具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土鋪裝對徑流削減試驗研究

王俊嶺，宋健，張玉玉，張雅君，李俊奇

（1.北京建筑大學(xué) 城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京　100044；2.北京建工建筑設(shè)計研究院，北京　100044）

?

具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土鋪裝對徑流削減試驗研究

王俊嶺1，宋健1，張玉玉2，張雅君1，李俊奇1

（1.北京建筑大學(xué) 城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京100044；2.北京建工建筑設(shè)計研究院，北京100044）

摘要：具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土鋪裝是在傳統(tǒng)透水混凝土鋪裝基礎(chǔ)上的一種新型的透水鋪裝形式。對具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土鋪裝的徑流控制作用進(jìn)行了試驗。結(jié)果表明，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為1年時，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路比普通道路、常規(guī)透水混凝土道路徑流產(chǎn)生時刻分別晚55min、43min，峰現(xiàn)時刻時間分別晚80min、30min，洪峰流量削減率分別高70%、10%；隨著降雨重現(xiàn)期的延長，產(chǎn)流時間和峰現(xiàn)時間呈現(xiàn)縮短趨勢。具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土比常規(guī)透水路面對延遲產(chǎn)流時間和峰現(xiàn)時刻、削減洪峰水量具有更好的作用，可以為該創(chuàng)新型低影響開發(fā)技術(shù)的國內(nèi)應(yīng)用設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：透水混凝土；導(dǎo)滲導(dǎo)排管；低影響開發(fā)；暴雨管理；洪峰削減

0　引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，不透水硬化地面比例越來越大，導(dǎo)致城市在降雨后雨水難以快速排放，產(chǎn)生積水內(nèi)澇。同時，城市規(guī)模的擴(kuò)大，使熱島效應(yīng)加劇，強(qiáng)對流天氣引發(fā)的局部暴雨有加強(qiáng)的趨勢［1-2］。越來越多的國家開始應(yīng)用透水混凝土鋪裝路面，以實(shí)現(xiàn)雨水還原［3-6］，維持城市水循環(huán)。2009年大明宮國家遺址公園御道廣場采用露骨料透水混凝土，廣場鋪裝面積達(dá)15萬m3，取得了非凡的效果［7］。透水路面在一定程度上解決了不透水地表帶來的問題，能夠在維持城市水循環(huán)的基礎(chǔ)上，加大雨水滲透量［8-9］，削減徑流量，削減洪峰，凈化雨水污染物［10-12］，有效防止城市內(nèi)澇，緩解河道及城市水處理廠的污染負(fù)荷［6，13］。渡邊會弘（Watanabe S）在日本橫濱進(jìn)行透水性道路鋪裝徑流控制研究試驗中發(fā)現(xiàn)，透水性道路鋪裝設(shè)施的使用有效削減了15%～20%的徑流洪峰量［14］。有研究發(fā)現(xiàn)［15］，透水鋪裝對于小型降雨或大暴雨的初期沖刷的徑流和污染物的削減有著良好的效果。現(xiàn)有的透水鋪裝一般儲水容量?。?6］，內(nèi)部滲透速度較慢，所以在大暴雨情況下，對徑流的削減作用也有限。

具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土鋪裝技術(shù)是一種新型的透水鋪裝形式。此技術(shù)有效地提高了透水鋪裝孔隙率，提高了鋪裝系統(tǒng)內(nèi)儲水量，在遭遇大暴雨時可儲存更多雨水，減少地表徑流。具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土鋪裝技術(shù)的應(yīng)用，可有效地緩解道路積水問題，延遲道路徑流形成，減小道路洪峰流量。但其水文功能方面尚缺乏相應(yīng)實(shí)驗數(shù)據(jù)支撐。因此，對導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土鋪裝的產(chǎn)流時間、峰現(xiàn)時間及洪峰延遲時間和削減率等方面的特性進(jìn)行試驗研究，為“海綿城市”建設(shè)提供設(shè)計依據(jù)。

1　試驗裝置與試驗方法

1.1人工模擬降雨裝置

試驗中采用人工模擬降雨裝置，如圖1所示，其有效規(guī)格為12m×18m，共分為4個區(qū)域。人工模擬降雨裝置降雨高度為15m，降雨連續(xù)變化范圍為25～250mm/h，降雨均勻度系數(shù)大于0.9；雨滴大小范圍為1.5～5.0mm，其降雨調(diào)節(jié)精度可達(dá)7mm/h。試驗中，可根據(jù)不同的試驗要求，自行設(shè)置相應(yīng)的降雨過程。

圖1　人工模擬降雨裝置

1.2具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土試驗裝置

具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水水泥混凝土路面試驗裝置由0.6 m×0.6m×0.85m的試驗槽組成，試驗槽內(nèi)按照實(shí)際道路鋪裝方式進(jìn)行敷設(shè)，面層采用200mm厚的透水混凝土鋪裝，透水混凝土根據(jù)CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定混合攪拌均勻，利用靜壓成型方式鋪裝成型，面層孔隙率≥30%。導(dǎo)滲導(dǎo)排管置于面層底部，采用DN100的玻璃鋼夾砂管，導(dǎo)管橫向鋪設(shè)，表面穿孔，管表面敷設(shè)土工布，導(dǎo)管間孔隙填充透水混凝土。裝置中，各層底部敷設(shè)穿孔管，用于試驗取水。穿孔管直徑為20mm，導(dǎo)滲導(dǎo)排管和穿孔管上開孔直徑均為2mm，開孔間距10mm。穿孔管表面敷設(shè)土工布。同時，裝置一側(cè)設(shè)置水位計，各層取水口及排水口設(shè)置閥門，閥門后安裝軟管，如圖2、圖3所示。另外，本研究同時制作了常規(guī)透水混凝土鋪裝及普通混凝土道路鋪裝裝置，以便進(jìn)行試驗結(jié)果的對比。

圖2　具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土鋪裝系統(tǒng)

圖3　路面試驗裝置

2　試驗結(jié)果與分析

2.1不同降雨條件下的產(chǎn)匯流特征

利用人工模擬降雨裝置和鋪裝裝置，模擬在不同降雨條件下具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路、常規(guī)透水混凝土道路、普通道路的匯流過程，并記錄產(chǎn)流時間和峰現(xiàn)時間。試驗在設(shè)計降雨強(qiáng)度下，分別對普通道路及常規(guī)透水混凝土道路各選擇了5種不同降雨條件進(jìn)行了試驗，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路選了9種。

2.1.1不同降雨條件下的產(chǎn)流特征（見圖4）

圖4　不同降雨條件下不同鋪裝道路產(chǎn)流時刻特征曲線

圖5　不同降雨條件下不同鋪裝道路峰現(xiàn)時刻特征曲線

從圖5可見，在降雨重現(xiàn)期為1年的條件下，普通道路洪峰出現(xiàn)在降雨后70min左右，其次是常規(guī)透水混凝土道路，洪峰出現(xiàn)在降雨后120min左右，最后是具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路，降雨后150min后出現(xiàn)洪峰。隨著降雨重現(xiàn)期的延長，3種鋪裝道路峰現(xiàn)時刻均表現(xiàn)為縮短。具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土峰現(xiàn)時刻約晚于常規(guī)透水混凝土道路30 min左右。究其原因，導(dǎo)滲導(dǎo)排管的存在增加了道路面層內(nèi)部存儲能力，使其總儲水量增加，延長了其飽和時間，致其峰現(xiàn)時刻晚于常規(guī)透水混凝土道路。

2.2對洪峰流量的影響

2.2.13種路面的產(chǎn)流特征

選取1年重現(xiàn)期，研究不同鋪裝道路類型產(chǎn)流量的變化。測試具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土路面、常規(guī)透水混凝土道路、普通道路的產(chǎn)流特征，結(jié)果如圖6所示。

圖6　1年重現(xiàn)期下不同鋪裝道路的產(chǎn)流量曲線

由圖6可知，普通道路在降雨時，徑流迅速增加，70min后，產(chǎn)流量趨于平穩(wěn)，此時最大流量為1.23L/min。透水混凝土與具有底部導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路產(chǎn)流量曲線趨勢基本相同，當(dāng)產(chǎn)流時間小于100min時，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路產(chǎn)流量小于普通透水混凝土產(chǎn)流量；當(dāng)產(chǎn)流時間大于100 min時，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路產(chǎn)流量大于普通透水混凝土產(chǎn)流量，但遠(yuǎn)小于普通路面的產(chǎn)流量。降雨時間在120min后，透水混凝土鋪裝道路最大流量為0.45 L/min，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路最大流量為0.56L/min?？芍胀ㄍ杆炷梁榉辶髁枯^普通道路最大流量削減了63.4%，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的較普通道路最大流量削減了54.5%。

圖7　穩(wěn)定降雨強(qiáng)度下的下滲過程

圖7可以解釋某一穩(wěn)定的降雨強(qiáng)度下，一次降雨過程中各種路面的產(chǎn)流及入滲情況。由圖4可知，普通道路、常規(guī)透水混凝土道路和具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路的產(chǎn)流時刻均隨著重現(xiàn)期的延長而縮短，即重現(xiàn)期越久，產(chǎn)流時刻越早。當(dāng)重現(xiàn)期為1年時，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路在65min左右出現(xiàn)產(chǎn)流，而當(dāng)重現(xiàn)期為100年時，在25min左右就出現(xiàn)產(chǎn)流。具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路產(chǎn)流時間是傳統(tǒng)透水混凝土道路的2倍多，與普通道路與傳統(tǒng)透水混凝土道路相比，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路在延緩產(chǎn)流時間方面具有較為明顯的優(yōu)勢。在試驗過程中，當(dāng)雨強(qiáng)不斷增大，透水鋪裝達(dá)到飽和時間會越短，產(chǎn)流時間隨之縮短。具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路與傳統(tǒng)透水混凝土道路相比，在相同降雨條件下，由于面層內(nèi)有導(dǎo)滲導(dǎo)排管，增加了其整體的儲水能力，所以減緩了其飽和時間，延遲了徑流產(chǎn)生時間。

2.1.2不同降雨條件下的峰現(xiàn)特征（見圖5）

圖7中顯示R為穩(wěn)定的降雨強(qiáng)度，a-h為水力傳導(dǎo)度曲線。隨著降雨歷時的延長，傳導(dǎo)水的能力慢慢變小，直至趨于飽和水力傳導(dǎo)度Ks；a-b-e為普通混凝土路面的入滲曲線；ac-f為透水水泥混凝土路面的入滲曲線；a-d-g為具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路的入滲曲線。如對于a-b-e普通混凝土路面來講，降雨初期，水力傳導(dǎo)能力比降雨強(qiáng)度R大，降落的雨水全部能夠滲入到透路面內(nèi)部，t1時刻后，隨著水力傳導(dǎo)能力的減弱，滲透速率逐漸小于降雨強(qiáng)度R，此時由于路面的不平整性，在路面形成徑流前，路面先出現(xiàn)一定厚度的水膜，故當(dāng)水力傳導(dǎo)度小于降雨強(qiáng)度時，并不會立即出現(xiàn)地表徑流，而出現(xiàn)了一定時間的滯后現(xiàn)象。當(dāng)經(jīng)過時刻t2以后，進(jìn)入混凝土路面入滲控制階段，此時，地表徑流開始形成，滲透能力逐漸減弱，直至趨近于Ks。

2.2.2對洪峰流量削減率的影響

常規(guī)透水混凝土道路及具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路相對普通道路的洪峰流量削減率如圖8所示。

圖8　不同道路鋪裝類型洪峰流量削減率

由圖8可知，常規(guī)透水混凝土道路對洪峰流量的削減效果與具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路相差不大，且均隨著重現(xiàn)期的延長，洪峰流量削減率緩慢降低。當(dāng)重現(xiàn)期≥20年時，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路的洪峰流量削減率出現(xiàn)低于常規(guī)透水混凝土道路的現(xiàn)象。這是因為，當(dāng)重現(xiàn)期為20年時，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路的水力傳導(dǎo)度開始小于常規(guī)透水混凝土道路的水力傳導(dǎo)度，導(dǎo)致其雨水下滲速度小于常規(guī)透水混凝土路面的下滲速度，其產(chǎn)流增加量大于常規(guī)透水混凝土道路產(chǎn)流增加量，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路洪峰流量削減率小于常規(guī)透水混凝土路面的洪峰流量削減率。

3　結(jié)語

（1）在試驗條件下，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路在水量存儲方面，較常規(guī)透水混凝土道路多存儲30%的水量。

（2）3種鋪裝類型的產(chǎn)流時刻及峰現(xiàn)時刻為：普通道路＜常規(guī)透水混凝土道路＜具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路。

（3）當(dāng)重現(xiàn)期為1年時，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路比普通道路、常規(guī)透水混凝土道路產(chǎn)流時刻分別晚55min、 43min，峰現(xiàn)時刻分別晚80min、30min；隨著降雨重現(xiàn)期的延長，產(chǎn)流時間和峰現(xiàn)時間都在縮短。當(dāng)重現(xiàn)期為100年時，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路產(chǎn)流時刻為25min，峰現(xiàn)時刻為60min。

（4）與普通道路相比，具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路對洪峰流量的削減最大可達(dá)70%，但隨著重現(xiàn)期的延長洪峰流量削減效果越差，最低削減率仍可達(dá)56%。

（5）具有導(dǎo)滲導(dǎo)排管的透水混凝土道路作為一種創(chuàng)新型LID措施，在未來城市建設(shè)發(fā)展中有良好的應(yīng)用前景，本研究可以為其應(yīng)用于海綿城市建設(shè)提供設(shè)計依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］馬京津，李書嚴(yán)，王冀.北京市強(qiáng)降雨分區(qū)及重現(xiàn)期研究［J］.氣象，2012（5）：569-576.

［2］鐘一丹，賈仰文，李志威.北京地區(qū)近53年最大1小時降雨強(qiáng)度的時空變化規(guī)律［J］.水文，2013（1）：32.

［3］王波.透水性鋪裝與生態(tài)回歸：城市廣場生態(tài)物理環(huán)境優(yōu)化［M］.青島：中國石油大學(xué)出版社，2004：131-144.

［4］宋中南，石云興.透水混凝土及其應(yīng)用技［M］.北京：中國建筑工業(yè)技術(shù)出版社，2011：6-37.

［5］Kelly A Collins，William F Hunt.Hydrologic comparison of four types of permeable pavement and standard asphalt in Eastern North Carolina［J］.J.Hydrol.Eng.，2008，13：1146-1157.

［6］Kwiatkowski M，Welker A，Traver R，et al.Evaluationof an infiltration best management practice utilizing pervious concrete ［J］.Am.Water Resource Assoc.，2007，43（5）：1208-1222.

［7］汪金根，許海英.瀝青混凝土透水路面的研究和實(shí)踐［J］.城市道橋與防洪，2004（5）：43-47.

［8］Eban Z Bean，William F Hunt.Field Survey of Permeable Pave ment Surface Infiltration Rates［J］.J.Irrig.Drain Eng.，2007，133：249-255.

［9］Abbott C L，Comino Mateos L.Insitu hydraulic performance of a permeable pavement sustainable urban drainage system［J］.Water and Environment Journal，2003，17（3）：187-190.

［10］林青.土壤中重金屬Cu、Cd、Zn、Pb吸附及遷移的實(shí)驗研究［D］.青島：青島大學(xué)，2008.

［11］幺海博.透水鋪裝控流截污試驗及其設(shè)計應(yīng)用研究［D］.北京：北京建筑大學(xué)，2013.

［12］崔程穎，馬利軍，張選軍，等.人工快速滲濾系統(tǒng)對污染物的去除機(jī)理［J］.環(huán)境污染與防治，2007（2）：95-98.

［13］解曉光，徐勇鵬，崔福義.透水路面對路表徑流污染的控制效能［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009（9）：65-69.

［14］Watanabe S.Study on storm water control by permeable pavement and infiltration pipes［J］.Water Science and Technology，1995（1）：25-32.

［15］ Dreelin E A，F(xiàn)owler L，Carroll C R.A test of porous pavement effectiveness on clay soils during natural storm events［J］.Water Research，2006，40（4）：799-805.

［16］Fassman E，Blackbourn S.Urban runoff mitigation by a permeable pavement system over impermeable soils［J］.Hydrol.Eng.，2010，15（6）：475-485.

（2011ZX07301-004-01）

中圖分類號：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）05-0041-0411211

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項

收稿日期：2015-11-22

作者簡介：王俊嶺，男，1973年生，河南長葛人，博士，副教授，主要從事透水鋪裝研究。

Experiment on the runoff reduction of the permeable concrete pavement with built-in perforated pipes

WANG Junling，SONG Jian，ZHANG Yuyu，ZHANG Yajun，LI Junqi
（1.Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment，Ministry of Education，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；2.Beijing Jiangong Architectural Design and Research Institute，Beijing 100044，China）

Abstract：The permeable concrete pavement with built-in perforated pipes is a new form of permeable pavement.In this paper，the effect on runoff control of permeable concrete pavement with built-in perforated pipes was tested.Compared with the ordinary roads and conventional permeable concrete pavement，the results showed that when rainfall return period was 1 year，the runoff-yielding time of the new type of pavement delayed 55min、43min respectively；the time of peak flow delayed 80min，30min respectively；peak flow reduction rates were 70%，10%respectively.Moreover，with the rainfall return period increasing，the time of runoff-yielding and peak flow gradually decreased.Compared with the traditional permeable concrete pavement，the results showed that the permeable concrete pavement with built-in perforated pipes had a better effect on the delay of runoff-yielding and peak flow，reduction rate of peak flow.This can provide a reference for the design and application of this innovative low impact development technique in China.

Keywords：permeable concrete，built-in perforated pipes，low impact development，stromwatermanagement，reduction of peak flow