生態(tài)混凝土路面透水特性研究

張 偉

1 概述

在城市建設(shè)中,我國(guó)的大多數(shù)城市都喜歡選擇整齊漂亮的石板材或水泥等不透水路面,包括人行道、自行車(chē)道、郊區(qū)道路、露天停車(chē)場(chǎng)、庭院和街巷的地面以及公共廣場(chǎng)等[1]。這樣的硬化路面雖然整齊耐用,但其最大的缺點(diǎn)就是不透水,會(huì)給城市環(huán)境帶來(lái)許多危害。

針對(duì)目前硬質(zhì)路面存在的問(wèn)題,采用透水性鋪裝是解決硬化路面各種問(wèn)題的最根本手段。而生態(tài)混凝土由于其優(yōu)點(diǎn),非常適于作為透水性鋪裝替代某些硬化路面。生態(tài)混凝土又稱為環(huán)境友好混凝土[2-4](Environmentally Friendly Concrete/Eco-concrete)。生態(tài)混凝土透水路面與普通的水泥混凝土路面相比,因?yàn)槠渚哂休^大的空隙率,能夠使雨水迅速地滲入地表,還原成地下水,使地下水資源得到及時(shí)補(bǔ)充。保持土壤濕度,改善城市地表植物和土壤微生物的生存條件,同時(shí)能與土壤相通,蓄積較多的熱量,有利于調(diào)節(jié)城市空間的溫度和濕度,消除熱島現(xiàn)象。當(dāng)集中降雨時(shí),能夠減輕排水設(shè)施的負(fù)擔(dān),防止路面積水和夜間反光,提高車(chē)輛、行人的通行舒適性與安全性。本文主要研究生態(tài)混凝土透水特性及其對(duì)徑流的削減作用。

2 材料與方法

2.1 生態(tài)混凝土特性

所選用生態(tài)混凝土的基本特性見(jiàn)表1。

表1 生態(tài)混凝土基本特性

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)區(qū)生態(tài)混凝土面積2 m2(1 m×2 m),厚度為5 cm,底部鋪有5 cm厚砂土。人工降雨裝置采用側(cè)噴式模擬降雨系統(tǒng),人工降雨強(qiáng)度范圍為0.1 mm/min～4.0 mm/min,用積水控制器控制表層積水深度不超過(guò)1 cm。記錄積水深度以及漫流水體積,用以計(jì)算不同時(shí)刻的下滲率。

3 結(jié)果及分析

3.1 生態(tài)混凝土透水特性

整個(gè)過(guò)程中下滲率隨時(shí)間的變化如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)的初始下滲率非常高,這主要是由于生態(tài)混凝土具有很高的透水率,在降雨的初期生態(tài)混凝土孔隙內(nèi)以及下層砂土中的含水率很低,不致成為限制因素,其飽和浸潤(rùn)相對(duì)于不透水路面要經(jīng)歷很長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,下滲率有一個(gè)較明顯的下降過(guò)程,也就是徑流開(kāi)始產(chǎn)生的過(guò)程。這說(shuō)明系統(tǒng)的含水率已經(jīng)迅速上升,開(kāi)始成為制約因素。這一過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間相對(duì)較短。

最終下滲率趨于穩(wěn)定,降雨的很大一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閺搅?。穩(wěn)定下滲率與初始下滲率相差很大,比較接近砂土的下滲率。這說(shuō)明在穩(wěn)定下滲過(guò)程中影響下滲率的主要制約因素是下層土壤的滲濾情況。

3.2 生態(tài)混凝土下滲方程

根據(jù)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用霍頓方程描述下滲曲線[5],方程形式為:

其中,ft為 t時(shí)刻的入滲率,mm/min;f0為初始入滲率,mm/min;fc為穩(wěn)定入滲率,mm/min;k為入滲衰減指數(shù),min-1。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及上述方程,綜合考慮土壤的雨前持水條件,通過(guò)曲線擬合,得到下滲方程:

3.3 對(duì)城市地表徑流的削減作用

根據(jù)某市暴雨強(qiáng)度公式[6]結(jié)合Keifer和Chu提出的芝加哥下水道設(shè)計(jì)雨型的原理,可以求得瞬時(shí)雨強(qiáng)公式為[7]:

雨峰前:

雨峰后:

其中,I1,I2分別為雨峰前t1時(shí)刻和雨峰后t2時(shí)刻的瞬時(shí)雨強(qiáng)。

降雨過(guò)程中,當(dāng)僅考慮下滲損失時(shí),歷時(shí) t內(nèi)降雨量Q所產(chǎn)生的地表徑流為:

實(shí)際過(guò)程中,由于雨強(qiáng)在某些時(shí)段有可能小于下滲率,因此應(yīng)結(jié)合下滲強(qiáng)度計(jì)算實(shí)際徑流強(qiáng)度(I-f),最終可得徑流系數(shù)為:

不考慮初損,按照上述公式和方法,計(jì)算得到某市各降雨歷時(shí)t和重現(xiàn)期P下,生態(tài)混凝土透水路面的徑流系數(shù)(見(jiàn)表2)。

表2 生態(tài)混凝土路面徑流系數(shù)計(jì)算結(jié)果

結(jié)果表明,透水路面替代傳統(tǒng)的不透水路面(徑流系數(shù)一般為0.9)對(duì)地表徑流具有明顯的削減作用。暴雨重現(xiàn)期越小,下滲量占降雨量的比例越大,地表徑流系數(shù)越小,對(duì)地表徑流削減的程度越顯著;降雨歷時(shí)越長(zhǎng),地表徑流系數(shù)越小,地表徑流削減比例越大。

4 結(jié)語(yǔ)

不透水路面給城市環(huán)境帶來(lái)許多危害,采用生態(tài)混凝土透水性路面是解決硬化路面各種問(wèn)題的有效手段。生態(tài)混凝土雨水入滲實(shí)驗(yàn)、城市地表徑流的削減實(shí)驗(yàn)表明生態(tài)混凝土具有較高的透水率,并對(duì)地表徑流具有明顯的削減作用。

[1]王立久,汪振雙,趙善宇.綠色生態(tài)混凝土技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].混凝土,2009(7):1-3,10.

[2]石從黎,王 智,張 思.生態(tài)混凝土在城市建設(shè)中的應(yīng)用[J].科學(xué)咨詢,2009(3):67-68.

[3]李慶剛.生態(tài)混凝土的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].山西建筑,2007,33(4):183-184.

[4]張開(kāi)猛,蔣友新,譚克鋒.生態(tài)混凝土研究現(xiàn)狀及展望[J].四川建筑科學(xué)研究,2008,34(1):152-155.

[5]仝玉才,延躍興.霍頓入滲方程參數(shù)的直接擬合法[J].山西水利科技,1997(2):26-29.

[6]謝五三,程 智.暴雨強(qiáng)度公式推求研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35(25):7750-7751,7766.

[7]Gupta K.,Saul A.J.Specific relationships for the first flush loadin combined sewer flows[J].Wat.Res,1996(30):1244-1252.