陶 虎，張少英，萬(wàn)冰清，石 喜，于清高

（蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

1 研究背景

隨著我國(guó)城市化速度的加快，建筑物改變了原下墊面入滲條件，引起城市地表徑流激增，城市內(nèi)澇頻繁發(fā)生，甚至出現(xiàn)人員傷亡的事件，特別是2018年入夏以來(lái)，蘭州、鄭州等多個(gè)城市發(fā)生強(qiáng)降雨，引起嚴(yán)重的城市洪澇災(zāi)害；另一方面則是城市化進(jìn)程中大量使用混凝土等不透水材料阻礙了雨水的補(bǔ)充與遷移，造成地下水系統(tǒng)干枯和土壤干化，成為當(dāng)前城市亟待解決的突出問(wèn)題之一［1-2］。借鑒歐美等國(guó)成功經(jīng)驗(yàn)［3-5］，將低影響開(kāi)放技術(shù)（LID）［6-7］雨水系統(tǒng)的概念引入我國(guó)海綿城市建設(shè)，2014年由住房城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺(tái)了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南—低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》［8］，隨后國(guó)務(wù)院辦公廳于2015年10月印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》［9］，有濟(jì)南、武漢、北京、上海等30 個(gè)城市成為中央財(cái)政支持的海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市。

針對(duì)我國(guó)海綿城市建設(shè)內(nèi)容，張建云等［10］認(rèn)為海綿城市建設(shè)既存在共性，也存在特殊性和復(fù)雜性，需要對(duì)不同的城市進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，體現(xiàn)“一城一策”。韓煦等［11］認(rèn)為“海綿體”的開(kāi)發(fā)是海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題。唐雙成等［12］在黃土地區(qū)開(kāi)展了雨水花園削減徑流及海綿體填料的研究，根據(jù)砂土層及均質(zhì)黃土兩種不同填料，實(shí)現(xiàn)了城市花園雨水、雨洪的攔蓄，增加了入滲量，有效削減了污染物輸出量，雨水花園解決了雨水的收集和利用，而對(duì)多余水量是否補(bǔ)充到地下未做進(jìn)一步研究。王根緒、陸垂裕等［13-14］研究指出，土壤中長(zhǎng)期得不到雨水補(bǔ)充，將影響地下水汽循環(huán)，造成生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)逐漸惡化，而海綿城市建設(shè)也不能簡(jiǎn)單的理解為將雨水直接導(dǎo)入地下［15］。

針對(duì)黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)內(nèi)容，收集的雨水直接下滲可能引起黃土濕陷變形等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種雨水收集補(bǔ)充地下水系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的導(dǎo)水能力及埋深與增濕變形的關(guān)系，從而為黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)提供一種新技術(shù)，豐富海綿城市建設(shè)內(nèi)容。

2 黃土地區(qū)城市雨水收集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

我國(guó)46 個(gè)地州市約6.4 萬(wàn)km2的土地被黃土所覆蓋，由于生成年代、成因、環(huán)境及生成后歷史變遷上的差別，不同年代的黃土表現(xiàn)出力學(xué)性質(zhì)的差異性，老黃土（Q1、Q2）不具有濕陷性，被稱(chēng)之為非濕陷性黃土。新黃土（Q3、Q4）在一定的附加壓力作用下，浸水后發(fā)生濕陷，稱(chēng)之為濕陷性黃土，在自重壓力作用下，浸水后發(fā)生濕陷，稱(chēng)之為自重濕陷性黃土，濕陷性是黃土特有的性質(zhì)之一，自蘭州、西安至鄭州方向呈逐漸減弱的變化趨勢(shì)。

降雨是黃土增濕最為直接的一種方式，在反復(fù)浸潤(rùn)土壤過(guò)程中，當(dāng)超過(guò)前期濕陷含水量［16］時(shí)可能誘發(fā)新的濕陷變形。降雨增濕的影響深度與降雨量有關(guān)，楊小利［17］統(tǒng)計(jì)分析了甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)45 a的氣象資料和近25 a的月降雨量與土壤含水率的變化關(guān)系，得出西峰區(qū)降雨的影響深度在0～100 cm 范圍內(nèi)變化的結(jié)論。張常量等［18］在甘肅省正寧縣開(kāi)展了降雨入滲深度的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)地面10 m 范圍內(nèi)含水率的原位監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，在年降雨量630 mm 的影響下，雨水入滲最大深度為120 cm。

城市化進(jìn)程中大量使用混凝土、瀝青等路面硬化技術(shù)，改變了原天然地面入滲途徑，導(dǎo)致地表徑流增大，并在低洼場(chǎng)地匯集，從而產(chǎn)生局部集中入滲，其下滲量與深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然降雨時(shí)的值。對(duì)于濕陷性黃土場(chǎng)地，當(dāng)某一深度含水量超過(guò)前期濕陷含水量時(shí)則發(fā)生濕陷變形，形成局部空腔，引起上部懸空土體逐漸失穩(wěn)垮塌，這種變形發(fā)展最終引起城市地面塌陷。

黃土在干燥狀態(tài)下保持有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，只是在增濕后發(fā)生強(qiáng)度大幅降低現(xiàn)象。根據(jù)黃土力學(xué)特性，總結(jié)出了強(qiáng)夯、灰土擠密樁、置換和預(yù)濕陷等處理技術(shù)，以先破壞黃土結(jié)構(gòu)，再變密的技術(shù)提高其強(qiáng)度。這些方法簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是工程量大、費(fèi)用高和周期長(zhǎng)?；趯?duì)黃土力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)，邵生俊等［19］以薄膜水轉(zhuǎn)移理論和土水勢(shì)原理［20］提出的淺層阻水和深層導(dǎo)滲井散水的IDITI 綜合治理方案，在充分利用原狀黃土低濕度下固有高強(qiáng)度和低壓縮性力學(xué)特點(diǎn)，采用表層阻水，深層導(dǎo)水的技術(shù)方案避開(kāi)濕陷性黃土層，有效減少了工程措施帶來(lái)的費(fèi)用高、周期長(zhǎng)等問(wèn)題，在黃土地區(qū)開(kāi)展工程建設(shè)具有借鑒性。

針對(duì)城市產(chǎn)流特征，采用源頭削峰的方式，在小區(qū)設(shè)置雨水收集系統(tǒng)，減少匯入管網(wǎng)的水量，避免洪峰的形成，同時(shí)利用截留的雨水進(jìn)行花園灌溉，將多余雨水經(jīng)二次過(guò)濾后下滲補(bǔ)充地下。雨水下滲過(guò)程中，水質(zhì)一定要符合排放標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者［20-22］對(duì)城市雨水水質(zhì)進(jìn)行了研究，蘭州市小區(qū)道路和屋面徑流水質(zhì)污染較小，能滿(mǎn)足直接下滲的要求；同時(shí)，集中入滲要避免出現(xiàn)淺層黃土的濕陷變形，蘭州市七里河區(qū)西津村是迄今為止發(fā)現(xiàn)的世界上黃土分布最厚的地區(qū)［23］之一。

針對(duì)蘭州市海綿城市建設(shè)，設(shè)計(jì)了一種雨水收集補(bǔ)充地下水系統(tǒng)［24］，兼有收集雨水、調(diào)節(jié)雨洪峰值和補(bǔ)充地下水的功能，系統(tǒng)包含了：收集滲透層、阻水層、蓄水結(jié)構(gòu)和排導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造如圖1所示。

“收集滲透層”為圖1中的透水混凝土面層，由水泥、水、砂石料按一定的比例拌和碾壓后形成，具有良好的滲透性和強(qiáng)度。該層以收集地面雨水為主，兼有承受上部人群荷載的作用。

“阻水層”為圖1中三七灰土層和土工膜兩部分，“阻水層”位于“收集滲透層”的下部，三七灰土層為路面墊層，具有支撐上部載荷和阻水的功能。土工膜置于三七灰土的上、下兩層，上層可以阻止?jié)B透層水分向灰土層滲透，下層可以防止地下水、毛細(xì)水的上升。“阻水層”結(jié)構(gòu)能有效預(yù)防地面雨水進(jìn)入黃土層，大大減少黃土被增濕的可能。

圖1 海綿體結(jié)構(gòu)示意

“蓄水結(jié)構(gòu)”為圖1中蓄水池部分，蓄水池進(jìn)口段與路面透水混凝土層連接，透水混凝土層底部設(shè)一定的坡降，收集的雨水沿著透水混凝土流向蓄水結(jié)構(gòu)。蓄水結(jié)構(gòu)為兩個(gè)獨(dú)立的蓄水池，第一個(gè)蓄水池以收集和過(guò)濾雨水為主，若降雨量偏小，則前一個(gè)蓄水池處于非蓄滿(mǎn)狀態(tài)，收集的雨水可以用于小區(qū)花園灌溉；當(dāng)降雨量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，或者兩場(chǎng)降雨間隔時(shí)間短，第一個(gè)蓄水池被蓄滿(mǎn)后，則多余雨水沿著過(guò)濾孔進(jìn)入第二個(gè)蓄水池，蓄滿(mǎn)后雨水沿著過(guò)渡段進(jìn)入砂井。

“排導(dǎo)結(jié)構(gòu)”為圖1中砂井，砂井的直徑約0.6～0.8 m，豎向開(kāi)挖，采用砂礫石填充。砂井最大開(kāi)挖深度穿透濕陷性黃土層，收集的雨水沿著礫石孔隙向下遷移，在砂井底部形成不同深度的有壓水，并向土壤四周擴(kuò)散，達(dá)到收集地表徑流和補(bǔ)充地下水的目的。

目前，透水鋪裝技術(shù)作為低影響開(kāi)發(fā)措施之一，對(duì)于吸納、凈化降水徑流具有重要作用［25］，其良好的工作性能也得到認(rèn)可，蓄水結(jié)構(gòu)及過(guò)濾裝置可以單獨(dú)設(shè)計(jì)，然而排導(dǎo)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)水能力及埋置深度引起黃土的增濕變形需要進(jìn)一步通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 排導(dǎo)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 排導(dǎo)結(jié)構(gòu)的布置為了檢驗(yàn)黃土地區(qū)排導(dǎo)結(jié)構(gòu)收集雨水的效果及埋深與變形的關(guān)系，選擇蘭州市以東45 km 的三角城進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料顯示，地表以下依次為耕植土、濕陷性黃土和非濕陷性黃土，各層土的基本物性指標(biāo)如表1所示。勘查結(jié)果顯示，濕陷性土位于地下0.5～18 m范圍，18 m 以下為非濕陷性黃土。

表1 土層分布及土的基本物性指標(biāo)

分別將不同埋深的排導(dǎo)砂井置于濕陷性和非濕陷性土層內(nèi)，對(duì)比不同埋深砂井增濕后的變形量，從而驗(yàn)證排導(dǎo)砂井置于非濕陷性土層的合理性及埋深大小對(duì)變形的影響。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)砂井直徑為0.8 m，濕陷性土層砂井的埋深依次為1.7、7.5 和15.6 m，編號(hào)為SJ1—SJ3；非濕陷性土層砂井的埋深為18.0和20.8 m，編號(hào)為SJ4、SJ5。砂井底部設(shè)置剛性沉降板，板中心外接剛性沉降桿，然后向砂井中回填直徑為0.5～5 cm 的砂礫石，直至砂礫石與地面齊平，砂井側(cè)壁1 m 深度范圍內(nèi)鋪設(shè)塑料薄膜，預(yù)防注水后在地表淺層裂隙中的水平向滲透。砂礫石層剛性桿外圍套接PVC 管，減少摩阻力對(duì)豎向變形的影響，砂井外圍設(shè)置變形沉降監(jiān)測(cè)，中心設(shè)置沉降桿，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片見(jiàn)圖2。

圖2 砂井現(xiàn)場(chǎng)照片

3.2 砂井滲透濕潤(rùn)鋒擴(kuò)散時(shí)間與位移的關(guān)系為了監(jiān)測(cè)排導(dǎo)砂井底部土壤中水分的入滲速率，尤其是浸水后豎向濕潤(rùn)鋒行進(jìn)時(shí)間，在SJ1 排導(dǎo)砂井側(cè)面開(kāi)挖探槽，豎向每隔5 m 布置一個(gè)水分計(jì)，埋設(shè)前、后對(duì)水分計(jì)進(jìn)行校核，然后采用素土分層夯實(shí)至頂部，避免探槽方向因局部薄弱而出現(xiàn)體積含水率突然增大的現(xiàn)象。排導(dǎo)砂井頂部設(shè)置采集卡，用于采集水分計(jì)變化數(shù)據(jù)，隨著砂井中水量的累計(jì)，濕潤(rùn)鋒擴(kuò)散速度加快，水分計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)變化的瞬間即為濕潤(rùn)鋒到達(dá)的時(shí)間，記錄注水開(kāi)始時(shí)刻及各層水分計(jì)讀數(shù)開(kāi)始增大至完全飽和的時(shí)間。水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)與砂井的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 排導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖

一個(gè)土體單元中的流體損失和補(bǔ)給率是守恒的。依據(jù)達(dá)西定律建立滲透系數(shù)和水力梯度的表達(dá)式為：

式中：qz為豎向的下滲速率，m/s；kz為豎向滲透系數(shù)，m/s；?h ?z 為水力梯度。由于豎向砂礫石的滲透系數(shù)較黃土的滲透系數(shù)大，因此，地面積水沿著滲透性強(qiáng)的礫石層下滲。忽略水平向滲透量的影響，豎直砂井中流入的水量為：

式中： qin為流入流量，m3/s；ρ為水的密度，kg/m3；Δx、Δy 為x、y 方向的微單元長(zhǎng)度，m。流出土體單元的總流量進(jìn)一步表示為：

式中：qout為流出流量，m3/s。

單元在瞬態(tài)流動(dòng)過(guò)程中，水量損失或補(bǔ)給率可表示為

由質(zhì)量守恒定律可知，式（4）所示土體單元在瞬間流動(dòng)過(guò)程中儲(chǔ)存的水量必須等于凈流量（qin-qout），由此可得

進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

式（6）描述了飽和或非飽和條件下砂井中流體瞬態(tài)流的控制方程。

在砂井底部土層中的水流仍然服從達(dá)西定律流動(dòng)方程，砂礫石的滲透系數(shù)大于黃土的，因此在砂井底部出現(xiàn)流入量大于流出量現(xiàn)象，濕潤(rùn)鋒在重力和靜水壓力的作用下向下推進(jìn)?，F(xiàn)做兩個(gè)基本假設(shè)：（1）濕潤(rùn)峰前面的土體內(nèi)的吸力水頭是一個(gè)不隨時(shí)間和空間變化的常量；（2）濕潤(rùn)鋒后面的土體內(nèi)的含水量與相應(yīng)的滲透系數(shù)為不隨時(shí)間和空間變化的常量。在這些基本假定條件下，任意時(shí)刻t，黃土中單位截面的總?cè)霛B位移L 等于初始階段含水量的變化量與濕潤(rùn)鋒擴(kuò)散距離的乘積：

式中：L 為總?cè)霛B位移，m；θ0為濕潤(rùn)鋒后面土體的體積含水量，增濕后水分計(jì)最大值，%；θi為濕潤(rùn)鋒前面土體的體積含水量，水分計(jì)初始測(cè)定的值，%；z 為豎向濕潤(rùn)鋒擴(kuò)散距離，m。濕潤(rùn)鋒上的總水頭為h=hi-z，入滲率等于進(jìn)水邊界處的入滲率，可用達(dá)西定律近似的表示為：

式中：q 為飽和狀態(tài)時(shí)的入滲速率，m/s；hi為濕潤(rùn)鋒前面土體的吸力水頭，m；h0為濕潤(rùn)鋒后面土體的吸力水頭，m；k0為濕潤(rùn)鋒后面土體的滲透系數(shù)，m/s，常采用飽和時(shí)的值。

將式（7）代入式（8）消除變量z，結(jié)合t=0 時(shí)，L=0 的初始條件，對(duì)公式進(jìn)行積分，可得砂井底部黃土中濕潤(rùn)鋒總?cè)霛B位移和時(shí)間的關(guān)系為

式（9）建立了砂井底部黃土層中總?cè)霛B位移和經(jīng)歷時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。

4 砂井現(xiàn)場(chǎng)浸水的滲透試驗(yàn)

為了對(duì)比分析砂井不同埋深對(duì)變形的影響，將砂井埋置于濕陷性土層和非濕陷性土層內(nèi)，采用人工供水方式注水，并讓水分自然入滲，當(dāng)入滲量大于下滲量時(shí)，停止注水或減少水量，該階段暫定為注水期，停止注水后，讓水分自然消散，這一個(gè)階段定義為停水期。

4.1 砂井底部入滲規(guī)律的試驗(yàn)分析砂礫石具有較大的孔隙，從而水、氣在孔隙中產(chǎn)生流動(dòng)，隨著地面注水，水分沿著砂井砂礫層向下運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)測(cè)得砂礫石、濕陷性黃土和非濕陷性黃土在飽和狀態(tài)下的滲透系數(shù)分別為1.53×10-3、3.25×10-6和2.09×10-6m/s。當(dāng)砂礫石層的水分進(jìn)入底部黃土層后，濕潤(rùn)鋒向下發(fā)展，黃土也從非飽和狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)向飽和狀態(tài)，體積含水量增大，飽和帶黃土層的滲透系數(shù)進(jìn)一步增大，其控制方程見(jiàn)式（6）。由于黃土和砂礫層的滲透系數(shù)相差較大，在砂礫石和黃土交界面出現(xiàn)水位升高現(xiàn)象，并形成一定的水壓力，總勢(shì)能增加成為控制黃土孔隙中水平衡和遷移的重要因素。在SJ1 砂井外圍布置4 個(gè)水分采集儀，距離井底分別為5、10、14.8 和20.5 m，注水后，采集卡記錄水分采集儀的值。假設(shè)水分計(jì)周?chē)狞S土為均質(zhì)土，濕潤(rùn)鋒到達(dá)時(shí)，水分計(jì)讀數(shù)增大，達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)水分計(jì)最大。建立濕潤(rùn)鋒行進(jìn)距離與時(shí)間二分之一次方的關(guān)系并預(yù)測(cè)時(shí)間與濕潤(rùn)鋒行進(jìn)距離關(guān)系的函數(shù)如圖4。

圖4中顯示，在井底以下5 m 范圍內(nèi)，自重作用下，濕潤(rùn)鋒行進(jìn)距離Ls的速度隨時(shí)間增長(zhǎng)而增大，5～16 m 范圍內(nèi)，濕潤(rùn)鋒行進(jìn)距離Ls的速度最快，而大于16 m 厚度的黃土層中，濕潤(rùn)鋒行進(jìn)距離Ls的速度減緩。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查資料顯示，濕陷性黃土層埋深18.0 m，下面為非濕陷性黃土，說(shuō)明濕潤(rùn)鋒行進(jìn)距離Ls的速度與場(chǎng)地土層的滲透系數(shù)有關(guān)。

4.2 砂井中集水能力及增濕引起的變形分析現(xiàn)場(chǎng)布置5 座砂井，根據(jù)深度命名為SJ1、SJ2、SJ3、SJ4 和SJ5。砂井中填充直徑為0.5～5 cm 的砂礫石，孔隙率n=0.41，滲透系數(shù)k3=1.53×10-3m/s，由于砂礫石的滲透系數(shù)大，因此注水后，沿著排導(dǎo)砂井滲入井底，然后在井底向黃土層滲透，由于滲透系數(shù)的差異性，相對(duì)滲透系數(shù)較小的砂井底部黃土層逐漸出現(xiàn)水位升高現(xiàn)象，沿著砂井底部呈33°～45°的擴(kuò)散角向外滲透，砂井側(cè)壁不設(shè)防水層時(shí)，隨著井底水位的上升，形成一個(gè)燈泡狀滲透擴(kuò)散面，圖5為0、24、48 和72 d 砂井底部滲透等勢(shì)線(xiàn)變化值。

圖4 濕潤(rùn)鋒行進(jìn)距離Ls與時(shí)間二分之一次方的關(guān)系

圖5 濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間擴(kuò)散斷面圖

圖6 砂井埋深與沉降量關(guān)系

分別進(jìn)行SJ1—SJ5 砂井收集能力的監(jiān)測(cè)，砂礫石層液體流動(dòng)至砂井底部的時(shí)間通過(guò)水分采集儀的變化來(lái)反應(yīng)。記錄不同埋深點(diǎn)水分計(jì)開(kāi)始變化的時(shí)間，SJ1 砂井井底水分計(jì)在18.5 min 后開(kāi)始增大，而埋深較大的SJ5 砂井在265 min 后出現(xiàn)上述現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在SJ1—SJ5 砂井中分別注入20 m3清水，注水采取間斷緩慢方式進(jìn)行，歷時(shí)70 d，注水結(jié)束后為停水期，時(shí)間為40 d。礫石層滯后了水的行進(jìn)時(shí)間，埋深越大，歷時(shí)越長(zhǎng)。

試驗(yàn)開(kāi)始，注水期每天觀測(cè)兩次變形量，注水期結(jié)束后，每隔3 d 觀測(cè)一次變形量，圖6為SJ1—SJ5 砂井注水期和停水期的變形量監(jiān)測(cè)值。圖6的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，砂井埋深越淺，浸水引起的豎向變形越大（SJ1），同時(shí)也引起較大范圍的塌陷；砂井埋深越深，變形則相對(duì)較?。⊿J5），引起塌陷的范圍較小。

SJ1 砂井埋深置于濕陷性土層內(nèi)，底部以下濕陷性黃土層厚16.3 m，注水期引起砂井底部土層的含水量增大，發(fā)生增濕變形約135.0 cm，變形速率2.25 cm/s，停水期后變形發(fā)展則較為緩慢，經(jīng)過(guò)40 d 的變形監(jiān)測(cè)，SJ1 砂井累積變形量為144.71 cm，注水期變形量占總變形量的93%，水平向影響半徑為5.2 m；SJ2 砂井也位于濕陷性土層內(nèi)，砂井底部濕陷性黃土層厚10.5 m，注水期增濕變形量約104.74 cm，變形速率1.74 cm/d，停水期變形發(fā)展則較為緩慢，最終變形量為113.79 cm，注水期變形量占總變形量的92%，水平向影響半徑為3.6 m；SJ3 砂井井底濕陷性黃土厚度約2.4 m，注水期濕陷性變形量約16.42 cm，變形速率0.27 cm/d，停水期后的最終變形量為43.86 cm，注水期變形量占總變形量的37.4%，水平向影響半徑2.3 m；SJ4 砂井井底剛好置于非陷性土層，增濕僅僅引起非濕陷性土層的變形，注水期的變形量約6.44 cm，停水期后的最終變形量為34.09 cm，變形速率0.57 cm/d，注水期變形量占總變形量的26.7%，水平向影響半徑1.6 m；SJ5 砂井井底也置于非濕陷性土層內(nèi)，增濕引起非濕陷性黃土的變形，注水期的變形量約3.17 cm，變形速率0.05 cm/d，停水期后的最終變形量為17.64 cm，注水期變形量占總變形量的18.0%，水平向影響半徑0.94 m。

因此，砂井底部濕陷性黃土厚度越厚，越容易引起增濕變形的發(fā)展，且注水期發(fā)生的變形量最大。SJ4、SJ5 砂井則全部置于非濕陷性黃土層內(nèi)，注水引起非濕陷性黃土層的增濕變形，注水期變形量分別為6.44 cm 和3.17 cm，停水期分別增加了27.65 cm 和14.47 cm。圖6中，曲線(xiàn)越陡，變形速率越快，注水期間，SJ1 變形速率最大，而SJ5 的變形速率最??；停水期間，SJ3、SJ4、SJ5 的變形速率較注水期大。

砂井置于濕陷性土層和非濕陷性土層時(shí)，埋深是影響變形的重要因素，同時(shí)局部濕陷變形引起上部土體呈錐狀的變形，砂井中心變形量最大，隨著砂井埋深的變化，影響范圍也發(fā)生改變，豎向變形量愈大，錐形影響范圍也愈大，圖7為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的砂井埋深與水平向距離變形的關(guān)系。

砂井下部濕陷性土層越厚，豎向變形越大，引起水平向變形的范圍也最大，圖7中SJ1 砂井豎向變形量144.71 cm，水平向影響半徑5.2 m；砂井位于非濕陷性土層時(shí)，埋深愈深，變形愈小，引起周?chē)冃蔚姆秶灿?，圖7中SJ5 砂井的豎向變形最小，為17.67 cm，水平向影響半徑0.94 m。

圖7 砂井沉降量與水平距離的關(guān)系

通過(guò)試驗(yàn)可以得出如下結(jié)論，砂井埋置在濕陷性土層的增濕變形量遠(yuǎn)大于非濕陷性土層的值，且濕陷性土層愈厚，增濕變形愈大，水平影響范圍也愈大；砂井底部埋置深度超過(guò)濕陷性土層時(shí)，增濕引起的變形較小，引起的水平影響范圍最小。

工程實(shí)踐中，雨水收集系統(tǒng)的砂井埋深應(yīng)超過(guò)濕陷性黃土層，一方面可以有效收集地表雨水，延長(zhǎng)滲透時(shí)間，另一方面可以降低增濕引起的豎向變形量和水平向影響范圍，減少變形對(duì)周邊建筑物的影響。

5 結(jié)論

針對(duì)黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)設(shè)計(jì)了一種雨水收集系統(tǒng)，避開(kāi)了淺層黃土強(qiáng)濕陷區(qū)域，充分利用天然狀態(tài)下黃土高強(qiáng)度的力學(xué)特性。通過(guò)蓄、排的方式緩解了地表徑流，利用透水混凝土收集雨水，三七灰土和土工膜阻水，蓄水池蓄水，多余水分簡(jiǎn)單過(guò)濾后經(jīng)過(guò)砂井導(dǎo)入非濕陷性土層之外。砂井底部位于濕陷性和非濕陷性土層表現(xiàn)出變形量和發(fā)展速率的較大差異性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了砂井埋深與變形量的關(guān)系。

結(jié)果表明：位于濕陷性土層和非濕陷性土層的砂井，砂井埋深對(duì)變形的影響較大，SJ1 底部黃土埋深厚度最大，注水期增濕變形約135.0 cm，變形速率2.25 cm/d；停水期后累積變形量為144.71 cm，水平向影響半徑為5.2 m；SJ2 砂井底部濕陷性黃土層厚10.5 m，注水期增濕變形量約104.74 cm，變形速率1.74 cm/d，停水期累積變形量為113.79 cm，水平向影響半徑為3.6 m；SJ3 砂井底部濕陷性黃土厚度約2.4 m，注水期濕陷性變形量約16.42 cm，變形速率0.27 cm/d，停水期后累積變形量為43.86 cm，水平向影響半徑2.3 m，砂井底部位于濕陷性黃土層時(shí)，增濕引起的變形量與濕陷性土層厚度有關(guān)，濕陷性土層越厚，變形、變形速率越大，水平影響半徑也越大。SJ4、SJ5 砂井位于非濕陷性土層內(nèi)，埋深分別為18.0 和20.8 m，注水期SJ4、SJ5 砂井變形量分別為6.44 和3.17 cm，變形速率為0.11、0.05 cm/d，停水期累積沉降量為27.65 和14.47 cm，SJ4、SJ5 水平向影響半徑為1.6 和0.94 m，砂井埋深超過(guò)濕陷性土層時(shí)，埋深愈大，增濕引起的變形愈小，影響范圍也愈小，變形速率愈慢。

設(shè)計(jì)的一種黃土地區(qū)雨水收集系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)城市微觀單元的雨水控制，為降低城市雨洪峰值、緩解城市水患提供一項(xiàng)科學(xué)有效且實(shí)用的技術(shù)。