探讨：海绵城市雨水渗井系统建设关键问题
雨水渗井是我国古代城镇曾经通用的排水技术之一，在当代新型城市雨洪管理理念革新背景下有了新的发展与应用需求。针对传统雨水渗井设计缺乏系统定量分析、粗犷建设等问题，系统梳理国家海绵城市建设经验，结合理论研究与工程实践，围绕雨水渗井选型、规模计算、结构与填料设计、预处理设计及施工等环节总结探讨，提出改进建设思路、加强跨学科研究的建议。
雨水渗井作为我国海绵城市建设“渗、滞、蓄、净、用、排”技术体系中专用渗透类雨水设施，可实现汇水区雨水速渗，有效削减径流总量与峰值，缓解排水压力，涵养地下水源，在竖向改造难度大的城市低洼区或管网不健全、排水无出路地区具有重要工程应用价值。2014年，住建部颁布《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》，阐述了雨水渗井概念及典型构造，但对不同应用场景下雨水渗井系统设计、施工缺少具体方法指引，国家层面暂无专门规范借鉴，各地建设缺乏标准，质量参差不齐。目前，一些地区主要参照河床取水渗井、公路排水渗井、工程降（排）水井等专利、文献资料设计建造，对雨水渗井在排水防涝体系中作用、径流调控机制与渗井结构关系缺乏系统研究。传统渗井大多利用天然河砂、碎石、建筑垃圾骨料等作填料，强调“水量速渗”，忽视“水质污染风险控制”，同样缺乏深入探究。为此，笔者通过国家海绵城市试点建设调研，总结团队实践研究成果，围绕雨水渗井分类选型、规模计算、结构与填料设计、施工方法等进行探讨，旨为适宜地区雨水渗井建设提供经验参考。
1 雨水渗井分类及适用场景
Rainwater seepage well
系统梳理我国各地雨水渗井建造形式，按其属性特征可分为：
结构与渗流方式：垂直入渗式、辐射渗透式、渗排一体式（见图1）；
井体材料：砖（石）砌式、钢筋混凝土式、塑料式、硅砂混凝土式、钢波纹管式、玻璃钢管式等；
填料类型：砂石渗井、建筑再生骨料渗井、人工改性填料渗井；
布设形式：单井式、井群式。各类渗井技术特性及适用条件如图1所示。
图1 雨水渗井典型结构与渗流方式
工程设计中，雨水渗井径流调控作用会因其所处排水防涝体系位置的不同而异。笔者从海绵城市“源头减排-过程控制-系统治理”三段式雨水系统构建角度出发，将雨水渗井划分为：源头减排渗井、过程控制渗井和终端消纳渗井（见图2）。源头减排渗井适用于小区、广场等产汇流源头地块下垫面径流削减；过程控制渗井主要用于排水区市政雨水管网转输流量的中途削峰，减轻下游管网排水压力；终端消纳渗井则用于排水系统末端雨水集中削减。
雨水渗井设计选型时，应根据其系统功能定位、汇水区特征（降雨特征、汇水面积、下垫面污染水平）、拟建场地工程地质（稳定性、承载力）、水文地质（地下水埋深、土壤渗透性）及周边建构筑物基础埋设条件等，由图3经技术经济比较确定。工程选址时注意：
拟建场地及汇水区内不得有有毒有害物质生产、储存与堆放场所；
地下水源井周边30 m范围不得建设雨水渗井，范围外选址时应避开补给区并评估污染风险；
拟建场地适宜性评价应结合工程地质资料，分析地层稳定性、承载力，同时进行水文地质勘察，分层（分段）开展注水试验 ，评判地下水以上土体渗透性；
雨水渗井设置于建筑小区时，距离建筑物基础水平距离应≥5m；
应用于存在径流污染、设施底部距离季节性最高地下水位＜1.5m或距离建（构）筑物基础水平距离＜5m区域时，应采取预净化、防渗等措施防止污染及次生灾害；
湿陷性黄土场地渗井建设应经专门论证；湿陷等级低、土层薄的非自重湿陷场地，可考虑贯穿式渗井结构；
地下水位过高且径流污染严重、地下水保护严格地区，易坍塌、滑坡等不良地质区，高等级、大厚度自重湿陷性黄土区，土壤渗透性严重不良且开挖处理成本过高地区不适合建设。
图3 雨水渗井分类及适用场景
2 系统设计
Rainwater seepage well
2.1 规模计算
2.1.1 设计进水量
目前，雨水渗井设计进水量（Vc）算法较多，易出现未考虑其排水系统中功能定位，混淆使用，导致规模偏大/小的情形。笔者建议分3种情况：
（1）用于雨水源头减排目标时，宜按式（1）计算：
式中 Vc1——设计进水量，m³；
H——场地年径流总量控制率对应设计降雨量，mm；
φc——汇水区综合雨量径流系数；
F——雨水渗井汇水面积（含自身），hm²。
（2）用于雨水峰值（管道洪峰流量）削减目标时，可按式（2）估算：
式中 Vc2——设计进水量（调节削减水量），m³；
μ——脱过系数，雨水渗井下游出水管道设计流量与上游进水管道设计流量之比；
Qi——雨水渗井上游管道设计流量，m³/min；
b、n——当地暴雨强度公式参数；
t——降雨历时，min。
（3）用于项目/区域雨水终端消纳时，可按项目/区域室外排水设计重现期对应暴雨强度计算，见式（3）：
式中 Vc3——设计进水量，m³；
A1、C——当地暴雨强度公式参数；
P——室外排水设计重现期；
ψc——汇水区综合流量径流系数；
tc——设计降雨历时，min，一般≤120min。
2.1.2 设计渗透量
设计时，忽略雨水非饱和—饱和入渗变化过程及其各向异性，基于达西定律计算见式（4）：
式中 Wi——渗井渗透量，m³；
δ——安全系数，宜取0.5~0.8，汇水区下垫面易积淀泥沙、尘土时，取低值，较洁净时，取高值；
K——渗透土层饱和渗透系数，m/s；
J——水力坡度，一般取1；
A——渗井有效渗透面积，水平渗透面按投影面积算，竖直渗透面按1/2设计水位高度计算，m²；
ti——入渗历时，min。
式（4）中，K应以现场注水试验确定。勘察时，实测渗井底部及周边土壤渗透速率应≥5×10-6m/s，宜在6×10-5~6×10-4m/s（中粗砂渗透系数区），不宜超过1×10-3m/s（无足够停留时间净化）。对于地下水以上可渗透成层土（饱和含水），其等效渗透系数可按式（5）计算：
式中 Ke——渗透土层等效渗透系数，m/s；
hp——渗透土层上方蓄水深度，m；
hj——土层j厚度，m；
kj——土层j渗透系数，m/s。
式（4）中，ti取值分两种情形：①汇水面径流通过渗井快速下渗且不允许周边积水时，应按当地多年平均降雨历时取值，一般取2~3 h；②汇水面径流量大且允许渗井周边存在积蓄滞区，雨后一定时间完成排空时，可取12~48 h。
2.1.3 设计储存容积及有效渗透面积
（1）雨水渗井顶部设有蓄水空间时，其有效储存容积可按式（6）、式（7）计算：
（2）渗井顶部不设滞蓄空间或很小时：Vt=0，其有效储存容积Vs等于填料孔隙储水容积，有效渗透面积按忽略Vs后的式（8）计算。
根据进水流量与土壤渗透速率校核Vs、A，结合渗透土层埋深、进出水管标高、填料厚度与孔隙率分配渗井顶部和填料内部蓄水容积；结合渗井结构及贯入渗透土层深度，分配有效渗透面积，垂直入渗井按井底渗透面积叠加井壁开孔面积分配，辐射渗透井按井底渗透面积叠加水平渗透管开孔面积分配。开孔孔径、开孔率还应经结构专业校核。
2.2 结构与填料设计
2.2.1 结构与材料
根据上述计算初步确定雨水渗井内径及深度，井壁结构与材质应考虑拟建场地地质，经结构演算确定。一般情况下，源头减排渗井多采用垂直入渗或辐射渗透式，过程控制与终端消纳渗井采用渗排一体或垂直入渗式。辐射渗透式渗井多采用砖砌，渗排一体式渗井多采用塑料成品井，垂直入渗式渗井可采用砖砌、钢筋混凝土、钢波纹管或玻璃钢管等形式。砖砌式渗井要求地基承载力稳定、不易沉降，结构抗剪性能可承受侧壁土压（无配筋砖砌体结构抗侧壁土压力弱，工程实践中，井体上部易扰动土层可结合放坡，设计成倒梯台“”结构），井壁厚度≥240 mm，结构深度宜≤6 m，不适用于软土、高地下水位等地区。砖砌辐射渗井（见图2b）辐射渗透管敷设坡度宜≥2%，扇形布置，4~8根/层，管长根据排水量确定，管径宜≥150 mm，开孔孔径宜为8~12 mm，采用PE、PVC-U等塑料管材时，开孔率宜为1.5%~3%。渗透管外围可填充1.5~2倍管径厚度的砾/碎石层（粒径＞开孔孔径），并用透水土工布包裹。
钢筋混凝土渗井抗压强度高、抗浮性强、耐久性好、自重大，深度适用广（几米至几十米），井径、井壁厚度应满足下沉深度、强度、刚度及稳定性（抗滑、抗浮、抗倾）要求，符合《水工混凝土结构设计规范》（SL 191）规定。团队运用ABAQUS软件，模拟不同工况下（不同井径、壁厚、埋深、开孔率）应力场，推求结构最大拉力值，依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010）配筋计算，获取保证钢筋混凝土渗井安全的参数值。钢筋混凝土垂直渗井（见图2a）井底与井壁开孔区宜填充碎石渗透层，渗透层高度与开孔区高度一致，外包透水土工布或整体设为级配反滤结构。
塑料渗井多采用PE或PP成品井，自重轻，占地小，抗浮性弱，井径一般≤1.5m，结构深度≤7m，井壁采用实壁或带肋结构，壁厚、材料性能应符合《市政排水用塑料检查井》（CJ/T 326）规定，开孔后井筒环刚度应满足抗侧壁土压要求。渗排一体式塑料渗井（图2c）井内应设0.3m沉沙室，井间距≤150倍渗管管径，渗管管径、敷设坡度（宜1%~2%）应满足雨水排放流量要求。
除以上典型结构外，近年来，钢波纹管、硅砂混凝土等材料也被用于雨水渗井建造。钢波纹管渗井采用热轧钢板波形钢片拼接而成，井径、井深适用广，适应地基变形能力强，自重小，可用于软土、膨胀土区域。硅砂混凝土渗井采用具有透水功能（透水系数≥2.5×10-4m/s）的硅砂砌块砌筑而成，无须结构开孔，适用于小区、公园等径流水质良好（低浊）地区的小深度渗井，材料性能及强度等应符合《硅砂雨水利用工程技术规程》（CECS 381）规定，寒冷地区应用时须满足抗冻要求。
此外，实践还应考虑场地空间、工期（砖砌式、现浇钢筋混凝土式>预制钢筋混凝土式、钢波纹管式>塑料式）、造价（钢筋混凝土式>砖砌式>钢波纹管式>塑料式）、使用寿命等因素，综合比选后确定结构方案。团队在上述结构基础上，集成相关技术优点，提出一种组合式雨水渗井结构（见图4）。
该结构由上端滤料池（集中净化区）与下部泄水管组合而成。滤料池设计采用钢筋混凝土或钢波纹管，池底向泄水管方向找坡；泄水管根据泄水量要求布设单根或多根，采用玻璃钢管、钢波纹管等套接下沉。泄水管壁厚满足抗侧向土压要求，穿越渗透不良土层或湿陷性黄土层时，侧壁不开孔，贯入砂层部分开孔。该结构采用“小深度，同管径；大深度，分段变换管径（上大下小）”的结构力学稳态设计，有利于不同埋深、材质渗井性能互补发挥，减少结构耗材及开挖成本，节省投资。净化与渗排分体式设计也便于后期堵塞、污染后集中维护，降低运维成本。目前已在西咸新区多个海绵型建筑小区推广应用。
2.2.2 填料
填料是雨水渗井设计又一关键，既要满足速渗，又须规避地下水污染。设计时，应根据进水水质、水量、排空时间、包气带深度及地下水保护目标等综合确定填料厚度、类型、粒径组成等参数。
雨水渗井填料厚度（hf）理论最大值为整个井深（即地表至渗井底以上包气带深度，井底贯入渗透土层深度应≥侧壁渗透区高度）。设计时，考虑到相邻场次降雨排空要求，填料厚度应满足式（9）：
雨水速渗同时可能引发地下水污染，因此，填料厚度须满足污染净化需要。现行《建筑与小区雨水控制与利用技术规范》规定“井底渗透面距地下水位距离不应小于1.5m”，是基于填料与渗透土层协同净化考虑，未考虑汇水区污染类型及水平。因此应尽量让污染集中于填料区，减少向地下水上方渗透土层迁移（污染修复代价大）。为此，可通过进水目标污染物浓度与地下水水质限值要求，确定渗井水质控制最小填料厚度hf-min。鉴于径流污染特征及填料多样性，建议用以下方式确定hf-min：
采用等温吸附实验确定目标污染物饱和吸附量，通过设计进水流量、使用年限等确定填料对目标污染物吸附能力基准，结合吸附量实测值与基准值估算填料厚度；
搭建不同填料厚度土工模型，通过实际雨水或模拟配水试验确定不同填料厚度径流污染削减效率，推算达到净化目标填料厚度；
搭建固定填料厚度土工模型，用实际雨水或模拟配水试验确定污染削减效率，建立HYDRUS等模型，模拟确定最优厚度。
综上，确定渗井填料厚度hf∈［hf-min，hf-max）。
径流污染削减效果还与填料类型、粒径及渗透速率有关。传统速渗为主的雨水渗井，填料多采用粗粒径、单一组分砾石或建筑骨料。汇水区存在污染、地下水保护严格时，笔者建议采用中粗砂填料或改良填料（基本填料+改良剂）。基本填料宜以中砂（0.35~0.50mm）、粗砂（0.50~2mm）为主，改良剂选用强吸附性材料，根据渗井进水污染特征确定。团队通过分析海绵铁、高炉渣、沸石等改良剂特性，采用混合填料滤柱试验，比较不同进水流量（0.5a、1a、2a 重现期，历时90min，汇流比1∶150）、不同进水污染浓度（见表1）等9种工况下，基本填料与改良剂掺混比例（见表2）、改良剂类型对渗井渗透性能及净污效果的影响。
表2 雨水渗井填料配比（体积比）方案
结果（见图5）表明：
添加海绵铁可显著提高TP、NO-3-N、Zn去除，添加活化沸石可提高NH3-N去除，添加高炉渣可提高NH3-N、Cu去除；
试验条件下，体积比 90%基本填料+5%高炉渣+5%沸石对COD削减效果最好，90%基本填料+10%海绵铁对NO-3-N、TP削减效果最好，90%基本填料+10%沸石或90%基本填料+5%高炉渣+5%沸石对NH3-N、TN削减效果较好，90%基本填料+5%海绵铁+5%高炉渣对Cu、Zn、Cd削减效果最好；
改良剂添加比例由10%增至30%~45%时，反应原料、吸附点位、阳离子交换量增加，但同时提高了混合填料渗透速率，径流污染接触反应时间缩短，综合削减率提升不大且原材料成本增加。
实践中，汇水区径流污染轻（如小区、公园），渗井以速渗为主时，基本填料宜选0.50~2 mm粗砂，改良剂可选粒径较大的火山石、陶粒、高炉渣等以5%~10%体积比掺混；径流污染较重，渗井兼具速渗和净污功能时，宜选0.35~0.5mm中砂做基本填料，同时宜选粒径小、净化能力强的海绵铁、活化沸石、麦饭石等材料以10%~20%体积比掺混，结合填料厚度设计实现系统目标。
2.3 附属设施设计
2.3.1 预处理设施
上述试验为评价不同配比填料净污效能，采用了较高配水浓度（较长雨前干燥期才出现的负荷）。实践中，径流污染较重时，不宜由渗井承担全部污染削减，而是通过前端预处理设施控制进水水质，降低填料堵塞污染频率及运维成本。
雨水渗井预处理工艺可分为灰色和绿色两类。城市径流可生化性差，一般不适合生化法处理。传统灰色工艺主要采取拦污沉淀、弃流、过滤等单一或组合方式，根据进水水量水质、处理目的及场地空间确定（见图6）。拦污一般采用格栅、截污挂篮等设施，拦截树叶、垃圾，沉淀泥沙。弃流主要采用容积法、水流切换法等对存在初期冲刷、污染负荷较高的早期径流予以弃除，常用雨落管弃流、液位式/雨量式自控弃流设施，弃流量根据汇水面实测COD、SS等污染物浓度确定，无资料时，屋面、地面分别采用2~3 mm、3~5 mm厚度弃流。成品弃流设施规格、构造及自控等技术参数根据处理量、维护要求与厂家共同确认。经拦污、弃流处理后，可结合雨水回用设置过滤设施进一步降低污染负荷，常见有精密滤网过滤或简易介质过滤。在此，需特别强调的是雨水渗井本身也是处理设施，应权衡其建设使用与预处理设施投入关系，不宜照搬传统混凝沉淀、滤池过滤、膜滤等工艺，增加建设运维成本同时，也因过度处理失去渗井建设意义。实践中，应结合汇水区污染特征、填料净化能力、出水水质及地下水环境容量，设定渗井进水水质控制目标，由预处理设施分担汇水区与渗井进水端污染负荷差值，以此确定预处理工艺及设施规模。
设计时，根据渗井汇水区下垫面性质、竖向，结合子汇水区划分，合理布置绿色雨水设施，综合测算绿色雨水设施系统对汇水区径流污染削减程度。根据渗井进水水质控制目标，结合汇水区基底径流污染特征，优化确定绿色雨水预处理设施规模。
实践中也可采取初期弃流/沉淀+生物滞留等灰-绿设施结合方式实现系统预处理目标。须强调的是，预处理并非万能，医院、垃圾场站等传染性疾病、严重化学污染场所不得设置雨水渗井。
2.3.2 其他附属设施
除预处理设施外，雨水渗井附属设施还包括溢流口/管/通道、爬梯、检修孔、防坠落装置、警示标志等。
①过程控制渗井（削峰调节）应设溢流通道与下游管网衔接；源头减排与终端消纳渗井按需设置溢流口。溢流口/管/通道过流能力不应低于设计最大进水流量；溢流标高应根据渗井调节容积、下游管网/河道水位标高等确定，溢流口/管处应设置滤网以防堵塞。
②渗井顶部蓄水深度>1m时，应设置踏步或爬梯（可参考97S501、02S515、14S501等国家标准图集设计），以便检修养护；有顶盖的渗井应设检修孔（可参考05S804国家标准图集设计）。
③为防止非工作人员或动物坠入，大深度渗井周边应设置防护网、井口防坠网及警示标志。
3 系统施工
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粗犷施工是导致雨水渗井功能低下重要因素。雨水渗井施工时，应根据渗井结构、材质、埋深、土壤地质等，选用明挖法或沉井法。一般情况下，深度<10m，无不良地质，土层稳定的开阔场地，可采用明挖法；大深度渗井宜用沉井法。砖砌渗井、塑料渗井、钢筋混凝土渗井等可采用明挖法，预制钢筋混凝土、玻璃钢管、钢波纹管等成品井可采用沉井法（参照《沉井与气压沉箱施工规范》（GB/T 51130）。
总结传统雨水渗井施工中质量通病和易忽视细节，强调：
（1）土方开挖与地基处理：应根据土质、地下水位、井室断面、荷载条件等制定基坑支护方案；机械开挖不得扰动井底原状地基土，预留200~300mm土层由人工开挖至设计高程整平；验槽时，应采用双环法或单环法复测土基渗透系数；根据设计设置中粗砂或碎石垫层，严禁使用灰土等不透水垫层；开挖时，井边预留填充渗透层位置。
（2）主井施工：
①砖砌式渗井：应符合《砌体工程施工质量验收规范》（GB 50203）规定；辐射管与主井同步施工且随砌随安装；辐射管两侧砾石层对称铺设，避免管道产生位移；井室四周应分层对称回填，每层≤300mm，采用人工回填、夯实，严禁使用机械推土滚压。
②钢筋混凝土渗井：应符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204）规定；现浇结构应分层浇圈、连续浇筑，养护后分层回填；预制结构安装前做好构件复验与裂缝鉴定。
③成品渗井（钢波纹管、玻璃钢、塑料）：运输吊装中避免碰撞损坏；回填时沿井体分4~6个位置对称回填，避免侧压不均造成井壁变形，实时观测井体、接管变形。
④其他：随时用经纬仪、钢尺等观测校正渗井垂直度，控制偏斜量；注意保护基底渗透层，避免堵塞污染；严密监测周围建构筑物及管线沉降、变形，采取保护措施；进、出水管等附件安装完成后须校准位置偏差。
（3）功能验收：施工完毕后，应饱和注水观测渗井进出水及整体下渗情况（满足设计要求或大于地勘注水试验均值），不得缺失。
4 结语与展望
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雨水渗井作为我国海绵城市技术体系代表性措施之一，是一项涉及多专业协同的系统工程。针对各地实践生搬硬套，缺乏研究支撑，建成后运行效率低、生命周期短、地质灾害与污染频发等问题，建设思路应由“单井设计”向“汇水区系统关联设计”转变、“地质适宜性”向“地质、环境长期适应性”转变、“水量速渗”向“灰绿结合，水量水质调控并重”转变，重视建设前汇水区评估与建成后运行效果、沉降变形等观（监）测跟踪。加强水专业与岩土、结构、材料等专业对话，关注不同水文地质条件下雨水渗井结构设计适宜性研究、渗井工艺参数基础试验与经济高效抗衰减填料研发、雨水集中入渗回灌对地下水涵养及水环境、地质环境等长期影响模拟预测与风险评估等研究方向，持续改进雨水渗井设计、施工与维护方法。为科学推广海绵城市雨洪控制与资源化理念夯实技术保障。
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