探討：海綿城市雨水滲井系統建設關鍵問題
雨水滲井是我國古代城鎮曾經通用的排水技術之一，在當代新型城市雨洪管理理念革新背景下有了新的發展與應用需求。針對傳統雨水滲井設計缺乏系統定量分析、粗獷建設等問題，系統梳理國家海綿城市建設經驗，結合理論研究與工程實踐，圍繞雨水滲井選型、規模計算、結構與填料設計、預處理設計及施工等環節總結探討，提出改進建設思路、加強跨學科研究的建議。 環保網站www.yadijia.com
雨水滲井作為我國海綿城市建設“滲、滯、蓄、凈、用、排”技術體系中專用滲透類雨水設施，可實現匯水區雨水速滲，有效削減徑流總量與峰值，緩解排水壓力，涵養地下水源，在豎向改造難度大的城市低洼區或管網不健全、排水無出路地區具有重要工程應用價值。2014年，住建部頒布《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建》，闡述了雨水滲井概念及典型構造，但對不同應用場景下雨水滲井系統設計、施工缺少具體方法指引，國家層面暫無專門規范借鑒，各地建設缺乏標準，質量參差不齊。目前，一些地區主要參照河床取水滲井、公路排水滲井、工程降（排）水井等專利、文獻資料設計建造，對雨水滲井在排水防澇體系中作用、徑流調控機制與滲井結構關系缺乏系統研究。傳統滲井大多利用天然河砂、碎石、建筑垃圾骨料等作填料，強調“水量速滲”，忽視“水質污染風險控制”，同樣缺乏深入探究。為此，筆者通過國家海綿城市試點建設調研，總結團隊實踐研究成果，圍繞雨水滲井分類選型、規模計算、結構與填料設計、施工方法等進行探討，旨為適宜地區雨水滲井建設提供經驗參考。
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1 雨水滲井分類及適用場景 www.yadijia.com
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系統梳理我國各地雨水滲井建造形式，按其屬性特征可分為： www.yadijia.com
結構與滲流方式：垂直入滲式、輻射滲透式、滲排一體式（見圖1）；
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井體材料：磚（石）砌式、鋼筋混凝土式、塑料式、硅砂混凝土式、鋼波紋管式、玻璃鋼管式等； 工業凈化www.yadijia.com
填料類型：砂石滲井、建筑再生骨料滲井、人工改性填料滲井；
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布設形式：單井式、井群式。各類滲井技術特性及適用條件如圖1所示。
圖1 雨水滲井典型結構與滲流方式
工程設計中，雨水滲井徑流調控作用會因其所處排水防澇體系位置的不同而異。筆者從海綿城市“源頭減排-過程控制-系統治理”三段式雨水系統構建角度出發，將雨水滲井劃分為：源頭減排滲井、過程控制滲井和終端消納滲井（見圖2）。源頭減排滲井適用于小區、廣場等產匯流源頭地塊下墊面徑流削減；過程控制滲井主要用于排水區市政雨水管網轉輸流量的中途削峰，減輕下游管網排水壓力；終端消納滲井則用于排水系統末端雨水集中削減。
雨水滲井設計選型時，應根據其系統功能定位、匯水區特征（降雨特征、匯水面積、下墊面污染水平）、擬建場地工程地質（穩定性、承載力）、水文地質（地下水埋深、土壤滲透性）及周邊建構筑物基礎埋設條件等，由圖3經技術經濟比較確定。工程選址時注意：
擬建場地及匯水區內不得有有毒有害物質生產、儲存與堆放場所；
地下水源井周邊30 m范圍不得建設雨水滲井，范圍外選址時應避開補給區并評估污染風險；
擬建場地適宜性評價應結合工程地質資料，分析地層穩定性、承載力，同時進行水文地質勘察，分層（分段）開展注水試驗 ，評判地下水以上土體滲透性；
雨水滲井設置于建筑小區時，距離建筑物基礎水平距離應≥5m；
應用于存在徑流污染、設施底部距離季節性最高地下水位＜1.5m或距離建（構）筑物基礎水平距離＜5m區域時，應采取預凈化、防滲等措施防止污染及次生災害；
濕陷性黃土場地滲井建設應經專門論證；濕陷等級低、土層薄的非自重濕陷場地，可考慮貫穿式滲井結構；
地下水位過高且徑流污染嚴重、地下水保護嚴格地區，易坍塌、滑坡等不良地質區，高等級、大厚度自重濕陷性黃土區，土壤滲透性嚴重不良且開挖處理成本過高地區不適合建設。
圖3 雨水滲井分類及適用場景
2 系統設計
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2.1 規模計算
2.1.1 設計進水量
目前，雨水滲井設計進水量（Vc）算法較多，易出現未考慮其排水系統中功能定位，混淆使用，導致規模偏大/小的情形。筆者建議分3種情況：
（1）用于雨水源頭減排目標時，宜按式（1）計算：
式中 Vc1——設計進水量，m3；
H——場地年徑流總量控制率對應設計降雨量，mm；
φc——匯水區綜合雨量徑流系數；
F——雨水滲井匯水面積（含自身），hm2。
（2）用于雨水峰值（管道洪峰流量）削減目標時，可按式（2）估算：
式中 Vc2——設計進水量（調節削減水量），m3；
μ——脫過系數，雨水滲井下游出水管道設計流量與上游進水管道設計流量之比；
Qi——雨水滲井上游管道設計流量，m3/min；
b、n——當地暴雨強度公式參數；
t——降雨歷時，min。
（3）用于項目/區域雨水終端消納時，可按項目/區域室外排水設計重現期對應暴雨強度計算，見式（3）：
式中 Vc3——設計進水量，m3；
A1、C——當地暴雨強度公式參數；
P——室外排水設計重現期；
ψc——匯水區綜合流量徑流系數；
tc——設計降雨歷時，min，一般≤120min。
2.1.2 設計滲透量
設計時，忽略雨水非飽和—飽和入滲變化過程及其各向異性，基于達西定律計算見式（4）：
式中 Wi——滲井滲透量，m3；
δ——安全系數，宜取0.5~0.8，匯水區下墊面易積淀泥沙、塵土時，取低值，較潔凈時，取高值；
K——滲透土層飽和滲透系數，m/s；
J——水力坡度，一般取1；
A——滲井有效滲透面積，水平滲透面按投影面積算，豎直滲透面按1/2設計水位高度計算，m2；
ti——入滲歷時，min。
式（4）中，K應以現場注水試驗確定。勘察時，實測滲井底部及周邊土壤滲透速率應≥5×10-6m/s，宜在6×10-5~6×10-4m/s（中粗砂滲透系數區），不宜超過1×10-3m/s（無足夠停留時間凈化）。對于地下水以上可滲透成層土（飽和含水），其等效滲透系數可按式（5）計算：
式中 Ke——滲透土層等效滲透系數，m/s；
hp——滲透土層上方蓄水深度，m；
hj——土層j厚度，m；
kj——土層j滲透系數，m/s。
式（4）中，ti取值分兩種情形：①匯水面徑流通過滲井快速下滲且不允許周邊積水時，應按當地多年平均降雨歷時取值，一般取2~3 h；②匯水面徑流量大且允許滲井周邊存在積蓄滯區，雨后一定時間完成排空時，可取12~48 h。
2.1.3 設計儲存容積及有效滲透面積
（1）雨水滲井頂部設有蓄水空間時，其有效儲存容積可按式（6）、式（7）計算：
（2）滲井頂部不設滯蓄空間或很小時：Vt=0，其有效儲存容積Vs等于填料孔隙儲水容積，有效滲透面積按忽略Vs后的式（8）計算。
根據進水流量與土壤滲透速率校核Vs、A，結合滲透土層埋深、進出水管標高、填料厚度與孔隙率分配滲井頂部和填料內部蓄水容積；結合滲井結構及貫入滲透土層深度，分配有效滲透面積，垂直入滲井按井底滲透面積疊加井壁開孔面積分配，輻射滲透井按井底滲透面積疊加水平滲透管開孔面積分配。開孔孔徑、開孔率還應經結構專業校核。
2.2 結構與填料設計
2.2.1 結構與材料
根據上述計算初步確定雨水滲井內徑及深度，井壁結構與材質應考慮擬建場地地質，經結構演算確定。一般情況下，源頭減排滲井多采用垂直入滲或輻射滲透式，過程控制與終端消納滲井采用滲排一體或垂直入滲式。輻射滲透式滲井多采用磚砌，滲排一體式滲井多采用塑料成品井，垂直入滲式滲井可采用磚砌、鋼筋混凝土、鋼波紋管或玻璃鋼管等形式。磚砌式滲井要求地基承載力穩定、不易沉降，結構抗剪性能可承受側壁土壓（無配筋磚砌體結構抗側壁土壓力弱，工程實踐中，井體上部易擾動土層可結合放坡，設計成倒梯臺“”結構），井壁厚度≥240 mm，結構深度宜≤6 m，不適用于軟土、高地下水位等地區。磚砌輻射滲井（見圖2b）輻射滲透管敷設坡度宜≥2%，扇形布置，4~8根/層，管長根據排水量確定，管徑宜≥150 mm，開孔孔徑宜為8~12 mm，采用PE、PVC-U等塑料管材時，開孔率宜為1.5%~3%。滲透管外圍可填充1.5~2倍管徑厚度的礫/碎石層（粒徑＞開孔孔徑），并用透水土工布包裹。
鋼筋混凝土滲井抗壓強度高、抗浮性強、耐久性好、自重大，深度適用廣（幾米至幾十米），井徑、井壁厚度應滿足下沉深度、強度、剛度及穩定性（抗滑、抗浮、抗傾）要求，符合《水工混凝土結構設計規范》（SL 191）規定。團隊運用ABAQUS軟件，模擬不同工況下（不同井徑、壁厚、埋深、開孔率）應力場，推求結構最大拉力值，依據《混凝土結構設計規范》（GB 50010）配筋計算，獲取保證鋼筋混凝土滲井安全的參數值。鋼筋混凝土垂直滲井（見圖2a）井底與井壁開孔區宜填充碎石滲透層，滲透層高度與開孔區高度一致，外包透水土工布或整體設為級配反濾結構。
塑料滲井多采用PE或PP成品井，自重輕，占地小，抗浮性弱，井徑一般≤1.5m，結構深度≤7m，井壁采用實壁或帶肋結構，壁厚、材料性能應符合《市政排水用塑料檢查井》（CJ/T 326）規定，開孔后井筒環剛度應滿足抗側壁土壓要求。滲排一體式塑料滲井（圖2c）井內應設0.3m沉沙室，井間距≤150倍滲管管徑，滲管管徑、敷設坡度（宜1%~2%）應滿足雨水排放流量要求。
除以上典型結構外，近年來，鋼波紋管、硅砂混凝土等材料也被用于雨水滲井建造。鋼波紋管滲井采用熱軋鋼板波形鋼片拼接而成，井徑、井深適用廣，適應地基變形能力強，自重小，可用于軟土、膨脹土區域。硅砂混凝土滲井采用具有透水功能（透水系數≥2.5×10-4m/s）的硅砂砌塊砌筑而成，無須結構開孔，適用于小區、公園等徑流水質良好（低濁）地區的小深度滲井，材料性能及強度等應符合《硅砂雨水利用工程技術規程》（CECS 381）規定，寒冷地區應用時須滿足抗凍要求。
此外，實踐還應考慮場地空間、工期（磚砌式、現澆鋼筋混凝土式>預制鋼筋混凝土式、鋼波紋管式>塑料式）、造價（鋼筋混凝土式>磚砌式>鋼波紋管式>塑料式）、使用壽命等因素，綜合比選后確定結構方案。團隊在上述結構基礎上，集成相關技術優點，提出一種組合式雨水滲井結構（見圖4）。
該結構由上端濾料池（集中凈化區）與下部泄水管組合而成。濾料池設計采用鋼筋混凝土或鋼波紋管，池底向泄水管方向找坡；泄水管根據泄水量要求布設單根或多根，采用玻璃鋼管、鋼波紋管等套接下沉。泄水管壁厚滿足抗側向土壓要求，穿越滲透不良土層或濕陷性黃土層時，側壁不開孔，貫入砂層部分開孔。該結構采用“小深度，同管徑；大深度，分段變換管徑（上大下小）”的結構力學穩態設計，有利于不同埋深、材質滲井性能互補發揮，減少結構耗材及開挖成本，節省投資。凈化與滲排分體式設計也便于后期堵塞、污染后集中維護，降低運維成本。目前已在西咸新區多個海綿型建筑小區推廣應用。
2.2.2 填料
填料是雨水滲井設計又一關鍵，既要滿足速滲，又須規避地下水污染。設計時，應根據進水水質、水量、排空時間、包氣帶深度及地下水保護目標等綜合確定填料厚度、類型、粒徑組成等參數。
雨水滲井填料厚度（hf）理論最大值為整個井深（即地表至滲井底以上包氣帶深度，井底貫入滲透土層深度應≥側壁滲透區高度）。設計時，考慮到相鄰場次降雨排空要求，填料厚度應滿足式（9）：
雨水速滲同時可能引發地下水污染，因此，填料厚度須滿足污染凈化需要。現行《建筑與小區雨水控制與利用技術規范》規定“井底滲透面距地下水位距離不應小于1.5m”，是基于填料與滲透土層協同凈化考慮，未考慮匯水區污染類型及水平。因此應盡量讓污染集中于填料區，減少向地下水上方滲透土層遷移（污染修復代價大）。為此，可通過進水目標污染物濃度與地下水水質限值要求，確定滲井水質控制最小填料厚度hf-min。鑒于徑流污染特征及填料多樣性，建議用以下方式確定hf-min：
采用等溫吸附實驗確定目標污染物飽和吸附量，通過設計進水流量、使用年限等確定填料對目標污染物吸附能力基準，結合吸附量實測值與基準值估算填料厚度；
搭建不同填料厚度土工模型，通過實際雨水或模擬配水試驗確定不同填料厚度徑流污染削減效率，推算達到凈化目標填料厚度；
搭建固定填料厚度土工模型，用實際雨水或模擬配水試驗確定污染削減效率，建立HYDRUS等模型，模擬確定最優厚度。
綜上，確定滲井填料厚度hf∈［hf-min，hf-max）。
徑流污染削減效果還與填料類型、粒徑及滲透速率有關。傳統速滲為主的雨水滲井，填料多采用粗粒徑、單一組分礫石或建筑骨料。匯水區存在污染、地下水保護嚴格時，筆者建議采用中粗砂填料或改良填料（基本填料+改良劑）。基本填料宜以中砂（0.35~0.50mm）、粗砂（0.50~2mm）為主，改良劑選用強吸附性材料，根據滲井進水污染特征確定。團隊通過分析海綿鐵、高爐渣、沸石等改良劑特性，采用混合填料濾柱試驗，比較不同進水流量（0.5a、1a、2a 重現期，歷時90min，匯流比1∶150）、不同進水污染濃度（見表1）等9種工況下，基本填料與改良劑摻混比例（見表2）、改良劑類型對滲井滲透性能及凈污效果的影響。
表2 雨水滲井填料配比（體積比）方案
結果（見圖5）表明：
添加海綿鐵可顯著提高TP、NO-3-N、Zn去除，添加活化沸石可提高NH3-N去除，添加高爐渣可提高NH3-N、Cu去除；
試驗條件下，體積比 90%基本填料+5%高爐渣+5%沸石對COD削減效果最好，90%基本填料+10%海綿鐵對NO-3-N、TP削減效果最好，90%基本填料+10%沸石或90%基本填料+5%高爐渣+5%沸石對NH3-N、TN削減效果較好，90%基本填料+5%海綿鐵+5%高爐渣對Cu、Zn、Cd削減效果最好；
改良劑添加比例由10%增至30%~45%時，反應原料、吸附點位、陽離子交換量增加，但同時提高了混合填料滲透速率，徑流污染接觸反應時間縮短，綜合削減率提升不大且原材料成本增加。
實踐中，匯水區徑流污染輕（如小區、公園），滲井以速滲為主時，基本填料宜選0.50~2 mm粗砂，改良劑可選粒徑較大的火山石、陶粒、高爐渣等以5%~10%體積比摻混；徑流污染較重，滲井兼具速滲和凈污功能時，宜選0.35~0.5mm中砂做基本填料，同時宜選粒徑小、凈化能力強的海綿鐵、活化沸石、麥飯石等材料以10%~20%體積比摻混，結合填料厚度設計實現系統目標。
2.3 附屬設施設計
2.3.1 預處理設施
上述試驗為評價不同配比填料凈污效能，采用了較高配水濃度（較長雨前干燥期才出現的負荷）。實踐中，徑流污染較重時，不宜由滲井承擔全部污染削減，而是通過前端預處理設施控制進水水質，降低填料堵塞污染頻率及運維成本。
雨水滲井預處理工藝可分為灰色和綠色兩類。城市徑流可生化性差，一般不適合生化法處理。傳統灰色工藝主要采取攔污沉淀、棄流、過濾等單一或組合方式，根據進水水量水質、處理目的及場地空間確定（見圖6）。攔污一般采用格柵、截污掛籃等設施，攔截樹葉、垃圾，沉淀泥沙。棄流主要采用容積法、水流切換法等對存在初期沖刷、污染負荷較高的早期徑流予以棄除，常用雨落管棄流、液位式/雨量式自控棄流設施，棄流量根據匯水面實測COD、SS等污染物濃度確定，無資料時，屋面、地面分別采用2~3 mm、3~5 mm厚度棄流。成品棄流設施規格、構造及自控等技術參數根據處理量、維護要求與廠家共同確認。經攔污、棄流處理后，可結合雨水回用設置過濾設施進一步降低污染負荷，常見有精密濾網過濾或簡易介質過濾。在此，需特別強調的是雨水滲井本身也是處理設施，應權衡其建設使用與預處理設施投入關系，不宜照搬傳統混凝沉淀、濾池過濾、膜濾等工藝，增加建設運維成本同時，也因過度處理失去滲井建設意義。實踐中，應結合匯水區污染特征、填料凈化能力、出水水質及地下水環境容量，設定滲井進水水質控制目標，由預處理設施分擔匯水區與滲井進水端污染負荷差值，以此確定預處理工藝及設施規模。
設計時，根據滲井匯水區下墊面性質、豎向，結合子匯水區劃分，合理布置綠色雨水設施，綜合測算綠色雨水設施系統對匯水區徑流污染削減程度。根據滲井進水水質控制目標，結合匯水區基底徑流污染特征，優化確定綠色雨水預處理設施規模。
實踐中也可采取初期棄流/沉淀+生物滯留等灰-綠設施結合方式實現系統預處理目標。須強調的是，預處理并非萬能，醫院、垃圾場站等傳染性疾病、嚴重化學污染場所不得設置雨水滲井。
2.3.2 其他附屬設施
除預處理設施外，雨水滲井附屬設施還包括溢流口/管/通道、爬梯、檢修孔、防墜落裝置、警示標志等。
①過程控制滲井（削峰調節）應設溢流通道與下游管網銜接；源頭減排與終端消納滲井按需設置溢流口。溢流口/管/通道過流能力不應低于設計最大進水流量；溢流標高應根據滲井調節容積、下游管網/河道水位標高等確定，溢流口/管處應設置濾網以防堵塞。
②滲井頂部蓄水深度>1m時，應設置踏步或爬梯（可參考97S501、02S515、14S501等國家標準圖集設計），以便檢修養護；有頂蓋的滲井應設檢修孔（可參考05S804國家標準圖集設計）。
③為防止非工作人員或動物墜入，大深度滲井周邊應設置防護網、井口防墜網及警示標志。
3 系統施工
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粗獷施工是導致雨水滲井功能低下重要因素。雨水滲井施工時，應根據滲井結構、材質、埋深、土壤地質等，選用明挖法或沉井法。一般情況下，深度<10m，無不良地質，土層穩定的開闊場地，可采用明挖法；大深度滲井宜用沉井法。磚砌滲井、塑料滲井、鋼筋混凝土滲井等可采用明挖法，預制鋼筋混凝土、玻璃鋼管、鋼波紋管等成品井可采用沉井法（參照《沉井與氣壓沉箱施工規范》（GB/T 51130）。
總結傳統雨水滲井施工中質量通病和易忽視細節，強調：
（1）土方開挖與地基處理：應根據土質、地下水位、井室斷面、荷載條件等制定基坑支護方案；機械開挖不得擾動井底原狀地基土，預留200~300mm土層由人工開挖至設計高程整平；驗槽時，應采用雙環法或單環法復測土基滲透系數；根據設計設置中粗砂或碎石墊層，嚴禁使用灰土等不透水墊層；開挖時，井邊預留填充滲透層位置。
（2）主井施工：
①磚砌式滲井：應符合《砌體工程施工質量驗收規范》（GB 50203）規定；輻射管與主井同步施工且隨砌隨安裝；輻射管兩側礫石層對稱鋪設，避免管道產生位移；井室四周應分層對稱回填，每層≤300mm，采用人工回填、夯實，嚴禁使用機械推土滾壓。
②鋼筋混凝土滲井：應符合《混凝土結構工程施工質量驗收規范》（GB 50204）規定；現澆結構應分層澆圈、連續澆筑，養護后分層回填；預制結構安裝前做好構件復驗與裂縫鑒定。
③成品滲井（鋼波紋管、玻璃鋼、塑料）：運輸吊裝中避免碰撞損壞；回填時沿井體分4~6個位置對稱回填，避免側壓不均造成井壁變形，實時觀測井體、接管變形。
④其他：隨時用經緯儀、鋼尺等觀測校正滲井垂直度，控制偏斜量；注意保護基底滲透層，避免堵塞污染；嚴密監測周圍建構筑物及管線沉降、變形，采取保護措施；進、出水管等附件安裝完成后須校準位置偏差。
（3）功能驗收：施工完畢后，應飽和注水觀測滲井進出水及整體下滲情況（滿足設計要求或大于地勘注水試驗均值），不得缺失。
4 結語與展望
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雨水滲井作為我國海綿城市技術體系代表性措施之一，是一項涉及多專業協同的系統工程。針對各地實踐生搬硬套，缺乏研究支撐，建成后運行效率低、生命周期短、地質災害與污染頻發等問題，建設思路應由“單井設計”向“匯水區系統關聯設計”轉變、“地質適宜性”向“地質、環境長期適應性”轉變、“水量速滲”向“灰綠結合，水量水質調控并重”轉變，重視建設前匯水區評估與建成后運行效果、沉降變形等觀（監）測跟蹤。加強水專業與巖土、結構、材料等專業對話，關注不同水文地質條件下雨水滲井結構設計適宜性研究、滲井工藝參數基礎試驗與經濟高效抗衰減填料研發、雨水集中入滲回灌對地下水涵養及水環境、地質環境等長期影響模擬預測與風險評估等研究方向，持續改進雨水滲井設計、施工與維護方法。為科學推廣海綿城市雨洪控制與資源化理念夯實技術保障。
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