一种海绵雨水设施放坡角度的优化方法与流程

本发明属于放坡角度优化领域，具体涉及一种海绵雨水设施放坡角度的优化方法。

背景技术：

海绵城市建设主要是将客观的水资源—雨水加以利用，利用自然力量进行排水，并通过自然净化能力使水污染问题逐步得到改善。从海绵的水分特性上，可以简单的理解为：城市可以像海绵一样，让雨水在城市的利用与迁移过程中，更加的“便利”。更近一步的理解，可以认为，在降雨的过程中，雨水可以通过吸收、调蓄、下渗及处理净化等方式积累起来，等待需要时再将存蓄的水“释放”出来，用以灌溉、冲洗路面、补充景观水体和地下水等。

在海绵城市建设过程中，生物滞留设施由于其高效的雨水自然净化与处理特性，已成为城市市政道路上应用最广泛的低影响开发技术之一。生物滞留设施作为海绵城市体系中以“渗、滞、净”为主要作用的控制降雨径流的设施具有其独特作用。对局部初期降雨洪峰削减及径流总量的削减起到一定作用。生物滞留设施的放坡坡度在一定程度上也影响着水流滞蓄的容积及径流削减的快慢。设计一个合理的坡度，既可以满足生物滞留设施调蓄容积的要求，同时还可以使滞留设施在一定时间内更快的消纳雨水，更好的削减道路径流。

随着计算机的发展，有限元分析技术得到也得到了长足的发展，有限元分析软件也得到了广泛的应用。geostudio是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真分析、设计软件。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种海绵雨水设施放坡角度的优化方法，模拟不同放坡角度，在不同降雨条件下，滞留设施的滞蓄容积及雨水入渗对生物滞留设施周边建筑物及市政道路的影响。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，采用geostudio软件设定分析类型，首先进行稳态分析，再以稳态分析为母本，选择应力应变原位分析为其子项，初始孔隙水压力情形来自上级目录，建立耦合应力/孔隙水压力分析，给定分析问题所需的时间及分析步；

步骤二，按照生物滞留设施及周边建筑物或道路的实际尺寸，进行有限元建模，绘制区域并对网格进行划分，防渗膜铺设在生物滞留设施的侧面及底部；

步骤三，通过geostudio软件根据不同材料的饱和含水率和饱和渗透系数得出材料的土水特征曲线和渗透系数函数，并且在应力应变计算模块中，根据土体性质选择不同的本构模型并输入材料相关的物理力学参数；

步骤四，在geostudio软件中设置边界条件，模拟不同高度的积水；

步骤五，运行geostudio软件中的求解程序，求解器在每个单元的高斯点装配土体属性和几何信息，并将之应用到每个节点的渗流方程和位移方程进行计算；

步骤六，查看计算结果后，改变生物滞留设施侧面坡度，重复进行有限元计算求解；

步骤七，根据步骤六的求解结果，能够得到最优放坡角度。

采用geostudio软件的seep/w模块及sigma/w模块设定分析类型。

步骤一中，建立耦合应力/孔隙水压力分析时，其特征在于，瞬态分析中根据所分析问题的时间建立分析步。

生物滞留设施内包括不同材料属性的地基土、种植土、换填土、砾石层及防渗膜，其中地基土、种植土和换填土分别采用饱和/非饱和的粉质黏土和粉砂模拟，砾石采用饱和的材料模型模拟，输入砾石层的饱和含水量和饱和渗透系数，防渗膜用不透水的界面材料进行模拟。

步骤六中，查看计算结果时，能够查看某一截面的流量，通过对比不同时间流量的差值，计算出一定时间内滞留设施中滞留雨水量的大小；耦合应力应变分析中，能够查看各个工况下土体含水量变化及路面的位移变化。

步骤七中，在对比分析不同放坡角度下，相同时间时生物滞留设施的蓄水量大小及雨水入渗后对地基土含水量及周围道路或建筑物变形的影响，在不影响道路及建筑物正常运行的情况下，结合蓄水量的大小，选择最优放坡角度。

与现有技术相比，本发明能够通过geostudio软件对不同材料的饱和含水率和饱和渗透系数进行模拟，得到土水特征曲线和渗透系数函数，再结合本构模型并输入材料相关的物理力学参数，从而得到生物滞留设施侧面坡度的最优放坡角度，本发明能够直观反映给定降雨条件下滞留设施在侧面不同坡度时可调蓄容积的大小，以及雨水入渗对滞留设施及周边建筑物和道路中地基土的含水量及变形等的变化，为工程实际进行生物滞留设施设计优化提供参考。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明具体以市政道路上的入渗型生物滞留设施为例，采用本发明所述方法，通过观察不同工况下雨水入渗生物滞留设施对市政道路路基及地基土的影响，评估最优放坡角度。具体包括以下步骤：

步骤一，启动软件geostudio的seep/w模块，设定分析类型。选择第一步为稳态分析，再以稳态分析为母本，选择应力应变原位分析为其子项，初始孔隙水压力情形来自上级目录。生物滞留设施中积水的最不利时间为72h，因此下一步耦合分析中设定分析时间为72h，分析步为360步，按线性方式增加；

步骤二，根据市政道路及生物滞留设施的实际尺寸，进行有限元建模，生物滞留设施两侧道路各宽16m、8m。生物滞留设施上部宽3m，深度1.23m。绘制区域并对网格进行划分；

步骤三，输入材料，生物滞留设施内包括不同材料属性的种植土、换填土、砾石层及防渗膜，其中地基土、种植土和换填土分别采用饱和/非饱和的粉质黏土和粉砂模拟，用软件内置典型材料估计的方法，输入各层土体的饱和含水量和饱和渗透系数，得出对应的土水特征曲线和渗透系数函数；由于砾石的渗透系数很大，可以采用饱和的材料模型模拟，只需输入砾石层的饱和含水量和饱和渗透系数。防渗膜用不透水的界面材料进行模拟；

步骤四，设置边界条件。稳态分析中，设置地下水位为路面以下13m，得出初始状态时地基场的含水量分布。原位分析中，设定模型左右边界施加x方向约束，底部为固定约束。耦合分析中，本实施例选择最不利降雨条件即滞留设施上部积水高度20cm为降雨边界；

步骤五，工况设置，本实施例中分析防渗膜铺设情况分为4种工况：高宽比1:1、高宽比1:0.8、高宽比1:0.6、高宽比1:0.4；

步骤六，运行程序，在求解管理器窗口勾选稳态分析、瞬态分析及耦合应力应变计算，开始计算；

步骤七，查看计算结果，在渗流分析中，可以查看某一截面的流量，通过对比不同时间流量的差值，计算出一定时间内滞留设施中滞留雨水量的大小。耦合应力应变分析中，可查看各个工况下土体含水量变化及路面的位移变化。通过对照相关规范，对比不同放坡角度时路基及地基土的含水量及位移变化情况，在满足规范要求的前提下，选择最经济合理的放坡角度。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种海绵雨水设施放坡角度的优化方法，本发明能够通过Geostudio软件对不同材料的饱和含水率和饱和渗透系数进行模拟，得到土水特征曲线和渗透系数函数，再结合本构模型并输入材料相关的物理力学参数，从而得到生物滞留设施侧面坡度的最优放坡角度，本发明能够直观反映给定降雨条件下滞留设施在侧面不同坡度时可调蓄容积的大小，以及雨水入渗对滞留设施及周边建筑物和道路中地基土的含水量及变形等的变化，为工程实际进行生物滞留设施设计优化提供参考。

技术研发人员：张勋;胡志平;马越;王亚辉;王川
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2018.10.31
技术公布日：2019.02.01