陷性黃土地區海綿城市建設遭受質疑、「談水色變」問題的根源歸結起來有兩方面原因。
1.1 缺乏對黃土溼陷性致災機理與觸發條件的認識
黃土溼陷性致災影響是由土體本身微觀結構（粘粒含量與賦存狀態、孔隙結構、膠結物性質等）與環境因素（水分、荷載、周邊建構築物基礎埋設條件等）共同作用決定的。工程實踐中，一般將含水率與荷載壓力作為觸發溼陷變形的重要因素予以控制。自重溼陷性黃土含水率達到一定飽和度時，即發生顯著附加沉降（含水率上升，土體發生增溼變形，達到一定程度時變形激增）。非自重溼陷性黃土除土壤含水量飽和度影響外，自重壓力疊加外部荷載壓力大於溼陷性起始壓力時，溼陷發生。為評估此影響，《溼陷性黃土地區建築標準》以溼陷性係數測定區間（0.015～0.03、0.03～0.07、>0.07）劃分黃土溼陷程度（輕微、中等、強烈），以自重溼陷量、溼陷量劃分場地地基溼陷等級（Ⅰ輕微、Ⅱ中等、Ⅲ嚴重、Ⅳ很嚴重），並給出不同建築類型、不同等級溼陷性黃土地基處理方法及建築、結構、給排水設計等防護措施。在溼陷性黃土區開展海綿城市建設時，須清晰掌握該區域水文氣象、地形地貌、黃土溼陷性質、等級、厚度及場地建築環境，因地制宜開展設計，同時注意：
①溼陷性黃土場地房屋與市政基礎設施建設時，已採取相應基礎處理與結構、防水設計，並賦予安全餘量（設置防護距離、外擴基礎處理等），海綿設施布置與銜接應儘量不擾動現有防護體系，確有影響，須採取強化防護措施（材料、結構防水）；
②城市開發建設挖填置換（道路開挖、建築小區地下車庫建設等）、浸水、澆灌或受力歷程中，受擾動強的黃土，其溼陷性消除程度相對較高或已不具溼陷性；
③海綿設施施工時，對於一定範圍溼陷性黃土層上部壓力發揮「減荷」作用（遠離溼陷起始壓力臨界點），防控重心應集中在高等級、大厚度溼陷性區域、建（構）築物結構基礎緊鄰海綿設施的有限空間雨水滲漏防控;
④遠離建（構）築物結構基礎的溼陷性場地（低風險區）可做集中雨洪控制空間利用。
1.2 缺乏對海綿雨水設施構造與運行原理的認識
海綿雨水設施種類繁多，按其主項功能（許多設施兼具多重功能）可劃分為：滲透設施（綠色屋頂、透水路面、下凹式綠地、生物滯留設施、滲塘、滲井等）、傳輸設施（植草溝、排水溝、滲管（渠））、調蓄設施（蓄水池、調節池、調節塘等）、淨化設施（初雨棄流設施、過濾設施、溼地等）及其他附屬設施。除滲井、蓄水池等設施外，源頭小區、市政道路大多應用淺表性設施（結構深度<2 m，透水路面、植草溝、下凹式綠地、生物滯留設施應用最廣）。因此，防控重心應放在規避設施滲蓄雨水向中深土層無組織入滲方面。
通過評估，當雨水入滲對建築基礎、道路結構存在損害風險時，一方面設計安全防護距離（結合場地溼陷等級、建（構）築物基礎形式與應力場範圍、土層壓實度等研究論證基礎上設定），距離不足時強化防滲處理；另一方面慎用全透型設施，在滲透、調蓄設施結構中設置排空管、防滲層，縮短雨水蓄存時間。
海綿設施對匯水區地表徑流總量、峰值、汙染的控制效能取決於其結構設計。圖1為典型生物滯留設施結構示意。
降雨期間，除超滲產流帶來溢流外排情形外，雨水在結構內下滲、滯留、淨化、排洩過程形態可分為頂部蓄水、種植層與礫石層內部蓄水、下滲土壤或底部出流，這在其容積計算時已考慮，見式（1）：
式中V——生物滯留設施調蓄容積，m³；
A——設施表面積，m²；
hx、hz、hl——分別為設施臨時蓄水層深度、種植土層深度、礫石排水層深度，m；
nv——植物橫截面積佔蓄水層表面積比例，%；
nz、nl——分別為種植土層、礫石層平均孔隙率；
fm——土壤入滲率，mm/h；
t——降雨歷時，h。
除調蓄容積外，設計時還須考慮排空時間。設施排空時間與設施整體滲透性能有關，過慢影響植物生長（耐淹）、孳生蚊蠅，過快影響徑流與汙染削減效果。一般生物滯留設施排空時間上限為48 h，下限不宜低於6 h。根據達西定律，近似考慮種植土層、礫石層孔隙水飽和狀態下，推導調蓄容積與排空時間關係如式（2）所示:
式中te——設施排空時間，h；
kz、kl——分別為設施換填土層、礫石層飽和滲透係數，mm/h。
由於礫石層飽和滲透係數遠大於種植土層（種植土層雨水下滲過程為設施整體下滲「限速步」），其內部通常存在自由水面，因此式(2)可簡化為式（3）：
在溼陷性場地，鑑於安全考量，防止設施內部長期存水（水壓下沿防滲薄弱處滲漏），應儘量縮短設施排空時間。由式（3）不難看出，提高種植土滲透係數是一種途徑，工程中可通過改良種植介質或局部犧牲徑流汙染控制效果實現，在安全為重的原則下不失為選擇。但不能無限提高滲透性（植物生長保水、徑流控制有效性需要），因此設計時可通過加大礫石層內穿孔排水管洩排能力實現。
對於透水鋪裝、調節塘等設施亦可通過提高底部滲排管、放空管排洩能力，減少雨水停留，結合強化防滲處理降低雨水積存滲漏致災風險。
2 溼陷性黃土場地海綿城市建設預評估
為保障溼陷性黃土地區建（構）築物安全，合理開展海綿城市建設，規避次生災害，筆者建議在海綿城市專項規劃和項目勘查設計階段開展預評估工作，指導工程設計，並與施工、運維反饋結合，形成閉環管控。設計階段預評估工作建議涵蓋：
（1）場地環境分析。在傳統海綿城市專項設計場地分析（地形豎向、現狀場地排水方式、積澇點、管網分布、綠地與建（構）築物空間關係等）基礎上，開展詳細勘察，明確擬建場地溼陷性黃土層埋深、厚度、溼陷係數及類型、溼陷起始壓力及含水率深度變化、溼陷等級平面分布、地下水位、滲透變形與承載力參數；地上地下建（構）築物類型與重要程度、基礎形式、承載力要求、地基處理方式。這些直接關係海綿雨水設施選擇、結構設計、平面布置與防滲方式。
（2）適用性海綿城市技術措施分析。根據上述分析，結合海綿城市建設要求（年徑流總量控制率、年徑流汙染削減率等），分析場地豎向與下墊面，劃分匯水分區，設計雨水組織，開展設施選型。設施選擇時須注意：
①宜採用淺表型設施。對於Ⅱ級及以上大厚度自重溼陷性黃土地層，不應設置深層、大型滲透設施（滲井、滲塘等）；傳輸類設施宜採用防滲型植草溝或混凝土、樹脂、HDPE排水溝等，不宜採用滲管（渠）。
②設施結構設計以「臨時調蓄（節）為主，縮短雨水積存時間，適度有限滲透或不滲透」為原則，自重溼陷性場地（Ⅱ～Ⅳ級）的建築小區、市政道路，海綿設施結構中須設置防滲層與疏排水系統；非自重溼陷性場地，無不良地質發育，建設場地較大，滲透、滯留設施與建（構）築物間滿足《溼陷性黃土地區建築標準》規定安全防護距離時，可不採取防滲。
③各級溼陷性黃土地基上的海綿設施，當地基溼陷變形、壓縮變形或承載力不滿足設計要求時，應針對不同土質，在地基壓縮層或溼陷性黃土層內採取處理、防水和結構等措施。④設施平面布置應優先選擇遠離建構（築）物基礎的外圍公共綠地、紅線外綠地；設施溢流雨水就近接入小區或市政管網，儘量減少新建長距離、高密度地下銜接管，規避對場地既有基礎處理、防水層、防護結構破壞或擾動。
在此原則下，完成海綿設施選擇、規模計算、結構設計與平面布設初步方案。
（3）場地海綿化建設安全風險預判。應用數值模型，分析評估上述方案對鄰近建（構）築物變形和穩定性影響。評價可採用GeoStudio、ABAQUS等軟體進行，流程如圖2所示。
根據模擬分析，確定場地不同區域風險等級；評估滲漏高風險點最不利工況（長時積水）致災影響，強化薄弱環節處理，指導設施布置、防滲與基礎處理措施強化，反饋設計、施工。在此原則下，優化設施選擇布置，指導方案比選，完成詳圖設計。
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