湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统及施工方法
【专利摘要】本发明公开了湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统及施工方法，通过设置下凹绿地和防水土工布，保护道路下方湿陷性黄土土质安全稳定的同时将下渗量最大化；利用下凹绿地及土壤自身的蓄水、下渗和净化能力，将降雨直接补偿城市地下水系统，提高了雨水利用率，同时保证了下渗雨水的水质和水量，相比下方全部包裹的下凹绿地施工简单，经济成本较低。本发明的防护系统施工简单，经济成本较低，较普通铺设更节约土工布用量，对湿陷性黄土地区提供了一种安全高效的下凹绿地雨水的规则化下渗防护系统。
【专利说明】
湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统及施工方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种下凹绿地雨水的下渗防护系统，特别涉及一种湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统及施工方法。
【背景技术】
[0002]近年来，雨季时城市常遭受大暴雨侵袭，多数地区会出现短时间的积水内涝，造成城市严重的水涝灾害。一方面，由于城市热岛效应易出现集中大暴雨天气，而暴雨洪峰流速快、流量大，使得路面积水严重径流汇流时间减少，城市雨水系统承载力不足;另一方面，快速的城镇化使城市地表透水区域愈来愈少，雨水降到路面而无法下渗，雨水管道溢满后雨水只能汇集于路面，形成内涝，造成严重的经济损失。同时，我国总体水资源不足，为满足城市用水量的要求，人们加大对地下水的开采；同时，降雨-下渗-蒸发-降雨是区域水循环的核心环节，而城市硬化路面难以提供足够的下渗量，地下水补充不足，使得地下水位呈逐年递减的趋势，路面下陷的事故屡见不鲜。
[0003]针对雨水的问题，国家提出了“海绵城市”的理念，加大城市水渗透性，强调优先利用植草沟、雨水花园、下凹绿地等“绿色”措施来组织雨水，已达到下雨时“吸水、蓄水、渗水、净水”的需要。
[0004]然而，西北黄土地区土质多为湿陷性黄土，自然状态下其强度高、压缩性小，而在一定压力下受水浸湿后，土壤结构受损、强度下降、土层塌陷。普通道路绿化区域绿地多高于或平于路面，降雨时无积水，土壤入渗雨水量较少;而基于“海绵城市”理念的新型道路绿地多采用下凹绿地，降雨时两侧路面有地表径流汇入形成积水，多数地区通过下凹绿地区域雨水下渗补给地下水实现雨水回归利用，使城市容纳更多降雨。目前，在该土质条件下通常不设置下凹绿地，以防止雨水下渗使下层黄土湿陷造成路面结构的破坏；如若设置下凹绿地，通常选择绿地结构断面全部铺设土工布，以防止雨水进入黄土，上述方式中或无可下渗雨水或雨水无法渗入下层土壤并需要大量的土工布，不经济。
【发明内容】
[0005]为解决上述问题，本发明的目的在于，提供一种湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统及施工方法，能够保证更多的雨水的规则化下渗，并使雨水下渗后不会对湿陷性黄土地区路面结构造成破坏，同时施工经济，可以将雨水回归地下。
[0006]为了实现上述任务，本发明采取如下技术方案:
[0007]湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统，包括路基压实土层，路基压实土层为原状土层的上部土层，路基压实土层上方铺设道路结构层，，所述防护系统还包括下凹绿地，下凹绿地由上至下依次穿过所述道路结构层和路基压实层，下凹绿地的底部与所述原状土层接触;下凹绿地的一个侧面与所述路基压实土层之间设置有防水土工布。
[0008]具体地，所述下凹绿地包括由下至上依次铺设的砾石层、中粗砂层、混合土层和种植土层;所述下凹绿地还包括竖直设置的雨水管，雨水管的底端由上至下依次穿过种植土层、混合土层、中粗砂层和砾石层，雨水管的底端连接城市雨水管道。
[0009]具体地，所述砾石层设置在所述原状土层内，所述中粗砂层和混合土层设置在所述路基压实土层内，所述种植土层设置在所述道路结构层内。
[0010]具体地，所述路基压实土层与所述中粗砂层和混合土层相接触的一面与水平面的夹角为45°。
[0011]具体地，所述中粗砂层、混合土层和种植土层与路基压实土层之间形成缝隙，所述防水土工布设置在缝隙内，将路基压实土层与中粗砂层、混合土层和种植土层分隔开。
[0012]具体地，所述雨水管的管口与所述种植土层表面的距离d为100mm。
[0013]所述的湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统的施工方法，包括以下步骤:
[0014]步骤一，将原状土层的上部土层压实，形成路基压实土层，压实后，确定下凹绿地在路基压实土层中的两侧边界，在一侧边界处沿竖直方向下挖至路基压实土层底面，另一侧边界处以1:1的边坡度下挖至路基压实土层底面，并铲除两侧边界之间的土壤，路基压实土层内形成纵截面为直角梯形的条形铺设槽，条形铺设槽的一个侧面相对于水平面为倾斜面；
[0015]步骤二，在原状土层内，沿条形铺设槽的底面的两侧边界沿竖直方向下挖，并铲除两侧边界之间的原状土层土壤，原状土层内形成纵截面为矩形的第一沟槽；
[0016]步骤三，条形铺设槽的两侧的路基压实土层的上方分别铺设道路结构层，两个道路结构层之间形成纵截面为矩形的第二沟槽;条形铺设槽内为倾斜面的一侧上方的道路结构层为第一道路结构层，第一道路结构层的边界与条形铺设槽的底面之间留有空隙，该空隙形成防水土工布安装平台；
[0017]步骤四，在条形铺设槽内为倾斜面的一侧铺设防水土工布，沿条形铺设槽的长度方向搭接多个防水土工布;防水土工布的顶部弯折一定宽度并平铺在防水土工布安装平台上，防水土工布的剩余部分平铺在倾斜面上；
[0018]步骤五，竖直安装雨水管，雨水管的底端由上至下依次穿过所述第二沟槽、条形铺设槽和第一沟槽;雨水管的底端与城市雨水管道连通；
[0019]步骤六，在第一沟槽内铺设砾石层，在条形铺设槽内由下至上依次铺设中粗砂层和混合土层，在第二沟槽内铺设种植土层；
[0020]步骤七，在种植土层内种植适应当地气候且耐涝的植物。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下技术效果:
[0022]1、将下凹绿地应用于湿陷性黄土地区道路，同时保护道路下方湿陷性黄土土质，相较于完全不施加保护的下凹绿地更为安全稳定，不会因雨水的下渗引起道路结构的塌陷破坏;利用下凹绿地及土壤自身的蓄水、下渗和净化能力，将降雨直接补偿城市地下水系统，提高了雨水利用率，同时保证了下渗雨水的水质和水量。
[0023]2、本发明仅在下凹绿地的机动车一侧设置防水土工布，可将雨水导向非机动车一侦U，能够阻止由下凹绿地下渗的雨水进入机动车一侧下方的原状土层内，起到规则化导水的作用。相比下方全部被防水土工布包裹的下凹绿地施工简单，经济成本较低，并且可以使更多的雨水下渗回归地下。
[0024]3、本发明的防护系统施工简单，经济成本较低，较普通铺设更节约土工布用量，对湿陷性黄土地区提供了一种安全高效的下凹绿地雨水的规则化下渗防护系统。
【附图说明】
[0025]图1为设置下凹绿地的半幅道路示意图；
[0026]图2为下凹绿地平面汇流示意图；
[0027]图3为机动非机动车道间防护系统示意图；
[0028]图4为人行道侧边防护系统示意图；
[0029]图5为图2防护系统降雨后模拟效果图；
[0030]图6为1min降雨量分布及累计降雨量变化图；
[0031]图7为雨水管的管口与种植土层表面的距离不同时，下凹绿地内滞留积水深度变化图；
[0032]图8为图5中观测点1、2的含水量变化曲线；
[0033]图9为雨水管的管口与种植土层表面的距离不同时，下凹绿地内含水量变化图；
[0034]图中各标号含义:I一原状土层，2—路基压实土层，3—道路结构层，4一下凹绿地，4-1 一烁石层，4-2—中粗砂层，4-3—混合土层，4-4一种植土层，4_5—雨水管，5—条形铺设槽，6—第一沟槽，7—第二沟槽，8—防水土工布安装平台，9一防水土工布，10—中央分隔带，11一机动车车形道，12一机动非机动车道件下凹绿地，13一非机动车车形道，14一人行道，15一人行道侧边下凹绿地，16一中央分隔带，17一机动车车行道，18一机动非机动车道间下凹绿地，19 一非机动车车行道，20—人行道，21—人行道侧边下凹绿地，22—路缘石，23—路缘石排水口。
[0035]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的方案做进一步详细地解释和说明。
【具体实施方式】
[0036]参见图1，下凹绿地与城市道路相邻，应用于不同路面布设时，可设置于不同位置，于机动车与非机动车道间时采取机动车侧防渗(向非机动车侧导水)，或于人行道侧边绿地时可选择性采用人行道侧防渗(向绿地侧导水)，或于车行道与人行道间时采取车行道侧防渗(向人行道侧导水)。道路向绿地方向设有坡度，路边设置高于路面的路缘石22，路缘石22上设置有路缘石排水口 23，使得雨水能够进入下凹绿地内。
[0037]参见图3，以下以机动非机动车道间铺设下凹绿地为例，对本发明的湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统进行说明，湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统包括路基压实土层2，路基压实土层2为原状土层I的上部土层，在西北黄土地区的原状土层I多为湿陷性黄土，所述路基压实土层2上方铺设道路结构层3，所述防护系统还包括下凹绿地4，下凹绿地4由上至下依次穿过所述道路结构层3和路基压实层2，下凹绿地4的底部与所述原状土层I接触;下凹绿地4的一个侧面与所述路基压实土层2之间设置有防水土工布9。
[0038]本发明仅在下凹绿地的机动车一侧设置防水土工布9，可将雨水导向非机动车一侦U，能够阻止由下凹绿地4下渗的雨水进入机动车一侧的路基压实土层2和湿陷性的原状土层I内，相比下凹绿地4下方全部被防水土工布包裹，本发明的防护系统施工简单，经济成本较低。利用下凹绿地及土壤自身的蓄水、下渗和净化能力，将降雨直接补偿城市地下水系统，提高了雨水利用率，同时保证了下渗雨水的水质和水量。
[0039]所述下凹绿地4包括由下至上依次铺设有砾石层4-1、中粗砂层4-2、混合土层4-3和种植土层4-4;所述下凹绿地4还包括竖直设置的雨水管4-5，雨水管4-5的底端由上至下依次穿过种植土层4-4、混合土层4-3、中粗砂层4-2和烁石层4-1，雨水管4-5的底端连接城市雨水管道。混合土层4-3中原状土层I与细沙的比例为1:1。
[0040]所述下凹绿地4的种植土层4-4中种植适应当地气候且耐涝的植物，在铺设防水土工布9的一侧种植低矮的灌木，另侧种植高大乔木，以防止防水土工布9影响乔木种植深度。[0041 ]所述烁石层4-1设置在所述原状土层I内，所述中粗砂层4-2和混合土层4-3设置在所述路基压实土层2内，所述种植土层4-4设置在所述道路结构层3内。所述砾石层4-1能够增加下凹绿地4底层的透水性，使由下凹绿地4下渗的水最大程度的流入地下补充城市地下水。
[0042]所述路基压实土层2与所述中粗砂层4-2和混合土层4-3相接触的一面与水平面的夹角为45°。所述中粗砂层4-2、混合土层4-3和种植土层4-4与路基压实土层2之间形成缝隙，所述防水土工布9设置在缝隙内，将路基压实土层2与中粗砂层4-2、混合土层4-3和种植土层4-4分隔开，防水土工布9与水平面的角度也为45°。根据HYDRUS-2D软件模拟不利降雨条件下，不同铺设形态的防水土工布9，得出垂向旋转45°的防水土工布9，既可以保证下部土层透水横断面积不小于绿地总横断面积50%，保护道路下方湿陷性黄土土质安全稳定的同时将下渗量最大化。
[0043]所述下凹绿地4内分层铺设土壤，其中低于防水土工布9下的200mm为砾石层，其上为300mm为中粗砂层，其上为原状土层与细沙I: I的混合土层4_3，最上覆盖400-500mm种植土层4-4，增强其透水性，换田土壤提高渗透率，使雨水进入下凹绿地4后快速渗入，使下凹绿地承载更多雨水，同时利用原有土壤，而非全部换土，较为经济，从而弥补由于铺设防水土工布9而减少的部分纳水土层，保证并提高下凹绿地的透水总量。
[0044]所述雨水管4-5的管口与种植土层4-4表面的距离d为10cm，雨水管4-5用于承接高于其高度的雨水，防止由于下凹绿地4承接力不足造成的雨水回流路面的情况。该距离值d的选择依据HYDRUS-2D软件模拟，选择最不利条件的长历时降雨情景，依据西安市1961-2014年降雨资料，选择降雨强度i = 0.9cm/h、降雨历时为12h的长历时降雨，下凹绿地黄土渗透系数为Ks = 0.53cm/h，选取车行道宽度10m，人行道宽度3m，下凹绿地宽度2.7m，确定总汇水面积785m2，绿地面积135m2，绿地率17.2%。下凹绿地在设定长历时降雨情景下的不同下凹深度的绿地积水深度随降雨过程的变化如图7所示，下凹绿地在设定长历时降雨情景下的不同下凹深度的下凹绿地含水量随降雨过程的变化如图9所示；雨水管4-5的顶端与种植土层4-4表面的距离设置为5cm、10cm、15cm，下凹绿地内的含水量，因黄土不发生湿陷性选择的含水量上限为0.20cm3.cm—3，因此上述距离d为5cm和1cm的下凹绿地满足要求;根据图7，同时为了保证下凹绿地最大程度的积水量，距离d选择10cm。
[0045]如图3为机动非机动车道间下凹绿地，车行道人行道间下凹绿地也可选用此种结构；图4为人行道侧边下凹绿地设置结构图，单侧设置土工布可使下渗雨水更多的进入另侧，从而保护结构要求较高的一侧。
[0046]参见图5，在本发明的防护系统内选取观测点，模拟含水量示意图如图8所示，观测点1、2的含水量变化情况如图8，观测点I位于防水土工布底端点处，此处观测以说明雨水开始渗入防水结构下土壤，观测点2位于路面结构铺设路面边界位置对应的原状黄土处，此处观测以说明雨水开始渗入路面结构下土壤。由图8可以看出，观测点2处土层的含水量明显小于观测点I以及其他位置的含水量，说明采用本发明的系统能够有效防止雨水进入重要路面结构(机动车道)下方的原状土层，从而较好的保护路面结构。
[0047]上述湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统的施工方法，包括以下步骤:
[0048]步骤一，将原状土层I的上部土层压实，形成路基压实土层2，压实度在93% -95 %之间，路基压实土层2的宽度为800mm，路基压实土层2的深度为800mm，压实后，确定下凹绿地4在路基压实土层2中的两侧边界，在一侧边界处沿竖直方向下挖至路基压实土层底面，另一侧边界处以1:1的边坡度下挖至路基压实土层2底面，并铲除两侧边界之间的土壤，路基压实土层2内形成纵截面为直角梯形的条形铺设槽5，条形铺设槽5的一个侧面相对于水平面为倾斜面；
[0049]步骤二，在原状土层I内，沿条形铺设槽5的底面的两侧边界沿竖直方向下挖，并铲除两侧边界之间的原状土层土壤，原状土层I内形成纵截面为矩形的第一沟槽6;
[0050]步骤三，条形铺设槽5的两侧的路基压实土层2的上方分别铺设道路结构层3，两个道路结构层3之间形成纵截面为矩形的第二沟槽7;条形铺设槽5内为倾斜面的一侧上方的道路结构层3为第一道路结构层，第一道路结构层的边界与条形铺设槽5的底面之间留有空隙，该空隙形成防水土工布安装平台8;
[0051]步骤四，在条形铺设槽5内为倾斜面的一侧铺设防水土工布9，沿条形铺设槽5的长度方向搭接多个防水土工布9，每个防水土工布9的宽度为1600mm;相邻防水土工布9的搭接长度不小于300mm;防水土工布9的顶部弯折一定宽度并平铺在防水土工布安装平台8上，防水土工布9的剩余部分平铺在倾斜面上；防水土工布安装平台8的设置保证防水土工布9能够牢固的安装在倾斜面上；
[0052]步骤五，竖直安装雨水管4-5，雨水管4-5的底端由上至下依次穿过所述第二沟槽
7、条形铺设槽5和第一沟槽6;雨水管4-5的底端与城市雨水管道连通；
[0053]步骤六，在第一沟槽6内铺设砾石层4-1，砾石层4-1的厚度为200mm，在条形铺设槽5内由下至上依次铺设中粗砂层4-2和混合土层4-3，中粗砂层4-2的厚度为300mm，在第二沟槽7内铺设种植土层4-4，种植土层4-4的厚度为400-500mm;
[0054]步骤七，在种植土层4-4内种植适应当地气候且耐涝的植物。
【主权项】
1.湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统，包括路基压实土层(2)，路基压实土层(2)为原状土层(I)的上部土层，路基压实土层(2)上方铺设道路结构层(3)，其特征在于，所述防护系统还包括下凹绿地(4)，下凹绿地(4)由上至下依次穿过所述道路结构层(3)和路基压实层(2)，下凹绿地(4)的底部与所述原状土层(I)接触；下凹绿地(4)的一个侧面与所述路基压实土层(2)之间设置有防水土工布(9)。2.如权利要求1所述的湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统，其特征在于，所述下凹绿地(4)包括由下至上依次铺设的砾石层(4-1)、中粗砂层(4-2)、混合土层(4-3)和种植土层(4-4);所述下凹绿地(4)还包括竖直设置的雨水管(4-5)，雨水管(4-5)的底端由上至下依次穿过种植土层(4-4)、混合土层(4-3)、中粗砂层(4-2)和砾石层(4-1)，雨水管(4-5)的底端连接城市雨水管道。3.如权利要求2所述的湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统，其特征在于，所述砾石层(4-1)设置在所述原状土层(I)内，所述中粗砂层(4-2)和混合土层(4-3)设置在所述路基压实土层(2)内，所述种植土层(4-4)设置在所述道路结构层(3)内。4.如权利要求3所述的湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统，其特征在于，所述路基压实土层(2)与所述中粗砂层(4-2)和混合土层(4-3)相接触的一面与水平面的夹角为45。。5.如权利要求4所述的湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统，其特征在于，所述中粗砂层(4-2)、混合土层(4-3)和种植土层(4-4)与路基压实土层(2)之间形成缝隙，所述防水土工布(9)设置在缝隙内，将路基压实土层(2)与中粗砂层(4-2)、混合土层(4-3)和种植土层(4-4)分隔开。6.如权利要求2所述的湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统，其特征在于，所述雨水管(4-5)的管口与所述种植土层(4-4)表面的距离d为100mm。7.权利要求5所述的湿陷性黄土地区雨水的规则化下渗防护系统的施工方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一，将原状土层(I)的上部土层压实，形成路基压实土层(2)，压实后，确定下凹绿地(4)在路基压实土层(2)中的两侧边界，在一侧边界处沿竖直方向下挖至路基压实土层(2)底面，另一侧边界处以1:1的边坡度下挖至路基压实土层(2)底面，并铲除两侧边界之间的土壤，路基压实土层(2)内形成纵截面为直角梯形的条形铺设槽(5)，条形铺设槽(5)的一个侧面相对于水平面为倾斜面； 步骤二，在原状土层(I)内，沿条形铺设槽(5)的底面的两侧边界沿竖直方向下挖，并铲除两侧边界之间的原状土层土壤，原状土层(I)内形成纵截面为矩形的第一沟槽(6); 步骤三，条形铺设槽(5)的两侧的路基压实土层(2)的上方分别铺设道路结构层(3)，两个道路结构层(3)之间形成纵截面为矩形的第二沟槽(7);条形铺设槽(5)内为倾斜面的一侧上方的道路结构层(3)为第一道路结构层，第一道路结构层的边界与条形铺设槽(5)的底面之间留有空隙，该空隙形成防水土工布安装平台(8); 步骤四，在条形铺设槽(5)内为倾斜面的一侧铺设防水土工布(9)，沿条形铺设槽(5)的长度方向搭接多个防水土工布(9);防水土工布(9)的顶部弯折一定宽度并平铺在防水土工布安装平台(8)上，防水土工布(9)的剩余部分平铺在倾斜面上； 步骤五，竖直安装雨水管(4-5)，雨水管(4-5)的底端由上至下依次穿过所述第二沟槽(7)、条形铺设槽(5)和第一沟槽(6);雨水管(4-5)的底端与城市雨水管道连通； 步骤六，在第一沟槽(6)内铺设砾石层(4-1)，在条形铺设槽(5)内由下至上依次铺设中粗砂层(4-2)和混合土层(4-3)，在第二沟槽(7)内铺设种植土层(4-4); 步骤七，在种植土层(4-4)内种植适应当地气候且耐涝的植物。
【文档编号】E03F5/10GK106065656SQ201610473474
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月24日 公开号201610473474.7, CN 106065656 A, CN 106065656A, CN 201610473474, CN-A-106065656, CN106065656 A, CN106065656A, CN201610473474, CN201610473474.7
【发明人】卢金锁, 高源原
【申请人】西安建筑科技大学