海绵城市软土地基雨水花园及施工方法与流程

本发明涉及一种海绵城市施工领域，具体是指海绵城市软土地基雨水花园及施工方法。

背景技术：

海绵城市统筹发挥了自然生态功能和人工干预功能，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式，有利于修复城市水生态、涵养水资源，增强城市防涝能力，扩大公共产品有效投资，提高新型城镇化质量，促进人与自然和谐发展。

雨水花园是海绵城市的主要组成部分，由下而上一般结构为软土地基、砂砾垫层、无纺土工布过滤层、细沙垫层、粉砂土和绿化景观的种植土壤层，同时设有穿孔管收集雨水、溢流管作排除超过设计蓄水量的积水之用。在软土地基上建设雨水花园，由于软土地基具有含水量高、压缩性大、透水性差、强度低和变形稳定所需时间长等工程特性，在雨水渗流作用下容易引起整体沉降或局部不均匀沉降，造成砾石层、砂层产生变形，从而影响雨水花园的使用功能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷而提供一种构造简单、施工便利、施工周期短、费用低、安全可靠的海绵城市软土地基雨水花园及施工方法。

本发明的技术问题通过以下技术方案实现：

一种海绵城市软土地基雨水花园，包括软土地基、及由下而上依次设置在软土地基上的砂砾垫层、无纺土工布过滤层、细沙垫层、粉砂土和绿化景观，在砂砾垫层中铺设多根渗水管，所述的软土地基和雨水花园的结构边坡上设置土工格栅，该土工格栅包括位于砂砾垫层底部的土工格栅oa段、连接土工格栅oa段的土工格栅边坡ob段、位于土工格栅边坡ob段上一级的土工格栅边坡bc段和位于土工格栅边坡bc段上一级的土工格栅边坡cd段；所述的土工格栅边坡cd段外设置溢流井，该溢流井的溢流口高度相等于绿化景观的设计暴雨期水位。

所述的软土地基上的土工格栅oa段在其上的结构层荷载作用下，o端点或a端点受到拉力为，底面某一点沉降与压力满足文克勒假定，即土工格栅oa段底面某点沉降与所受的压力成正比，其比例常数为，即；土工格栅整体受力拉伸时，顶面和底面分别产生摩阻应力为；土工格栅边坡cd段d端的锚固端锚固在雨水花园外侧的道路基层或面层中，土工格栅边坡ob段、土工格栅边坡bc段和土工格栅边坡cd段也分别受到张拉力和摩阻力；所述的软土地基上土工格栅oa段的o端点或a端点拉力、土工格栅oa段的沉降曲线中点最大沉降量和土工格栅边坡ob段、土工格栅边坡bc段、土工格栅边坡cd段的张拉力由下列公式计算：

公式一、

上述积分方程一般没有解析解，近似以模拟土工格栅oa段的变形曲线，即，则

公式二、

软土地基上的土工格栅oa段曲线的长度为

土工格栅整体受拉力伸长后的总长度为

由下式可求得值：

公式三、

土工格栅边坡ob段、土工格栅边坡bc段和土工格栅边坡cd段的总伸长为

其中

公式一、公式二和公式三中的各符号定义为：

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段中o端点或a端点受到的拉力，；

——分别为单位宽度雨水花园边坡处土工格栅边坡ob段、土工格栅边坡bc段和土工格栅边坡cd段的b端点、c端点、d端点分别受到的张拉力，；

——分别为单位宽度雨水花园边坡处土工格栅边坡ob段、土工格栅边坡bc段和土工格栅边坡cd段受到的摩阻力，；

——分别为单位宽度雨水花园边坡处土工格栅边坡ob段、土工格栅边坡bc段和土工格栅边坡cd段在两端拉力作用下的边坡软土的正反力，；

——单位宽度雨水花园土工格栅的容许拉力，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段其上的结构层荷载，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段处沉降反力，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段底沉降反力比例常数，由试验确定，；

——分别为单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段顶面与沙砾垫层之间的摩阻系数、土工格栅oa段底面与软土地基之间的摩阻系数，无量纲；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段横向从o端点开始至a端点的横坐标值，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段沉降曲线横向从o端点开始至a端点的纵坐标值，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段o端点的导数，，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段沉降曲线横向从o端点开始至的处横坐标值，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段沉降曲线横向从o端点开始至的处纵坐标值，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段从o端点开始至的处沉降反力，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段从o端点开始至的处摩阻应力，，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段沉降曲线o端点或a端点与横坐标轴的夹角，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段沉降曲线横向从o端点开始至的处与横坐标值的夹角，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段沉降曲线横向从o端点开始至的处弧长增量，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段沉降曲线横向从o端点开始至的处横坐标值增量，；

——分别为单位宽度雨水花园边坡处土工格栅边坡ob段、土工格栅边坡bc段和土工格栅边坡cd段的b端点、c端点、d端点与横坐标轴的夹角，；

——分别为单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段沉降曲线的待定常数，，无量纲；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段土工格栅沉降曲线中点最大沉降量，；

——分别为单位宽度雨水花园土工格栅的弹性模量、截面积，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段的长度，；

——分别为单位宽度雨水花园边坡处土工格栅边坡ob段、土工格栅边坡bc段和土工格栅边坡cd段的长度，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段受拉力后沉降曲线的长度，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段受拉力后的伸长量，；

——单位宽度雨水花园边坡处土工格栅边坡ob段和土工格栅边坡cd段、即ob、bc、cd段的总伸长量，。

所述的土工格栅为钢塑土工格栅类，由高强度钢丝通过高密度聚乙烯包裹成高强度条带，不同网孔直径和钢丝根数按照平面经纬成直角构成，并经超声波焊接成型的土工合成材料，成品以标准宽度成卷包装。

所述的砂砾垫层是由砾石铺设而成并作为雨水花园的蓄水结构层，厚度；所述的砾石为平均粒径大于2mm，小于64mm的岩石或矿物碎屑物，并经河流冲刷无尖锐棱角。

所述的细沙垫层是由细沙铺设而成并作为雨水花园的渗水结构层，厚度；所述的细沙为粒径大于0.075mm的颗粒占全重80%～85%，含泥量小于3%。

所述的粉砂土为粉土和砂土混合物，粘粒小于细沙，厚度。

所述的绿化景观为苗木和景观石的绿化景观构造。

所述的多根渗水管均采用upvc材质，直径为100mm～150mm，管壁钻出直径3mm～5mm的小孔，穿孔率为30%，外包无纺土工布，每根渗水管的间距50cm～100cm，放置在砂砾垫层高度中间偏下位置；所述的无纺土工布以聚丙烯树脂为主要生产原料不需要纺纱织布而形成的雨水过滤织物。

一种海绵城市软土地基雨水花园的施工方法，包括如下步骤：

步骤一、土工格栅设计计算

根据海绵城市的总体规划和地质钻探资料，设计雨水花园规模和结构层的材料及厚度；

确定软土地基上的土工格栅oa段和土工格栅边坡ob段、土工格栅边坡bc段、土工格栅边坡cd段的长度；

③由公式一、公式二、公式三计算单位宽度软土地基上的土工格栅oa段的伸长量、拉力、沉降曲线中点最大沉降量和土工格栅边坡ob段、土工格栅边坡cd段、即ob、bc、cd段的总伸长量；

④选取土工格栅材料，要求单位宽度土工格栅在安装多根渗水管位置预留穿孔孔洞减少面积后的截面承受拉力；

⑤每片按单卷宽度截取雨水花园软土地基上土工格栅oa段，如单卷土工格栅总长度不足时焊接接长；按此长度截取多片土工格栅，雨水花园宽度=单卷宽度×片数-总重叠宽度；

⑥土工格栅在安装多根渗水管位置预留穿孔孔洞，孔洞周边焊接牢固；

步骤二、安装土工格栅

开挖雨水花园基坑，清理地基和边坡平整，保证表面无尖锐棱角硬度较大的杂物；

②将已截取的单片宽度的土工格栅中部放置在雨水花园基坑内，边坡顶两端的土工格栅锚固在雨水花园外侧的道路基层或面层中；

③再将另一片重叠宽度5cm～10cm铺设在预先放置的前一片土工格栅上，重叠处焊接牢固，直至铺满整个雨水花园宽度；

④按设计要求在临近土工格栅的锚固端处安装土工格栅应变仪，监测土工格栅拉力；

步骤三、填筑雨水花园结构层

填筑软土地基上土工格栅oa段顶部以上砾石，先从两角边o端点、a端点开始往中间分层填筑，用小型压实机械压实，填筑至渗水管位置时安装多根渗水管并接至预先埋置的雨水管道，继续填筑砾石直至达到设计厚度并压实整平形成砂砾垫层：

②在砂砾垫层顶面铺设无纺土工布过滤层，要求无纺土工布表面无褶皱；

③在无纺土工布过滤层上靠近边坡处开始往中间填筑细沙，表面整平形成细沙垫层；

④在细沙垫层上靠近边坡处开始往中间分层填筑粉砂土，并用小型压实机械压实；

⑤在粉砂土上种植苗木和安装景观石而形成绿化景观；

⑥在以上填筑雨水花园结构层过程中定时定人监测土工格栅拉力，须符合设计要求；

步骤四、施工溢流井

按设计图纸施工溢流井，并接通溢流井与雨水管道。

与现有技术相比，本发明主要提供了一种结构更新的海绵城市软土地基雨水花园结构，由于在软土地基和雨水花园的结构边坡上设置了土工格栅，故避免了在雨水渗流作用下引起的雨水花园整体沉降或局部不均匀沉降，从而有效保证了砂砾垫层、细沙垫层等整体结构的稳定性，确保了雨水花园的使用功能。因此，本发明是一种具有构造简单、施工便利、施工周期短、费用低、安全可靠、环境优美等优点的雨水花园结构，结合相应的施工方法，具有较高的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的结构立面示意图。

图2为土工格栅oa段的受力计算图式。

图3为雨水花园边坡处土工格栅边坡ob段、土工格栅边坡bc段和土工格栅边坡cd段的计算图式。

图4为土工格栅边坡ob段的计算图式。

图5为土工格栅边坡bc段的计算图式。

图6为土工格栅边坡cd段的计算图式。

具体实施方式

下面将按上述附图对本发明实施例再作详细说明。

如图1~图6所示，1.软土地基、2.土工格栅、21.土工格栅oa段、22.土工格栅边坡ob段、23.土工格栅边坡bc段、24.土工格栅边坡cd段、25.锚固端、3.砂砾垫层、4.渗水管、5.无纺土工布过滤层、6.细沙垫层、7.粉砂土、8.绿化景观、81.苗木、82.景观石、9.溢流井、91.设计暴雨期水位、92.溢流口。

海绵城市软土地基雨水花园及施工方法，属于海绵城市施工领域，其结构主要包括图1所示的软土地基1和雨水花园。

其中，软土地基1是指含水量高、压缩性大、透水性差、强度低和变形大的土质结构，在雨水渗流作用下会引起整体沉降或局部不均匀沉降，进而对雨水花园的砂砾垫层3、细沙垫层6和铺设的粉砂土7等产生变形，最终影响了雨水花园的使用功能。

所述的雨水花园是由下而上依次设置在软土地基1上的砂砾垫层3、无纺土工布过滤层5、细沙垫层6、粉砂土7和绿化景观8。

所述的砂砾垫层3是由砾石铺设而成并作为雨水花园的蓄水结构层，厚度，其中的砾石为平均粒径大于2mm，小于64mm的岩石或矿物碎屑物，并经河流冲刷无尖锐棱角。

同时，砂砾垫层3中铺设多根渗水管4，该多根渗水管均采用upvc材质，直径为100mm～150mm，管壁钻出直径3mm～5mm的小孔，穿孔率为30%，外包无纺土工布，每根渗水管的间距50cm～100cm，放置在砂砾垫层3高度中间偏下位置，以排泄过多的雨水至雨水管道，防止苗木81过度浸水不利生长。

所述的无纺土工布过滤层5是指在砂砾垫层3顶面铺设无纺土工布，该无纺土工布与外包渗水管4的无纺土工布相同，都是以聚丙烯树脂为主要生产原料不需要纺纱织布而形成的织物，作为过滤从上渗透的雨水用。

所述的细沙垫层6是由细沙铺设而成并作为雨水花园的渗水结构层，厚度，其中的细沙为粒径大于0.075mm的颗粒占全重80%～85%，含泥量小于3%。

所述的粉砂土7为粉土和砂土混合物，粘粒小于细沙，厚度，毛细作用较发达，晴天能储存雨水,雨天能缓慢渗水，同时作为苗木81等绿化景观的种植土，而绿化景观8主要为苗木81和景观石82的绿化景观构造。

另外，在软土地基1和雨水花园底部及结构边坡上设置土工格栅2，即在软土地基1和雨水花园的底部、软土地基1和雨水花园的结构边坡上设置土工格栅2，该土工格栅为钢塑土工格栅类，由高强度钢丝通过高密度聚乙烯包裹成高强度条带，不同网孔直径和钢丝根数按照平面经纬成直角构成，并经超声波焊接成型的土工合成材料，成品以标准宽度成卷包装。

本实施例的土工格栅2如图1所示，主要包括位于砂砾垫层3底部的土工格栅oa段21、连接土工格栅oa段的土工格栅边坡ob段22、位于土工格栅边坡ob段上一级的土工格栅边坡bc段23和位于土工格栅边坡bc段上一级的土工格栅边坡cd段24；所述的边坡顶两端的土工格栅2，即土工格栅边坡cd段24的端点d处锚固在雨水花园外侧的道路基层或面层中形成锚固端25；土工格栅边坡cd段24外设置有溢流井9，该溢流井的溢流口92相等于绿化景观8的设计暴雨期水位91，即超过设计暴雨期水位91高于的雨水能从溢流口92排泄至雨水管道。

所述的软土地基1上的土工格栅oa段21在其上的结构层荷载作用下，o端点或a端点受到拉力为，底面某一点沉降与压力满足文克勒假定，即土工格栅oa段21底面某点沉降与所受的压力成正比，其比例常数为，即；土工格栅2整体受力拉伸时，顶面和底面分别产生摩阻应力为；土工格栅边坡cd段d端的锚固端25锚固在雨水花园外侧的道路基层或面层中，土工格栅边坡ob段22、土工格栅边坡bc段23和土工格栅边坡cd段24也分别受到张拉力和摩阻力；所述的软土地基1上土工格栅oa段21的o端点或a端点拉力、土工格栅oa段21的沉降曲线中点最大沉降量和土工格栅边坡ob段22、土工格栅边坡bc段23、土工格栅边坡cd段24的张拉力由下列公式计算：

公式一、

上述积分方程一般没有解析解，近似以模拟土工格栅oa段21的变形曲线，即，则

公式二、

软土地基1上的土工格栅oa段21曲线的长度为

土工格栅2整体受拉力伸长后的总长度为

由下式可求得值：

公式三、

土工格栅边坡ob段22、土工格栅边坡bc段23和土工格栅边坡cd段24的总伸长为

其中

公式一、公式二和公式三中的各符号定义为：

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21中o端点或a端点受到的拉力，；

——分别为单位宽度雨水花园边坡处土工格栅边坡ob段22、土工格栅边坡bc段23和土工格栅边坡cd段24的b端点、c端点、d端点分别受到的张拉力，；

——分别为单位宽度雨水花园边坡处土工格栅边坡ob段22、土工格栅边坡bc段23和土工格栅边坡cd段24受到的摩阻力，；

——分别为单位宽度雨水花园边坡处土工格栅边坡ob段22、土工格栅边坡bc段23和土工格栅边坡cd段24在两端拉力作用下的边坡软土的正反力，；

——单位宽度雨水花园土工格栅2的容许拉力，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21其上的结构层荷载，；

——单位宽度雨水花园软土地基上的土工格栅oa段处沉降反力，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21底沉降反力比例常数，由试验确定，；

——分别为单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21顶面与沙砾垫层3之间的摩阻系数、土工格栅oa段21底面与软土地基1之间的摩阻系数，无量纲；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21横向从o端点开始至a端点的横坐标值，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21沉降曲线横向从o端点开始至a端点的纵坐标值，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21o端点的导数，，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21沉降曲线横向从o端点开始至的处横坐标值，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21沉降曲线横向从o端点开始至的处纵坐标值，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21从o端点开始至的处沉降反力，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21从o端点开始至的处摩阻应力，，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21沉降曲线o端点或a端点与横坐标轴的夹角，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21沉降曲线横向从o端点开始至的处与横坐标值的夹角，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21沉降曲线横向从o端点开始至的处弧长增量，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21沉降曲线横向从o端点开始至的处横坐标值增量，；

——分别为单位宽度雨水花园边坡处土工格栅边坡ob段22、土工格栅边坡bc段23和土工格栅边坡cd段24的b端点、c端点、d端点与横坐标轴的夹角，；

——分别为单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21沉降曲线的待定常数，，无量纲；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21土工格栅沉降曲线中点最大沉降量，；

——分别为单位宽度雨水花园土工格栅2的弹性模量、截面积，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21的长度，；

——分别为单位宽度雨水花园边坡处土工格栅边坡ob段22、土工格栅边坡bc段23和土工格栅边坡cd段24的长度，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21受拉力后沉降曲线的长度，；

——单位宽度雨水花园软土地基1上的土工格栅oa段21受拉力后的伸长量，；

——单位宽度雨水花园边坡处土工格栅边坡ob段22和土工格栅边坡cd段24、即ob、bc、cd段的总伸长量，。

所述的海绵城市软土地基雨水花园的施工方法主要包括如下步骤：

步骤一、土工格栅设计计算

根据海绵城市的总体规划和地质钻探资料，设计雨水花园规模和结构层的材料及厚度；

确定软土地基上的土工格栅oa段21和土工格栅边坡ob段22、土工格栅边坡bc段23、土工格栅边坡cd段24的长度；

③由公式一、公式二、公式三计算单位宽度软土地基1上的土工格栅oa段21的伸长量、拉力、沉降曲线中点最大沉降量和土工格栅边坡ob段22、土工格栅边坡cd段24、即ob、bc、cd段的总伸长量；

④选取土工格栅2材料，要求单位宽度土工格栅在安装多根渗水管4位置预留穿孔孔洞减少面积后的截面承受拉力；

⑤每片按单卷宽度截取雨水花园软土地基1上土工格栅oa段，如单卷土工格栅总长度不足时焊接接长；按此长度截取多片土工格栅，雨水花园宽度=单卷宽度×片数-总重叠宽度；

⑥土工格栅2在安装多根渗水管4位置预留穿孔孔洞，孔洞周边焊接牢固；

步骤二、安装土工格栅

开挖雨水花园基坑，清理地基和边坡平整，保证表面无尖锐棱角硬度较大的杂物；

②将已截取的单片宽度的土工格栅2中部放置在雨水花园基坑内，边坡顶两端的土工格栅锚固在雨水花园外侧的道路基层或面层中；

③再将另一片重叠宽度5cm～10cm铺设在预先放置的前一片土工格栅上，重叠处焊接牢固，直至铺满整个雨水花园宽度；

④按设计要求在临近土工格栅2的锚固端25处安装土工格栅应变仪，监测土工格栅拉力；

步骤三、填筑雨水花园结构层

填筑软土地基上土工格栅oa段21顶部以上砾石，先从两角边o端点、a端点开始往中间分层填筑，用小型压实机械压实，填筑至渗水管位置时安装多根渗水管4并接至预先埋置的雨水管道，继续填筑砾石直至达到设计厚度并压实整平形成砂砾垫层3：

②在砂砾垫层3顶面铺设无纺土工布过滤层5，要求无纺土工布表面无褶皱；

③在无纺土工布过滤层5上靠近边坡处开始往中间填筑细沙，表面整平形成细沙垫层6；

④在细沙垫层6上靠近边坡处开始往中间分层填筑粉砂土7，并用小型压实机械压实；

⑤在粉砂土7上种植苗木81和安装景观石82而形成绿化景观8；

⑥在以上填筑雨水花园结构层过程中定时定人监测土工格栅拉力，须符合设计要求；

步骤四、施工溢流井

按设计图纸施工溢流井9，并接通溢流井与雨水管道。

本发明所述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围内。