鄧朝顯，溫 馨，胡志平*，柴少波，馬 越，姬國(guó)強(qiáng)

(1. 陜西省西咸新區(qū)灃西新城開(kāi)發(fā)建設(shè)(集團(tuán))有限公司 海綿城市技術(shù)中心，陜西 咸陽(yáng) 712002；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引 言

近年來(lái)，極端天氣(或降雨)影響下的城市內(nèi)澇問(wèn)題常見(jiàn)報(bào)端，嚴(yán)重影響了人們?nèi)粘Ｉ?，?duì)城市的市政防排水系統(tǒng)也提出了更高要求。與此同時(shí)，部分城市由于地下水資源供給失調(diào)，地下水位逐年下降，甚至誘發(fā)了地面沉降或地裂縫等城市地質(zhì)災(zāi)害。為了緩解人地關(guān)系矛盾，推進(jìn)宜居型城市建設(shè)，中國(guó)已將海綿城市建設(shè)理念提升至國(guó)家戰(zhàn)略層面進(jìn)行全面推廣[1-9]。海綿城市在適應(yīng)極端環(huán)境變化方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)通過(guò)吸、蓄、滲、凈等多頭并舉的防排水措施分擔(dān)市政排水系統(tǒng)的壓力，避免城市出現(xiàn)洪澇的同時(shí)為地下水的補(bǔ)給提供了通道，蓄水則可以在需要時(shí)加以利用，極大地降低城市建設(shè)對(duì)生態(tài)水循環(huán)的影響[10-22]。

黃土在中國(guó)分布非常廣泛，占全國(guó)陸地面積的6.6%[23]。作為一種特殊土，濕陷性黃土遇水易產(chǎn)生濕陷和崩解，由滲水濕陷導(dǎo)致的房屋傾斜、道路塌陷、管線損壞等事件屢見(jiàn)不鮮。因此，如果直接照搬北京、東南沿海等地區(qū)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)在濕陷性黃土場(chǎng)地開(kāi)展海綿工程建設(shè)，將會(huì)產(chǎn)生很大的安全風(fēng)險(xiǎn)[24-26]。目前，學(xué)者針對(duì)濕陷性黃土場(chǎng)地海綿設(shè)施安全建設(shè)問(wèn)題已開(kāi)展部分研究。其中，韓松磊等指出在濕陷性黃土場(chǎng)地建設(shè)海綿城市時(shí)應(yīng)結(jié)合濕陷性黃土的特殊因素，劃分不同的管控分區(qū)來(lái)設(shè)定不同的海綿城市建設(shè)體系，濕陷性等級(jí)較高時(shí)，應(yīng)對(duì)海綿設(shè)施進(jìn)行全防滲處理，并在關(guān)鍵位置增設(shè)檢漏設(shè)施[27-28]；李杰等認(rèn)為在濕陷性黃土場(chǎng)地建設(shè)海綿城市需要增設(shè)減小濕陷性的技術(shù)措施，并提出海綿設(shè)施與建筑物的距離應(yīng)滿足《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50025—2018)中規(guī)定的對(duì)不同等級(jí)建筑物的防護(hù)要求[29-30]。

陜西省西咸新區(qū)作為國(guó)家第一批海綿城市試點(diǎn)地區(qū)，地處濕陷性較弱的渭河I級(jí)階地，對(duì)該地區(qū)海綿設(shè)施建設(shè)及風(fēng)險(xiǎn)防控措施已進(jìn)行了積極探索，相關(guān)工程實(shí)例及研究結(jié)果表明采用鋪設(shè)防滲膜或設(shè)置防滲墻等措施，有助于最大限度減小水分入滲對(duì)周邊建(構(gòu))筑物地基的影響，同時(shí)也能滿足海綿設(shè)施功能要求[31-33]。上述研究表明濕陷性黃土場(chǎng)地海綿設(shè)施采取相關(guān)防滲措施有利于降低雨水入滲引起周邊建(構(gòu))筑物的不利影響。防滲膜作為海綿設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)防控的重要措施之一，其應(yīng)用效果較好，但同時(shí)也易在施工時(shí)產(chǎn)生不可預(yù)知的破壞，且在與市政配套管線的搭接處也存在滲漏風(fēng)險(xiǎn)。部分學(xué)者就海綿設(shè)施和管道滲漏風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題開(kāi)展研究。王啟耀等對(duì)生物滯留設(shè)施中防滲膜不同滲漏位置發(fā)生滲漏時(shí)對(duì)道路的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)[33]；王俊茂對(duì)市政管道漏水對(duì)黃土場(chǎng)地浸水影響進(jìn)行評(píng)價(jià)并給出相關(guān)防治意見(jiàn)[34]。由此可見(jiàn)，濕陷性黃土場(chǎng)地海綿設(shè)施防滲措施滲漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)不容忽視，結(jié)合具體工況進(jìn)行易滲漏點(diǎn)雨水入滲對(duì)周邊地基基礎(chǔ)的影響分析，對(duì)工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防滲設(shè)施優(yōu)化至關(guān)重要。目前，數(shù)值模擬方法是開(kāi)展防滲膜滲漏情況下地基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的有效手段[35-38]，Geo Studio軟件可有效耦合地基滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，較為精準(zhǔn)體現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)含水量、應(yīng)力等變化規(guī)律。胡欣基于Geo Studio軟件對(duì)不同降雨條件下濕陷性黃土路基的水分場(chǎng)及變形進(jìn)行研究，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，分析論證了數(shù)值模擬的合理性[36]；李志強(qiáng)運(yùn)用Geo Studio軟件中Seep/W和Sigma/W模塊耦合計(jì)算方法解決了黃土深基坑工程變形預(yù)測(cè)問(wèn)題[37]。上述研究為海綿設(shè)施防滲措施對(duì)地基影響的科學(xué)評(píng)價(jià)提供了思路。

基于此，本文以陜西省西咸新區(qū)海綿城市灃西新城核心區(qū)某多層住宅小區(qū)為依托，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和建設(shè)資料，采用數(shù)值模擬方法，開(kāi)展近建筑物海綿設(shè)施易滲漏點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)分析，重點(diǎn)分析典型海綿設(shè)施中可能存在的易滲漏點(diǎn)雨水入滲對(duì)地基含水量以及沉降影響，為西咸新區(qū)周邊建筑物的海綿設(shè)施建設(shè)提供依據(jù)，同時(shí)為濕陷性黃土場(chǎng)地海綿城市建設(shè)工程中地基防滲處理提供參考。

1 工程背景

圖1 地質(zhì)剖面示意圖Fig.1 Schematic View of Geological Section

2 易滲漏點(diǎn)雨水入滲數(shù)值模型

為研究濕陷性黃土場(chǎng)地典型海綿設(shè)施易滲漏點(diǎn)雨水入滲對(duì)建筑物的影響規(guī)律，本文選擇建筑小區(qū)內(nèi)常見(jiàn)的兩種海綿設(shè)施(雨水花園和下沉式綠地)，分析其易滲漏點(diǎn)可能存在位置，并建立相關(guān)數(shù)值模型，研究不同滲漏點(diǎn)對(duì)建筑物的影響規(guī)律。

2.1 典型設(shè)施易滲漏點(diǎn)

周邊建筑物的常見(jiàn)典型海綿設(shè)施雨水花園和下沉式綠地構(gòu)造如圖2所示。由于海綿設(shè)施內(nèi)需進(jìn)行骨料填充，骨料的尖銳角可能會(huì)刺破側(cè)壁防滲膜進(jìn)而導(dǎo)致滲漏；室外地面與海綿設(shè)施結(jié)合部位可能存在雨水沿防滲膜壓邊位置產(chǎn)生側(cè)面土體滲流；另外，對(duì)于設(shè)施底部防滲膜，存在施工過(guò)程踩踏破壞及搭接處滲漏風(fēng)險(xiǎn)。易滲漏點(diǎn)如圖2中實(shí)心圓點(diǎn)標(biāo)記所示。

對(duì)雨水花園與下沉式綠地易滲漏點(diǎn)分布進(jìn)行對(duì)比分析，得其簡(jiǎn)化模型如圖3所示。由圖3(c)可知，由于雨水花園防滲膜鋪設(shè)段位置較下沉式綠地而言更靠近建筑基礎(chǔ)，其防滲膜鋪設(shè)段上的易滲漏點(diǎn)也更靠近建筑基礎(chǔ)，故雨水花園易滲漏點(diǎn)比下沉式綠地易滲漏點(diǎn)對(duì)建筑地基的影響更大，在后續(xù)的易滲漏點(diǎn)影響分析中，主要分析雨水花園易滲漏點(diǎn)對(duì)建筑地基的影響。

2.2 計(jì)算參數(shù)

2.2.1 荷載及邊界條件

邊界條件的確定直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)合工程實(shí)際，邊界條件的設(shè)置為：①左、右側(cè)邊界水平向位移約束+自由排水；②底邊界水平和豎直向位移約束+自由排水；③上邊界僅根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置220 kPa的均布荷載(q)。海綿設(shè)施凹槽底部根據(jù)實(shí)際降雨情況設(shè)置入滲邊界條件，其余均為不透水邊界。一般降雨下，海綿設(shè)施底部壓力水頭(△H)為0～0.2 m，當(dāng)海綿設(shè)施內(nèi)的積水超過(guò)0.2 m時(shí)，超過(guò)這一深度的積水會(huì)從設(shè)施溢流口流入市政管道排走，結(jié)合西安地區(qū)降雨特性，在此數(shù)值模擬中，選取“介于特殊情形之間”的水頭作為海綿設(shè)施底部增加的壓力水頭，即△H=0.2 m。荷載及邊界條件具體見(jiàn)表1。

表1 荷載及邊界條件Tab.1 Conditions of Loads and Boundary

2.2.2 土層計(jì)算參數(shù)

海綿設(shè)施滲流的影響主要發(fā)生在非飽和土體中，對(duì)于飽和土體則可以不考慮滲流影響。因此，本文只考慮水位線以上部分土體，其物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。根據(jù)各土層的物理力學(xué)指標(biāo)，運(yùn)用V-G模型由Geo Studio軟件[39]擬合得到模型的平均滲透系數(shù)為8 m·d-1。

表2 各土層的物理力學(xué)指標(biāo)Tab.2 Physical and Mechanical Parameters of Each Soil Layer

2.2.3 數(shù)值分析方法

在Geo Studio軟件中，采用Seep/W和Sigma/W模塊進(jìn)行流-固耦合分析。其中，Seep/W模塊進(jìn)行滲流場(chǎng)耦合分析，可求解滲流后的孔隙水壓力、土體含水量、滲流路徑等；Sigma/W模塊進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)耦合分析，可求解附加荷載下土體應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)等[36]。

L為防滲膜底部外延點(diǎn)距基礎(chǔ)距離，以平面尺寸為主圖2 典型海綿設(shè)施構(gòu)造(單位：mm)Fig.2 Structures of Typical Sponge Facilities (Unit: mm)

b為海綿設(shè)施底部實(shí)際入滲截面寬度; 實(shí)心圓點(diǎn)標(biāo)記為滲漏點(diǎn)圖3 雨水花園與下沉式綠地簡(jiǎn)化模型 及易滲漏點(diǎn)分布對(duì)比Fig.3 Simplified Models of Rainwater Garden and Sunken Green Space, and Comparison of Distribution of Leakage Points

基于Seep/W和Sigma/W模塊的耦合應(yīng)用，可以分析流-固完全耦合和流-固半耦合的工程問(wèn)題。相對(duì)于完全耦合分析的難以把控，半耦合分析具有更強(qiáng)的可操作性且滿足大多數(shù)工程要求精度。因此，本文采用流-固半耦合分析，其分析過(guò)程為：初始滲流場(chǎng)→初始應(yīng)力場(chǎng)→無(wú)附加荷載下的滲流場(chǎng)→附加荷載下的應(yīng)力場(chǎng)→滲流場(chǎng)。本文流-固半耦合數(shù)值分析具體流程如圖4所示。

3 雨水入滲對(duì)地基的影響

3.1 計(jì)算模型

為了研究各易滲漏點(diǎn)分別發(fā)生雨水入滲對(duì)建筑物的影響差異，假定每一次只在一個(gè)滲漏點(diǎn)發(fā)生滲漏，建立的幾何模型如圖5所示。相關(guān)研究指出，防滲膜底部外延點(diǎn)距基礎(chǔ)距離L≥1.5 m時(shí)，防滲保護(hù)措施對(duì)地基起到積極作用[32]，故本文取L=1.5 m。參考雨水花園實(shí)際尺寸設(shè)置入滲截面寬度為2.0 m。假設(shè)基底荷載在前100 d(施工階段)內(nèi)線性增加，第100～1 000 天時(shí)穩(wěn)定在220 kPa，海綿設(shè)施底部滲流從第100 天開(kāi)始，壓力水頭為0.2 m。

圖5 幾何模型Fig.5 Geometric Model

3.2 對(duì)地基沉降的影響

提取數(shù)值模型中不同易滲漏點(diǎn)滲水情況下建筑地基的沉降數(shù)據(jù)，可以繪制出地基沉降隨時(shí)間的變化曲線(圖6)。由圖6可知，各滲漏點(diǎn)雨水入滲對(duì)建筑地基沉降產(chǎn)生不同程度的影響，且沉降隨入滲時(shí)間增加而增加并趨于穩(wěn)定。其中，滲漏點(diǎn)1、2、3對(duì)地基沉降影響依次增大，滲漏點(diǎn)距離基礎(chǔ)越近產(chǎn)生的附加沉降越大。當(dāng)滲漏點(diǎn)3滲漏時(shí)間達(dá)到900 d時(shí)，較無(wú)滲漏時(shí)的地基沉降大約增加了4 mm。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[40]，中低壓縮性地基土上框架結(jié)構(gòu)的一般住宅允許的沉降差為0.002l(l為柱距)，若取柱距為5～8 m，則允許的沉降差為10～16 mm。由此可知，西咸新區(qū)周邊建筑物的海綿設(shè)施易滲漏點(diǎn)的驗(yàn)算沉降差滿足規(guī)范要求，且偏于安全。

圖6 滲漏點(diǎn)對(duì)建筑地基沉降的影響Fig.6 Influence of Leakage Points on Settlement of Building Foundation

4 任意位置滲漏對(duì)地基的影響

由于滲漏風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的不確定性，基于地基滲流場(chǎng)、位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等變化規(guī)律，進(jìn)一步判斷任意位置發(fā)生滲漏對(duì)鄰近建筑地基帶來(lái)的諸多影響。

4.1 計(jì)算模型

假定每一次只在一個(gè)滲漏點(diǎn)發(fā)生滲漏，滲漏點(diǎn)的壓力水頭為0.2 m。基底荷載等邊界條件、黃土等材料屬性的設(shè)置等參見(jiàn)第2.2節(jié)部分。任意滲漏點(diǎn)幾何模型見(jiàn)圖7。

圖7 任意滲漏點(diǎn)幾何模型Fig.7 Geometric Model of Any Leakage Point

4.2 對(duì)地基土飽和度的影響

提取數(shù)值模型中地基土的含水量，并基于此計(jì)算繪制任意位置滲漏持續(xù)時(shí)間為2 h時(shí)土體飽和度的分布曲線,如圖8所示。由此可知，滲漏點(diǎn)附近土體飽和度顯著增加，其最大增幅約為23%，此時(shí)距滲漏點(diǎn)0.1～0.2 m范圍內(nèi)土體達(dá)到飽和；同時(shí)，土體飽和度增加幅度以滲漏點(diǎn)為中心呈輻射狀減弱并逐漸趨于0；距滲漏點(diǎn)越遠(yuǎn)，土體飽和度越小并趨于初始土體飽和度。當(dāng)滲漏點(diǎn)距基底水平方向3 m以上時(shí)，基底土體飽和度趨于初始地基場(chǎng)飽和度，滲漏影響較小；若滲漏點(diǎn)鄰近基底，則需進(jìn)一步考慮滲漏點(diǎn)的影響。

圖8 滲漏點(diǎn)對(duì)土體飽和度的影響Fig.8 Influence of Leakage Point on Soil Saturation

4.3 對(duì)地基土有效應(yīng)力的影響

提取數(shù)值模型中地基土的有效應(yīng)力，繪制滲漏持續(xù)時(shí)間為2 h時(shí)，滲漏點(diǎn)對(duì)建筑地基土應(yīng)力的影響，如圖9所示。由此可知，滲漏點(diǎn)作用周圍土體的抗剪強(qiáng)度降低，地基土中存在著剪力與抗剪強(qiáng)度相等的極限平衡點(diǎn)，這些點(diǎn)連成滑移線。以滑移線的位置作為地基是否破壞的考察指標(biāo)?；凭€附近土體應(yīng)力在滲流場(chǎng)和附近應(yīng)力場(chǎng)作用下達(dá)到抗剪強(qiáng)度并發(fā)生破壞，故當(dāng)滑移線越靠近地面，地基近地面處易產(chǎn)生較大變形，甚至發(fā)生破壞。

圖9 滲漏點(diǎn)對(duì)建筑地基土應(yīng)力的影響Fig.9 Influence of Leakage Point on Soil Stress of Building Foundation

滲漏持續(xù)時(shí)間為2 h時(shí)，不同位置滲漏點(diǎn)對(duì)建筑地基土中滑移線分布的影響如圖10所示。在某固定水力條件下，由圖10中曲線1～3可知，當(dāng)滲漏點(diǎn)距建筑物基礎(chǔ)水平距離相同時(shí)，滲漏點(diǎn)越靠近海綿設(shè)施，地表處土體越易達(dá)到抗剪強(qiáng)度而發(fā)生破壞；由曲線3～6可知，同一水平面上的滲漏點(diǎn)對(duì)地基土穩(wěn)定性的影響隨其與基礎(chǔ)距離增加而減小。同時(shí)，滲漏對(duì)地基土有效應(yīng)力的影響與滲漏點(diǎn)和基礎(chǔ)邊緣間水平距離有關(guān)，即當(dāng)滲漏點(diǎn)距基礎(chǔ)邊緣水平距離大于1 m時(shí)，滲漏影響迅速降低。因此，實(shí)際工程中應(yīng)避免海綿設(shè)施底部距基礎(chǔ)邊緣水平距離1 m內(nèi)防滲膜破壞或設(shè)置防滲膜搭接，以減小滲漏造成地基不均勻沉降的風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 不同位置滲漏點(diǎn)對(duì)滑移線的影響Fig.10 Influence of Leakage Points at Different Positions on Slip Lines

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)陜西省西咸新區(qū)黃土場(chǎng)地海綿設(shè)施易滲漏點(diǎn)滲水時(shí)地基會(huì)產(chǎn)生不同程度的沉降。滲漏點(diǎn)距基礎(chǔ)邊緣距離越近，產(chǎn)生的附加沉降越大；滲漏引起的最大沉降量約為4 mm，滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)對(duì)框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沉降要求。

(2)雨水滲漏使?jié)B漏點(diǎn)周邊土體飽和度增加，抗剪強(qiáng)度降低。當(dāng)滲漏點(diǎn)距基礎(chǔ)邊緣水平距離大于1 m時(shí)，滲漏對(duì)地基強(qiáng)度的影響迅速降低；當(dāng)距離大于3 m時(shí)，基底土體飽和度變化較小，對(duì)地基影響微弱。

(3)本文工程背景下，滲漏導(dǎo)致地基破壞可能性較小，可采取避免防滲膜搭接于海綿設(shè)施底部拐角處等措施減少沉降風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，對(duì)于濕陷性等級(jí)較高的場(chǎng)地滲漏危險(xiǎn)性需要進(jìn)一步討論。