适用于海绵城市建设的砂石渗井的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种适用于海绵城市建设的砂石渗井，该渗井置于周围土体之中，该渗井包括有喇叭口、渗井孔、中粗砂填充物，渗井孔连接于喇叭口的喇叭口下端，喇叭口和渗井孔内部填充有中粗砂填充物，喇叭口的喇叭口上端直径为40～60cm，喇叭口下端的直径同渗井孔直径均为20～30cm，喇叭口与渗井孔平面之间喇叭口坡脚a为30°～60°，所述地表周围土体向喇叭口上端设有倾斜坡度2％～10％。有益效果是该渗井具备造价低廉、取材方便、无污染等特点。该渗井能够削减城市径流污染负荷、过滤水资源、保护和改善城市生态环境。该发明将为建设具有自然积存、自然渗透、自然净化功能的海绵城市提供保障。
【专利说明】
适用于海绵城市建设的砂石渗井
技术领域
[0001] 本发明属于土体渗透应用领域，涉及一种适用于海绵城市建设的砂石渗井，特别 适用于黏土和粉质黏土地区，以增加地表水下渗量和提高地表水下渗速度的低影响构筑 物。
【背景技术】
[0002] 随着人类聚居点扩张，部落逐渐出现并最终演替为城市。原本以自然循环的环境 被人为干预，城市效应随之出现，城市雨洪问题便是城市效应之一。城市效应出现的原因在 于城市理论容纳量与实际容纳量的不平衡性，城市建筑物增加和地表硬化率的提高打破了 原本大气雨水的生态循环。城市人口数量和工业化持续发展导致需水量增加，城市地面的 硬化率提高使得地表径流量增大，造成城市内涝和缺水问题同时出现。
[0003] 海绵城市建设目的在于实现控制城市洪涝灾害，同时又能合理利用雨水来维持良 好的水文生态环境。目前的海绵城市建设坚持了对城市水系、城市绿地、城市排水防洪、城 市道路交通等方面的系统性规划。然而地表河流、湖泊等水体易为环境所污染;城市绿地建 设只能做到表面土体的渗水补充，加之土体表面的压硬现象使得水下渗难度增加;城市市 政排水防洪能够最大限度解决城市内涝问题，然而直接将城市降水排走未能做到对降水的 合理利用;城市道路交通的透水铺装等设计未能从本质上解决土体的渗透问题。
[0004] 现存的海绵城市建设大多采用绿地、水系、市政排水、透水路面进行设计，未能达 到经济实惠的利用土体的自身储水净水能力。常规的渗透装置以混凝土、半混凝土材以及 塑料管质的渗井为主，混凝土构筑物的出现很大程度上减少了原土覆盖体积，破坏了原土 结构，未能坚持低影响开发目的。渗透构筑物的渗水能力受到混凝土阻碍，导致水与土体接 触面积减小，渗透效果不佳。又地下储水装置工程量大且容量集中，难以达到储用并行的目 的。因而，迫切需要一种简洁、实用、经济且低影响的用于提高土体渗透效率的装置，该种装 置对解决海绵城市建设的关键问题具备现实意义。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是提供一种适用于海绵城市建设的砂石渗井，以提高土体渗透效率， 且该结构具有造价低廉、应用性广、取材便捷、环境效益高等优势，便于在海绵城市建设中 推广应用。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供一种适用于海绵城市建设的砂石渗井，该渗井置于 周围土体之中，其中：该渗井包括有喇叭口、渗井孔、中粗砂填充物，渗井孔连接于喇叭口的 喇叭口下端，喇叭口和渗井孔内部填充有中粗砂填充物，喇叭口的喇叭口上端直径为40~ 60cm，喇叭口下端的直径同渗井孔直径均为20~30cm，喇叭口与渗井孔平面之间喇叭口坡 脚a为30°~60°，所述地表周围土体向喇叭口上端设有倾斜坡度2%~10%。
[0007] 本发明的效果是该结构造价低廉、应用性广、取材方便、环境效益高、渗透量合理， 该装置的主要成分为中粗砂填充物，相较于由混凝土砌筑而成的渗井及塑料渗透管等入渗 设施，在施工材料方面造价低53%~62%、施工周期方面短81 %~83 % ;该装置可用于城市 绿地、道路绿化带、硬化广场的边缘等非硬化区，相较于其他渗透装置该装置应用环境不受 局限；该装置中的中粗砂填充物是最为常见的建筑土工材料，河道、环海地区、缓山坡带及 山脚均有材料源，因而用材比其他装置少3~7种;该装置在增加雨水渗透的同时，也可维持 地下水补给，从而增加城市可供蒸发和蒸腾的水分，单位平方公里增加城市空气湿度3%~ 6%，环境效益较高;取渗井孔直径为25cm，渗井深度1.5m，设中粗砂渗透系数为k;此时计算 可得设置渗井孔增加的渗透面积为73593.75cm 2,渗井孔底部使用lOmin后的渗透量为 294375kcm3，渗井孔使用lOmin时后的水平渗透总量为324.99cm 3。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明适用于海绵城市建设的砂石渗井剖面图；
[0009] 图2为本发明砂石渗井的喇叭口部分剖面图；
[0010] 图3为本发明砂石渗井的喇叭口的开口角度示意图；
[0011] 图4为本发明适用于海绵城市建设的砂石渗井实验说明图；
[0012] 图5为本发明适用于海绵城市建设的砂石渗井实验结果图。
[0013] 图中：
[0014] 1.喇叭口 2.渗井孔3.中粗砂填充物4.喇叭口上端
[0015] 5.喇叭口下端6.取土环刀7.水平沉积面8.环刀法向
【具体实施方式】
[0016] 结合附图对本发明的适用于海绵城市建设的砂石渗井结构加以说明。
[0017] 本发明的适用于海绵城市建设的砂石渗井设计原理:基于土体渗透各向异性特 性，充分利用土体侧向渗透系数较竖向渗透系数大的思想。所述渗井由喇叭口、渗井孔、中 粗砂填充物组成。开挖一定深度的渗井孔，将靠近地表部分的渗井孔开挖成喇叭口形状，并 用中粗砂填充物将渗井孔和喇叭口填满，即形成适用于海绵城市建设的砂石渗井。在地表 砂石渗井周围设置朝向渗井的一定坡度，水经地表流向渗井并沿渗井下渗。由于砂石的渗 透系数较大且土体中水平渗透系数大于竖向渗透系数，从而砂石渗井能起到增加地表水下 渗量的目的。
[0018] 如图1、2、3所示，图1中箭头所指方向为水的流向。本发明的适用于海绵城市建设 的砂石渗井结构是，该渗井置于周围土体之中，其特征是:该渗井包括有喇叭口 1、渗井孔2、 中粗砂填充物3，渗井孔2连接于喇叭口 1的喇叭口下端5，喇叭口 1和渗井孔2内部填充有中 粗砂填充物3，喇叭口 1的喇叭口上端4直径为40~60cm，喇叭口下端5的直径同渗井孔2直径 均为20~30cm，喇叭口 1与渗井孔2平面之间喇叭口坡脚a为30°~60°，所述地表周围土体向 喇叭口上端4设有倾斜坡度2 %~10 %。
[0019] 本发明的适用于海绵城市建设的砂石渗井【具体实施方式】如下：
[0020] 1).人工开挖喇叭口 1，喇叭口上端4直径40~60cm，喇叭口下端5直径同渗井孔直 径取20~30cm，喇叭口坡脚a取30°~60° 〇
[0021] 2).在喇叭口下端5利用人工挖孔法或机械成孔工艺开挖深度1.5~2m深，直径20 ~30cm的渗井孔2 〇
[0022] 3).将中粗砂填充物3填入开挖完成的喇叭口 1及渗井孔2中。
[0023] 4).将渗井地表周围土体向喇叭口 1找坡，坡度为2%~10%。
[0024]本发明的适用于海绵城市建设的砂石渗井功能推导如下：
[0025]用取土环刀6在与水平沉积面7呈一定角度的环刀法向8上，取原状黏土，取土角度 9见图4所示。根据对大量原状黏土的各向异性渗透实验，获取土体不同取土角度的渗透系 数，渗透系数见表1，渗透系数与取土角度关系见图5。
[0026]表1不同角度下土的渗透系数 试验 __
[0027] -~^-°-^^^^ 祷透系数 7.36 4.73 2.64 1.34 1.4 lO^cm/s
[0028]由表1结合图4、图5可知，当取土角度为0°时，即水平角度土体的渗透系数最大;取 土角度为90°时，即竖直方向的渗透系数最小。加之地表土体因人为活动而产生的压硬现 象，增加了地表水的竖向下渗难度。
[0029] 从设置渗井增加的渗透截面和砂石渗井内某深度的渗流量、竖向砂石渗井对侧壁 土体的渗透量方面进行理论推导。
[0030] 渗透截面增量为S
[0031] S = Jir2l (1)
[0032]式（1)中Jr为圆周率，取Ji = 3.14;r为渗井孔半径(cm);l指渗井孔长度(cm)〇 [0033] 深度d处渗井孔中渗流量Qd
[0034] gA=k^^-At (2) h
[0035]式(2)中k为中粗砂填充物的渗透系数l(T6Cm/S;h为渗井孔中某深度cm;d为地表水 深度cm; t为渗透时间s; A为渗井孔截面面积cm2〇
[0036] 渗井孔中深度h处单位水头作用下的水平渗透量
[0037] Q = kSt (3)
[0038]式(3)中k为土体的水平方向渗透系数l(T6cm/s;S为渗井孔中渗透面积cm 2计算方 法见式(l);t为渗透时间s。
[0039] 经多次现场试验，确定渗井孔半径取25cm时，土体的渗透速度和渗透量达到最优 值;继续增加渗井孔径，渗井孔内砂石存水量增加而土体渗透量无显著变化。为防止对地下 水的直接影响渗井孔深度不宜低于当地地下水位线，以天津市为例，渗井孔深度取1.5~ 2.0m为宜。
[0040] 取渗井孔半径为25cm、渗井深度为1.5m、假定中粗砂渗透系数为k，对本渗井的功 能进行推导。此时设置渗井孔增加的渗透面积为294524.31cm 2,渗井孔底部使用lOmin后的 渗透量为1178097.25kcm3，渗井孔使用lOmin时后的水平渗透总量为1300.62cm 3。
[0041] 本发明的效果是具备造价低廉、应用性广、取材方便、环境效益高等特点，为提高 土体渗透效率进而增加地下水含量提供了便捷。该渗井能够削减城市径流污染负荷、过滤 水资源、保护和改善城市生态环境，将为建设具有自然积存、自然渗透、自然净化功能的海 绵城市提供保障。
[0042]以上所述仅为结合本次制作过程进行说明，对于本领域的技术人员来说，本发明 可有各种变化和更改，比如变换所用填充材料等。凡依据本发明的土体渗透各向异性精神 和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种适用于海绵城市建设的砂石渗井，该渗井置于周围土体之中，其特征是:该渗井 包括有喇叭口（1 )、渗井孔(2 )、中粗砂填充物(3 )，渗井孔(2)连接于喇叭口（1)的喇叭口下 端(5)，喇叭口（ 1)和渗井孔(2)内部填充有中粗砂填充物(3)，喇叭口（ 1)的喇叭口上端(4) 直径为40~60cm，喇叭口下端(5)的直径同渗井孔(2)直径均为20~30cm，喇叭口（ 1)与渗井 孔(2)平面之间喇叭口坡脚a为30°~60°，所述地表周围土体向喇叭口上端(4)设有倾斜坡 度2%~10%〇
【文档编号】E03F1/00GK105839759SQ201610325686
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】王英红, 陈之祥, 胡铁鑫, 王凯, 张勋程, 王彦洋, 李顺群
【申请人】天津城建大学