胡志平，溫 馨，張 勛，王 瑞，張亞國，穆 桐

(1. 長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710064； 2. 長安大學(xué) 地下結(jié)構(gòu)與工程研究所，陜西 西安 710064)

0 引 言

黃土在全球分布廣泛[1-6]，中國黃土主要分布于中西部地區(qū)。黃土作為一種亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的水敏性非飽和土，遇水后土體易崩解破壞，產(chǎn)生濕陷。由滲水濕陷導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)、房屋傾斜、道路塌陷等工程病害事件屢見報端，對人類正常生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重影響[7-11]。隨著新一輪西部大開發(fā)國家戰(zhàn)略的深入實施，作為黃河流域中上游的中西部地區(qū)，城鎮(zhèn)化率顯著提高，該地區(qū)廣泛分布的濕陷性黃土、復(fù)雜多變的水文特征以及相互矛盾的人地協(xié)調(diào)關(guān)系，使得城市內(nèi)澇(圖1)、市政道路塌陷、建筑物傾斜破壞等工程病害頻發(fā)，造成了重大經(jīng)濟損失。在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略的大力實施下，激發(fā)經(jīng)濟強勁增長的同時，堅持綠色發(fā)展，有序推進(jìn)水資源節(jié)約集約利用，成為中西部地區(qū)的重點難點工作之一。

圖(a)來源于東方天氣網(wǎng)(2016)；圖(b)來源于新浪網(wǎng)(2013)圖1 濕陷性黃土地區(qū)城市內(nèi)澇現(xiàn)象Fig.1 Urban Waterlogging in Collapsible Loess Area

建設(shè)具有自然積存、自然滲透、自然凈化功能的海綿城市是國家新型城鎮(zhèn)化實施的重要舉措，為解決中國城市建設(shè)發(fā)展中所面臨的水環(huán)境、水災(zāi)害與水資源問題提供了有效途徑。海綿城市建設(shè)理念于2012年正式提出，2014年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[12]為其在全國推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐?！笆濉逼陂g，全國共計30個國家級海綿城市建設(shè)試點，有9個涉及黃土地質(zhì)(圖2)。30個試點城市累計完成海綿城市建設(shè)項目4 979個，涉及約2 576個小區(qū)和1 093條道路的改造，完成了約3 400 km管網(wǎng)改造與建設(shè)，建設(shè)理念日趨完善和豐富。國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)中明確強調(diào)要“增強城市防洪排澇能力，建設(shè)海綿城市、韌性城市”，海綿城市建設(shè)已納入國家中長期規(guī)劃。

圖2 中國黃土地區(qū)海綿城市試點分布Fig.2 Distribution of Pilot Sponge Cities in Loess Area of China

濕陷性黃土地區(qū)城市內(nèi)澇頻發(fā)，雨水資源利用不合理問題的日益凸顯使得該類地區(qū)海綿城市建設(shè)越發(fā)重要和迫切。陜西省西咸新區(qū)作為國家首批海綿城市建設(shè)試點城市建設(shè)集中地區(qū)，對黃土地區(qū)海綿設(shè)施建設(shè)及風(fēng)險防控措施進(jìn)行了積極探索，該地區(qū)人居環(huán)境及雨洪管理情況有明顯改善提升，典型海綿設(shè)施建設(shè)如圖3所示。

對于濕陷性黃土地區(qū)，海綿城市建設(shè)的適宜性備受關(guān)注與質(zhì)疑：下墊面雨水停留時間增加、滲蓄總量提升和地表徑流集中入滲等海綿設(shè)施功能的實現(xiàn)，與黃土災(zāi)害防治中保持水環(huán)境穩(wěn)定相矛盾；工程實踐中，為避免設(shè)施水分入滲誘發(fā)工程病害而采取全面防滲，與海綿城市建設(shè)理念相左。在濕陷性黃土地區(qū)開展海綿城市建設(shè)，恢復(fù)城市良性水文循環(huán)，保護或修復(fù)城市生態(tài)系統(tǒng)的同時，如何保證濕陷性黃土場地穩(wěn)定性，有效避免設(shè)施水分集中入滲導(dǎo)致土體強度弱化、地基產(chǎn)生不均勻變形，進(jìn)而對設(shè)施周邊建(構(gòu))筑物安全造成影響，是學(xué)術(shù)界和工程界共同面對和亟需解決的問題。

基于上述考慮，本文針對濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)發(fā)展問題，通過分析國內(nèi)外學(xué)者在海綿城市建設(shè)技術(shù)和濕陷性黃土中水分遷移及致災(zāi)機理等方面的相關(guān)研究成果，對濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)所面臨的問題和挑戰(zhàn)進(jìn)行了探討。

1 研究進(jìn)展

1.1 黃土中的水分運移規(guī)律

近年來，黃土濕陷滲透過程及特性研究主要涉及黃土水分入滲規(guī)律、入滲影響因素及理論方法等方面。很多學(xué)者針對黃土中水分運移規(guī)律開展了現(xiàn)場或室內(nèi)水分入滲試驗研究(表1)。研究表明：對于濕陷性黃土場地，若不采取導(dǎo)水入滲措施，水的入滲較為有限；同時，入滲特性與土性參數(shù)有關(guān)，主要包括初始含水率、土體飽和度及滲透系數(shù)等；不同初始條件(水頭、入滲時間及場地)下黃土入滲規(guī)律不盡相同[13-19]。

為深入探究黃土中水分入滲的影響因素，Haeri等針對伊朗Gorgan地區(qū)原狀和重塑黃土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)初始含水率、初始干密度等因素對黃土濕陷性能和滲透系數(shù)都有很大的影響[20]。Wang等對不同溫度梯度、密實度、初始含水率條件下非飽和黃土試樣的水分運移規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：較大的溫差和較小的土壤密度會導(dǎo)致土壤樣品兩端的水分遷移更明顯，水分含量差異更大；初始含水率較大和較小時，溫差引起的含水率差異均較??；而初始含水率適中時，由溫度引起的含水率變化差別很大[21]。Hou等通過對甘肅鄭寧地區(qū)典型黃土在降雨條件下含水率、蒸發(fā)量、溫度變化進(jìn)行為期1年的監(jiān)測，認(rèn)為黃土在水分入滲過程中可分為濕潤層、不穩(wěn)定層及穩(wěn)定層，并對大厚度黃土雨水補充地下水問題進(jìn)行討論[22]。同時，不少學(xué)者基于電鏡掃描、CT掃描及核磁共振技術(shù)，對黃土浸水后孔隙結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究。Li等通過對濕潤后濕陷性黃土進(jìn)行電鏡掃描和礦物成分分析，得到濕陷性黃土具有開放的結(jié)構(gòu)，黃土潤濕后，黏土骨料的崩解(膠結(jié)物)、碳酸鹽膠結(jié)物和其他黏合劑的分解會引發(fā)土壤結(jié)構(gòu)的破壞[23]。Li等基于孔隙面積比、尺寸、形狀和形態(tài)等指標(biāo)對不同深度馬蘭黃土的孔微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量研究，認(rèn)為長而不規(guī)則的大孔和中孔對黃土的滲透性有顯著影響[24]。

圖3 陜西省西咸新區(qū)黃土場地典型海綿設(shè)施Fig.3 Typical Sponge Facilities of Loess Site in Xixian New Area, Shaanxi Province

基于土-水相互作用對水分入滲理論研究方面，早在1904年普金漢就提出了毛管勢的概念，創(chuàng)立了水向土中入滲的理論基礎(chǔ)；Green-Ampt提出了基于毛管理論的入滲模型，該模型在20世紀(jì)50年代被廣泛應(yīng)用于初始干燥土壤在薄層積水時的入滲問題，因其具有明確的物理意義及概念，已成為應(yīng)用率最高的物理計算模型[25]。后來，國內(nèi)外很多學(xué)者對Green-Ampt模型進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。Mein等分別以該理論為基礎(chǔ)，針對雨水入滲時徑流產(chǎn)生條件對模型進(jìn)行了改進(jìn)[26-27]；張杰以積水條件下Green-Ampt入滲模型為基礎(chǔ)，拓展其在變雨強中入滲率和累積入滲量計算形式[28]；Deng等對Green-Ampt模型進(jìn)行改進(jìn)，使其適用于層狀非均質(zhì)土，使該理論的適用性進(jìn)一步擴大[29]；王文焰等以Green-Ampt入滲模型為基礎(chǔ)，將飽和層與傳導(dǎo)層統(tǒng)一視為飽和區(qū)，而將非飽和濕潤層的含水率變化視為施加于飽和區(qū)的基質(zhì)吸力，得出了適用于黃土的積水入滲模型[30]；溫馨等基于黃土入滲飽和-非飽和分層假定，考慮入滲過程中土體實際滲透系數(shù)隨深度的變化，對Green-Ampt模型進(jìn)行修正，并用實例進(jìn)行了驗證，發(fā)現(xiàn)相比于WGAM模型和Kostiakov模型，修正模型在黃土區(qū)的應(yīng)用效果更好[31]。Richards于1931年提出了非飽和滲流方程，該理論為水分入滲的數(shù)值計算提供了基礎(chǔ)[32]。Neuman等運用有限元法分析了非飽和土滲流，并提出了預(yù)測非飽和土土-水特征曲線和非飽和滲透系數(shù)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，進(jìn)一步完善了非飽和滲流理論體系[33-35]；張振華等基于水量平衡原理，分別運用入滲率和累積入滲量、實際入滲深度之間的圖形關(guān)系，獲得基質(zhì)吸力和表征導(dǎo)水率，并對累積入滲量和浸潤鋒進(jìn)行預(yù)測[36]；李萍等基于已有的土-水特征曲線及Childs & Collis-Geroge模型，提出了預(yù)測非飽和滲透系數(shù)的模型，計算得到了非飽和黃土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力或含水率的關(guān)系[37]。

綜上所述，濕陷性黃土在浸水條件下的飽和深度是有限的，土體固有性質(zhì)及外部環(huán)境條件均會對黃土入滲規(guī)律產(chǎn)生影響。但黃土水分入滲機理仍存在認(rèn)識不充分情況，如造成黃土中雨水集中入滲與降雨散點面入滲運移規(guī)律差異的原因是什么？大厚度濕陷性黃土包氣帶中水分是通過何種方式運移進(jìn)而補充地下水？同時，黃土中的豎向節(jié)理、裂縫孔洞及植物根系是如何對雨水入滲起控制作用的？不同場地和濕陷性等級的黃土中水分運移規(guī)律有何區(qū)別，其本質(zhì)原因是什么？解決以上問題，可從微觀多孔介質(zhì)力學(xué)與宏觀外部環(huán)境因素綜合考慮，基于土-水-氣相互作用原理，對土體各要素變化規(guī)律進(jìn)行分析概化，建立不同類型黃土中的水分運移模型，科學(xué)描述黃土中的水分遷移過程，揭示濕陷性黃土場地雨水入滲機理，進(jìn)而提高濕陷性黃土場地雨水入滲行為的評價和預(yù)測水平。

1.2 黃土的濕陷特性與濕陷機理

黃土濕陷性研究對黃土地區(qū)的工程安全具有重要的現(xiàn)實意義。不少學(xué)者針對黃土浸水的濕陷規(guī)律進(jìn)行了研究[38-39]。黃土濕陷是地質(zhì)、物理、化學(xué)綜合作用的結(jié)果，目前黃土濕陷的原因和機理認(rèn)識在黃土工程領(lǐng)域尚未統(tǒng)一，一般認(rèn)為黃土產(chǎn)生濕陷具有3個必要條件：①黃土地層具有大孔隙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；②黃土骨架顆粒之間的膠結(jié)強度低，且屬于水穩(wěn)性差的膠結(jié)類型；③黃土受到浸水作用，導(dǎo)致黃土含水率或飽和度顯著增高，使得粒間接觸膠結(jié)破裂。其中，前兩個條件屬于內(nèi)部因素，最后一個條件屬于外部因素。濕陷性黃土具有粒徑為0.005～0.075 mm 的顆粒(黏?；蚍哿?所構(gòu)成的孔隙很大的粒狀架空結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在單位體積內(nèi)粒間接觸點少，骨架顆?？蓜佣却?，極易失去穩(wěn)定，這是產(chǎn)生濕陷的基本條件。構(gòu)成黃土結(jié)構(gòu)的骨架顆粒除碎屑礦物外，部分由黏-粉顆粒集合成的內(nèi)部膠結(jié)強度較高的團粒組成。在壓力或浸水作用下，結(jié)構(gòu)變形主要是粒間接觸膠結(jié)破裂造成的。

表1 黃土水分入滲試驗結(jié)果

黃土產(chǎn)生濕陷的機理即是在浸水作用下，具有大孔隙結(jié)構(gòu)的黃土粒間接觸膠結(jié)破裂，使得大孔隙結(jié)構(gòu)破壞，黃土孔隙率降低的一種現(xiàn)象(圖4)。同時，黃土骨架顆粒間的膠結(jié)性質(zhì)較復(fù)雜，根據(jù)對水的反應(yīng)可分為水穩(wěn)膠結(jié)(鐵的氧化物和已陳化的碳酸鹽膠結(jié)等)和非水穩(wěn)膠結(jié)(毛細(xì)膠結(jié)和溶鹽結(jié)晶等)兩類。在干旱條件下形成的膠結(jié)一般以非水穩(wěn)膠結(jié)占優(yōu)勢；在潮潤條件下形成的膠結(jié)一般以水穩(wěn)膠結(jié)占優(yōu)勢。對于介于水穩(wěn)膠結(jié)和非水穩(wěn)膠結(jié)之間的黏膜膠結(jié)則決定于水膜楔入后孔隙溶液中離子的濃度和成分以及所發(fā)生的膠體化學(xué)變化。如果黃土粒間膠結(jié)以非水穩(wěn)膠結(jié)占優(yōu)勢，同時水膜楔入后有利于黏膜膠溶，則水浸入后粒間膠結(jié)強度急劇降低，表現(xiàn)為濕陷性強烈[40]。

為進(jìn)一步探究黃土濕陷影響因素，李萍等通過對甘肅隴東地區(qū)黃土的研究，建立了濕陷系數(shù)和各物理指標(biāo)間的分析模型，認(rèn)為濕陷系數(shù)和各物理指標(biāo)間具有較好的相關(guān)性[41]。井彥林等通過擊實試驗發(fā)現(xiàn)黃土在擊實過程中的變形特性可反映黃土的濕陷性,黃土的擊實效果同其濕陷性具有相關(guān)性[42]。邵生俊等利用因子分析法對兩個濕陷性黃土場地的地層物性指標(biāo)進(jìn)行了分析，確定了含水比(含水率與液限之比)和孔隙比為兩個相對獨立因子，研究了含水比、孔隙比與相關(guān)濕陷性參數(shù)之間的關(guān)系[43]。Zhang等研究認(rèn)為基質(zhì)吸力的改變對黃土發(fā)生濕陷作用具有較大影響[44]。Shao等從微觀角度出發(fā)，對黃土濕陷前后的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行描述，建立了微觀結(jié)構(gòu)演變與坍塌行為之間的相關(guān)性[45-46]。

圖4 黃土濕陷過程示意圖Fig.4 Schematic View of Loess Collapsibility Process

還有部分學(xué)者從黃土濕陷機理入手，對黃土濕陷量的計算方法進(jìn)行了研究。Jing等基于實驗室黃土滲透試驗和CT掃描試驗，提出了一種確定黃土濕陷深度的方法[47]；Xie等指出濕陷性黃土在潤濕過程中，基質(zhì)吸力下降過程分為3個不同的階段，即濕陷前、濕陷中和塌陷后階段，并提出了一種用于由潤濕導(dǎo)致濕陷的預(yù)測方法[48]；邵生俊等根據(jù)黃土沉積年代和基本物性指標(biāo)確定構(gòu)度和壓縮結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，依據(jù)孔隙比與壓縮應(yīng)力比的關(guān)系描述天然含水率黃土和浸水飽和黃土的壓縮曲線，提出了飽和自重作用下黃土自重濕陷系數(shù)和場地自重濕陷變形的評價方法[49]。

盡管從理論推導(dǎo)、物理試驗等方面對黃土的濕陷性做了大量研究工作，對黃土濕陷性的認(rèn)識從宏觀深入到微觀，對其影響因素認(rèn)識不斷深入，但仍存在以下問題：濕陷變形作為黃土在水-力耦合作用下的典型現(xiàn)象，水進(jìn)入土體后如何改變土體應(yīng)力狀態(tài)？黃土產(chǎn)生濕陷變形時其物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生何種變化？化學(xué)場、滲流場和溫度場等多場耦合作用會對黃土濕陷變形產(chǎn)生什么影響？單層和多層黃土濕陷機理及過程演化有何區(qū)別及造成這種區(qū)別的原因？在工程實際中如何在計算方法中合理體現(xiàn)黃土濕陷性，相關(guān)計算參數(shù)的獲取方法及物理意義是否規(guī)范？為此，需要正確認(rèn)識和理解土體微觀結(jié)構(gòu)要素與外部環(huán)境間的相互作用關(guān)系，構(gòu)建宏觀力學(xué)行為表現(xiàn)與微觀結(jié)構(gòu)變化間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而準(zhǔn)確刻畫不同狀態(tài)下的黃土濕陷特性。同時，結(jié)合黃土中水分運移機制，在數(shù)學(xué)、力學(xué)和數(shù)值方法的支持下，探索建立黃土水分入滲與增濕變形的定量計算方法和評價體系。

1.3 濕陷性黃土地區(qū)的海綿城市建設(shè)

濕陷性黃土地區(qū)建設(shè)海綿城市對城市雨洪控制、水資源管理和城市景觀環(huán)境等方面具有積極作用。海綿設(shè)施徑流調(diào)控效果評價方面，陜西省西咸新區(qū)作為中國濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)集中地區(qū)，進(jìn)行低影響開發(fā)設(shè)施改造后，降雨時道路積水情況得到改善，年徑流總量控制率及污染負(fù)荷率大幅度減小[50-51]；蔣春博等分別對黃土場地下入滲型和防滲型雨水花園徑流削減量和污染物削減量進(jìn)行為期兩年的監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)以原狀土為填料的防滲型雨水花園設(shè)施水量削減率為69.14%，徑流污染物年負(fù)荷削減率基本在70%以上[52]；張彬鴻等通過分析雨水花園對屋面和建筑小區(qū)雨水徑流調(diào)控效果，得到類似結(jié)果[53-54]。同時，為更好地實現(xiàn)設(shè)施自然凈化功能，李鵬等驗證了不同填料類型、填料組合方式、填料厚度、污染物特性及植被條件因素對典型黃土地區(qū)生物滯留槽的徑流水質(zhì)處理效果，認(rèn)為粉煤灰填料下植被為黃楊和麥冬草時，滯留槽去除污染物綜合效果最優(yōu)[55]；王晨光等通過添加聚丙烯酰胺(PAM)對黃土地區(qū)城市綠地?fù)Q填介質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，提高其滲透性能及污染物削減性能[56]；郝珊等探討了不同物料配比對西咸新區(qū)土壤滲透性改良劑污染物凈化效果的影響，認(rèn)為對于體積比為0.5∶1.5的生物質(zhì)炭，堆肥添加1% PAM的綠地土壤換填介質(zhì)在黃土地區(qū)性能較優(yōu)[57]。

同時，由于海綿設(shè)施功能發(fā)揮受土壤基質(zhì)條件、植被條件、設(shè)施結(jié)構(gòu)形式、降雨特征及堵塞狀態(tài)等因素影響[58-61]，在濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)過程中，不少學(xué)者基于設(shè)施應(yīng)用場景、場地水文地質(zhì)條件對典型海綿設(shè)施開展設(shè)計優(yōu)化研究。例如，司建輝等基于濕陷性黃土工程實際背景，基于埋深、開孔率、壁厚等參數(shù)變化對濕陷性黃土地區(qū)預(yù)制裝配式滲井結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化[62]；張亮認(rèn)為濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)盡量采用淺層、小型的雨水入滲設(shè)施[63]；司佳等提出濕陷性黃土場地下市政道路應(yīng)采取底部鋪設(shè)PE防水土工布進(jìn)行全防，并在植草溝兩側(cè)澆筑混凝土擋墻保證道路路基安全[64]；馬越等通過“L”型鋼筋混凝土擋墻支護和生物滯留介質(zhì)人工換填等技術(shù)手段較好解決了濕陷性黃土地質(zhì)、原土滲透性能差等制約低影響開發(fā)設(shè)施設(shè)計的不利因素[65-66]。上述研究為濕陷性黃土地區(qū)海綿設(shè)施建設(shè)提供幫助。但當(dāng)前制約濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵之一是海綿設(shè)施滯蓄功能的發(fā)揮與黃土浸水易產(chǎn)生次生災(zāi)害之間的矛盾，即雨水通過海綿設(shè)施入滲極易引起地基濕陷變形，從而導(dǎo)致建(構(gòu))筑物不均勻沉降甚至變形破壞。因此，濕陷性黃土場地海綿設(shè)施設(shè)計優(yōu)化過程中應(yīng)將水分入滲對地基結(jié)構(gòu)性影響予以考慮，而當(dāng)前國內(nèi)外對設(shè)施雨水入滲與復(fù)雜水文地質(zhì)環(huán)境的相互影響問題研究較少。D’Aniello等基于數(shù)值模擬對4種設(shè)施底部長度的低影響開發(fā)設(shè)施在非均質(zhì)土中的雨水入滲影響進(jìn)行探究，認(rèn)為設(shè)施底部水分入滲體積隨底部長度增加而呈冪級增長，設(shè)施底部完全封閉對設(shè)施水力性能有顯著影響[67-68]；柴少波等通過分析濕陷性黃土場地海綿設(shè)施雨水入滲對場地滲流場及位移場的變化規(guī)律，得到了西咸新區(qū)典型海綿設(shè)施雨水下滲對周邊建筑物和市政道路的影響規(guī)律[69-71]；王啟耀等分別在臨近市政道路和建筑物的生物滯留設(shè)施中防滲措施發(fā)生滲漏時，評價了雨水對道路和地基的影響[72-73]；王子健等分別在下凹式綠地和雨水花園采取防滲措施條件下，對最不利降雨條件下海綿設(shè)施雨水入滲對地基場影響進(jìn)行評價，認(rèn)為該防滲措施可有效保護近設(shè)施建(構(gòu))筑物安全[74-75]。

由上述研究可知，國內(nèi)外對濕陷性黃土地區(qū)海綿城市的研究主要集中在海綿城市雨洪管理的有效性及海綿設(shè)施設(shè)計參數(shù)、徑流量控制、面源污染凈化等方面，關(guān)于黃土地區(qū)海綿設(shè)施雨水入滲影響范圍的研究較少，現(xiàn)有關(guān)于黃土地區(qū)雨水入滲影響評價多從單層均質(zhì)土、連續(xù)降雨條件等方面開展。由于海綿設(shè)施內(nèi)部結(jié)構(gòu)多為層狀結(jié)構(gòu)，且不同降雨條件下土體入滲特性各異，所以雨水在層狀黃土中入滲機理及入滲范圍的研究仍有待更為細(xì)致深入的展開，設(shè)施水分入滲所產(chǎn)生的滯蓄災(zāi)害風(fēng)險及防控措施研究仍有待加強。

2 面臨的問題與挑戰(zhàn)

本文結(jié)合濕陷性黃土水分入滲研究成果和海綿城市建設(shè)工程經(jīng)驗，梳理了濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)和研究過程中可能面臨的問題與挑戰(zhàn)。

2.1 面臨的問題

(1)海綿城市建設(shè)的戰(zhàn)略需求旺盛，但科技支撐薄弱。在新一輪西部大開發(fā)、“一帶一路”倡議、黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展等國家政策的推動下，海綿城市建設(shè)作為減少城市水災(zāi)水患、改善人居環(huán)境的基礎(chǔ)性綜合市政工程，可預(yù)見各地的新增及改建項目將繼續(xù)呈增長趨勢，需求非常旺盛[76-91]。當(dāng)前，學(xué)術(shù)界對濕陷性黃土等特殊土地區(qū)的海綿城市研究多集中于設(shè)施本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和峰值徑流量的削減效果方面，而海綿城市建設(shè)中的雨水花園、植草溝等雨水徑流集中入滲設(shè)施對地基的影響和風(fēng)險研究仍處于起步階段。同時，部分設(shè)施建造實踐經(jīng)驗領(lǐng)先于理論研究，相應(yīng)技術(shù)較成熟，而相關(guān)理論還不完善，導(dǎo)致相應(yīng)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和指南相對滯后。當(dāng)前的黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)工程實踐主要依據(jù)經(jīng)驗性工程類比、《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[12]及《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50025—2018)[92]進(jìn)行應(yīng)用示范與推廣，濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)、維護和更新的設(shè)計方法與施工工藝缺乏相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程或指南等技術(shù)性文件，對工程實踐的科技支撐非常薄弱。

(2)海綿城市建設(shè)強調(diào)雨水的“滲、滯、蓄”與黃土的水敏性和濕陷性矛盾突出，黃土場地的海綿功能定位有待調(diào)整。黃土水敏性和濕陷性使其遇水極易觸發(fā)土體災(zāi)變，而海綿城市建設(shè)中的滯蓄功能要求進(jìn)一步增大了黃土場地基礎(chǔ)設(shè)施的災(zāi)變風(fēng)險。濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)試點城市很多海綿設(shè)施底部采用了全面防滲措施來規(guī)避雨水入滲所帶來的建(構(gòu))筑物地基和基礎(chǔ)安全風(fēng)險。為保證海綿城市功能的有效發(fā)揮，且不影響周圍建(構(gòu))筑物的安全運營，針對不同濕陷性等級、場地類型和應(yīng)用場景，對海綿設(shè)施的功能定位進(jìn)行調(diào)整非常必要。

(3)海綿城市建設(shè)冒進(jìn)式開發(fā)與總體供給不足，規(guī)劃水平有待提高。目前，在新型城鎮(zhèn)化和改善人居環(huán)境雙重推動下，試點城市政府對推動海綿城市建設(shè)的工作力度比較大，但在舊城區(qū)和新城區(qū)的布局不均衡。新城區(qū)因為海綿設(shè)施實施容易，規(guī)劃很超前；舊城區(qū)因為原建設(shè)水平較低，需求很大，但因工程造價高和實施困難致使供給不足。部分濕陷性黃土場地準(zhǔn)備建設(shè)滯蓄型海綿設(shè)施，但對濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)的風(fēng)險防控措施研究不夠重視，使之存在一定風(fēng)險。如果照搬深圳、上海等海綿城市建設(shè)經(jīng)驗，不考慮黃土的特殊性，很容易引發(fā)較大工程風(fēng)險。當(dāng)前海綿城市建設(shè)往往基于已有市政工程的改擴建，為避免規(guī)劃落地即落后的現(xiàn)象發(fā)生，在海綿城市規(guī)劃建設(shè)中，除滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的同時，應(yīng)從系統(tǒng)角度出發(fā)，經(jīng)水文氣象、城市規(guī)劃、巖土地質(zhì)、結(jié)構(gòu)安全等多方專家綜合論證，因地制宜，在原有城市規(guī)劃基礎(chǔ)上，提升海綿城市規(guī)劃水平。

2.2 面臨的挑戰(zhàn)

(1)對濕陷性黃土地區(qū)海綿城市的功能劃分、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工法等開展系列攻關(guān)研究，探索并形成濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)的成套技術(shù)。由于海綿設(shè)施類型眾多，常見的類型主要包括生物滯留設(shè)施、植草溝、下沉式綠地、滲透塘及滲井等，且黃土的結(jié)構(gòu)性和濕陷性差異很大，不同的建筑結(jié)構(gòu)體系和基礎(chǔ)類型對地基不均勻沉降的敏感性不同，破壞機制也不同。海綿城市作為大型綜合市政基礎(chǔ)設(shè)施，為避免因海綿設(shè)施雨水入滲對建(構(gòu))筑物產(chǎn)生病害，應(yīng)系統(tǒng)地對不同地層條件、不同滲流邊界和不同建筑物環(huán)境開展不同應(yīng)用場景(建筑與小區(qū)、市政道路及城市綠地與廣場等)下海綿設(shè)施功能定位調(diào)整、結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化及施工工藝完善等研究，任務(wù)艱巨。

(2)建立基于經(jīng)濟與安全平衡化的濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)風(fēng)險評估理論，構(gòu)建濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)的適宜性評價體系。綜合運用地質(zhì)、水文和管理相關(guān)知識和理論，在黃土場地海綿設(shè)施雨水入滲理論及影響范圍等研究的基礎(chǔ)上，尋找黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)中雨水入滲的可控臨界范圍，化解設(shè)施雨水入滲與場地水環(huán)境穩(wěn)定的矛盾關(guān)系，構(gòu)建濕陷性黃土地區(qū)不同應(yīng)用場景和海綿設(shè)施類型的風(fēng)險評估與防控理論，結(jié)合海綿城市建設(shè)、運營及維護全壽命周期的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，優(yōu)化不同風(fēng)險防控措施并開展其在濕陷性黃土場地的適應(yīng)性評價。

(3)明確海綿城市建設(shè)規(guī)劃在城市總體規(guī)劃中的定位，規(guī)范海綿城市建設(shè)規(guī)劃技術(shù)體系，優(yōu)化規(guī)劃方法，推進(jìn)黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)規(guī)劃的編制工作，貫徹落實黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展要求。必須牢固樹立并切實貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，城鎮(zhèn)化建設(shè)高效推進(jìn)的同時，必須確保黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)的安全。

3 結(jié) 語

(1)海綿城市建設(shè)作為城市雨洪控制和水資源管理的有效手段，在洪澇災(zāi)害頻發(fā)、水資源分布不均勻的濕陷性黃土地區(qū)開展十分必要?；诋?dāng)前黃土水分入滲規(guī)律、濕陷機理和海綿城市建設(shè)研究現(xiàn)狀，總結(jié)濕陷性黃土地區(qū)海綿城市安全有效推進(jìn)所面臨的問題主要有：海綿城市建設(shè)的戰(zhàn)略需求旺盛，但科技支撐薄弱；海綿城市建設(shè)強調(diào)雨水的“滲、滯、蓄”與黃土的水敏性和濕陷性矛盾突出，黃土場地的海綿功能定位有待調(diào)整；海綿城市建設(shè)冒進(jìn)式開發(fā)與總體供給不足，規(guī)劃水平有待提高。

(2)為了克服上述問題，提高海綿城市開發(fā)質(zhì)量，當(dāng)前面對的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在：差異化地層條件、滲流邊界和應(yīng)用場景下濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)的成套技術(shù)研發(fā)；濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)的適宜性評價體系和風(fēng)險評估理論構(gòu)建；黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)規(guī)劃的方法優(yōu)化。

謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給長安大學(xué)七十周年華誕，祝愿母校桃李天下、蒸蒸日上！1993年9月，我從瀟湘小山村來到久負(fù)盛名的十三朝古都西安，母校老師們的辛勤培育豐富了我的專業(yè)知識，塑造了我的人生觀，磨練了我的韌性毅力。1998年到2001年，我有幸拜到趙法鎖老師門下攻讀碩士學(xué)位，趙老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和“治學(xué)先為人”的準(zhǔn)則，使我受益終生。2004年8月，我從同濟大學(xué)地下建筑與工程系博士畢業(yè)后回到母校，成為一名光榮的教師，有幸見證了母校的蓬勃發(fā)展，也再次得到母校的培養(yǎng)和許多老師的鼓勵和幫助，特別是彭建兵院士、門玉明教授、范文教授、錢會教授和李同錄教授等對我的工程科學(xué)思維和科研工作能力的提高影響深遠(yuǎn)！回首近三十年的學(xué)習(xí)、工作和生活，深深感受到是偉大的母校改變了來自偏遠(yuǎn)山村的我，深刻認(rèn)識到知識、思維和毅力的珍貴，飲水思源，感恩母校，拜謝師恩！母校深情似海，同學(xué)友誼難忘！感謝母校及各位老師的辛勤培育，祝福母校各項事業(yè)再創(chuàng)輝煌！