城市綠地常用滲透性鋪裝材料的性能對比

姚莎莎 張德順 劉鳴 李科科

摘要：城市園林鋪裝材料水文特性對于涵養(yǎng)綠地水源，減少地表徑流，改善土地滲透性質(zhì)，加強(qiáng)地上水與地下水互補(bǔ)以及綠地局部干旱等問題有重要影響。文章選取陶瓷透水磚、透水混凝土磚、砂基透水磚、細(xì)砂、粗砂、糠粱砂、碎石7種材料，在模擬200mm/h特大暴雨情景下，分別測定了其保水性和滲透性，其中，保水率最高的為細(xì)砂，最低的是碎石。滲透性方面，砂質(zhì)材料，積蓄時(shí)間最長，滲透量最小，透水磚類次之，碎石最差。研究得出的結(jié)論可為城市綠地硬質(zhì)鋪裝的生態(tài)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：低影響開發(fā)，滲透性鋪裝，性能對比，城市綠地

目前，城市綠地鋪裝材料的物理特性和鋪裝形式已經(jīng)呈現(xiàn)多樣化的趨勢，廣場道路鋪裝水文特性對于土地滲透性質(zhì)、地上水與地下水互補(bǔ)以及綠地局部干旱等問題有重要影響。合理選取硬質(zhì)鋪裝用材，科學(xué)測定其透水特性，對于維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和生態(tài)系統(tǒng)彈性、加強(qiáng)水系健康循環(huán)、減少地表徑流、涵養(yǎng)綠地水源都具有重要意義。LID（Low Impact Develop-ment，低影響開發(fā)）即是在城市化大背景下，通過大量實(shí)踐證明的建設(shè)干預(yù)最小化的新思路，它從源頭控制，以滯留、滲透為主要手段，旨在最大限度地降低城市開發(fā)建設(shè)對場地的水文狀況造成的影響。在城市化面積不斷擴(kuò)大的需求下，讓滲透鋪裝材料代替不透水下墊面，從而保證原有的自然雨水下滲過程不被截?cái)啵ㄟ^近似開發(fā)前的自然的水循環(huán)體系，消減雨洪，緩解城市排水壓力。

1 試驗(yàn)材料與測試方法

1.1 驗(yàn)材料

為了觀察和比較不同滲透鋪裝的滲透機(jī)理和性能，本文選取陶瓷透水磚（PC）、透水混凝土磚（PI）、砂基透水磚（SB）、細(xì)砂（FS）、粗砂（CS）、糠粱砂（GO）、碎石（GS）7種材料為研究對象。按照實(shí)際施工工藝簡化多種滲透鋪裝模塊，并在不同雨強(qiáng)模擬條件下，通過對比材料保水性和滲水性的性能差異，為硬質(zhì)鋪裝的生態(tài)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1.2 保水性測試方法

取一定量試驗(yàn)材料進(jìn)行烘干，稱重，再進(jìn)行浸水試驗(yàn)，達(dá)到水飽和后取出分別稱重，通過前后稱重的數(shù)值差可以得到單位量的材料對應(yīng)的吸水量。根據(jù)吸水量和材料的體積等參數(shù)計(jì)算單位體積的保水率，詳細(xì)步驟如下。

1）將試樣置于溫度110℃的烤箱中烘干24h，取出，用電子天平稱重。直至前后兩次稱重相差小于0.1%，此時(shí)可視為完全烘干，數(shù)據(jù)記錄為干燥試樣重量m₁。

2）試樣冷卻至室溫后，置入25℃自來水中浸泡24h，取出試樣，瀝干表面水分，使其無明顯滴落水珠則視為達(dá)到水份飽和。用電子天平稱重，記錄為材料吸水后重量m₂。

3）測量試樣的尺寸，分別計(jì)算其體積V。

4）保水率計(jì)算公式：

其中，B為保水率，單位g/cm³;m₁是干燥試樣的重量，單位g;m₂是試樣吸水飽和的重量，單位g;V是試樣體積，單位cm³。

1.3 滲透性測試方法

1.3.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)專門的試驗(yàn)裝置（圖1），通過模擬不同雨強(qiáng)的人工降雨裝置，檢測在一定時(shí)間內(nèi)滲透鋪裝的滲透水量。其主體為鐵架，其中包括上部分可拆卸的人工降雨模擬裝置和下部放置鋪裝材料并收集滲透流的裝置。降雨裝置由鉆孔的PVC水管架和緩沖水滴的紗窗組成（PVC水管架連通流量計(jì)，兩層紗窗固定于鐵架上）。降雨模擬過程可視為雨水做初速度為零的自由落體運(yùn)動(dòng)。用紗窗承接水滴，使其瞬時(shí)速度為零再自由落體，以最大程度減少初始動(dòng)量的影響，以免水流動(dòng)量干擾透水性能的測定結(jié)果;另一方面，由于紗窗空隙細(xì)密，可以使降落的水滴或水柱更加均勻地灑落，而不會(huì)使模擬雨水集中于局部。下部分的滲透裝置包括放置鋪裝模塊的“箱子”和收集滲透水的裝置。“箱子”四周使用透明亞克力板，其透明質(zhì)地方便觀察滲透產(chǎn)流的過程和監(jiān)控試驗(yàn)進(jìn)程。箱子的底部固定5mm×5mm空隙的細(xì)密鐵絲網(wǎng)，以承受鋪裝材料重量、避免砂礫流失，同時(shí)要能保證滲透水流的通過，在測試糠梁砂等散裝材料時(shí)加鋪一層紗窗，如圖2，圖3所示。

1.3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)分為2個(gè)步驟。第1步是降雨模擬裝置的校準(zhǔn)。使用降雨模擬裝置，根據(jù)流量計(jì)讀數(shù)，調(diào)試4種等級降雨，收集所有降雨計(jì)算水量，經(jīng)多次重復(fù)，計(jì)算降雨模擬裝置的誤差。第2步分別測試每一種鋪裝材料的滲透性能，即所有使用的材料，在4種等級降雨模擬條件下，測試其滲透性能。

1.3.3 降雨模擬裝置校準(zhǔn)

將暴雨強(qiáng)度設(shè)定為200mm/h的特大型暴雨強(qiáng)度，以模擬極端天氣狀況產(chǎn)生滲透流的時(shí)間和徑流情況。

根據(jù)降雨量與雨強(qiáng)公式：

Q=P·A·t·10_-9（2）

其中，Q為降雨量，單位L;P為降雨雨強(qiáng)，單位mm/h; A為受雨面積，為鋪裝模塊箱體橫截面積：300mm×400mm=120000mm²;t是降雨持續(xù)時(shí)長，單位h。

Q=v·t（3）

其中，v是模擬降雨裝置進(jìn)水流速，單位L/h。

由（1）R（2）可得，Q=p·A·t·10^-9=v·t，

v=P·A·10^-9（4）

根據(jù)公式（3）可知，如果將流速分別控制在24L/h，理論上可模擬降雨雨強(qiáng)200mm/h。經(jīng)過3次實(shí)測得到相關(guān)數(shù)據(jù)如表1。

1.3.4 表面徑流量計(jì)算

將7種受試材料分別放人裝置內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)10mim，收集滲透流并量取水量，觀測滲透產(chǎn)生的時(shí)間以及是否能觀察到徑流。

其中，徑流量（Q_j）=模擬降雨量（Q₀）-保水率（B）×材料體積（V）-滲透流量（L）-誤差損耗（V_w）。

2 結(jié)果與分析

2.1 各指標(biāo)的差異性分析

對7種受試材料的密度、保水率、滲透水量和產(chǎn)生滲透時(shí)間4項(xiàng)指標(biāo)做單因子方差分析（表2），其中，材料密度和滲透水量兩個(gè)指標(biāo)具有顯著性差異（P<0.05）。保水率的差異也接近顯著性水平（P=0.053），但各材料在產(chǎn)生滲透時(shí)間上不存在差異性，不同材料可能具有相似的滲透時(shí)間。

2.2 不同材料之間的保水性

經(jīng)多次重復(fù)測定，結(jié)果如表3所示。保水率最高的為細(xì)砂，最低的是碎石?？梢姡Ｋ实母叩团c材料的顆粒和骨料大小有關(guān)，材質(zhì)越疏松多孔，其保水能力越強(qiáng)，而相反，材質(zhì)越是致密少孔，保水率則越小。

對保水率和密度做相關(guān)性分析可知，材料密度與保水率之間呈二次曲線關(guān)系（圖4）。砂質(zhì)材料隨著密度的增大，保水率也相應(yīng)增大。但對于磚質(zhì)材料，密度超過一定閾值，保水率則呈下降趨勢，如沙基透水磚和透水混凝土磚的密度差別不大，分別為1.76g/cm³和1.78g/cm³，但沙基透水磚的保水率達(dá)到磚類材料的保水率最大值0.26g/cm³，而透水混凝土磚保水率卻為0.14g/cm³，呈現(xiàn)出明顯差別。密度最大的陶瓷透水磚，保水率反而較小。碎石由于顆?？障短?，保水率最小。因此，通過綜合對比分析，砂質(zhì)透水磚的保水性能最優(yōu)，不僅密度適中，承重力強(qiáng)，而且能吸納更多的水分。

2.3 不同材料之間的滲透性

經(jīng)過10min的多次重復(fù)試驗(yàn)，記錄其滲透水量和產(chǎn)生滲透的時(shí)間，結(jié)果如表5所示。

除陶瓷透水磚出現(xiàn)徑流外，其他材料均未觀察到明顯的表面徑流。因陶瓷透水磚密度最高，吸水率低，極易迅速到達(dá)飽和，故能產(chǎn)生表面徑流，而其他材料吸水率較大，滲透性較高，在短時(shí)間內(nèi)，能夠吸納更多的降水量，達(dá)到水飽和狀態(tài)的時(shí)間較長，滲透速率大于飽和速率，較難出現(xiàn)明顯的徑流現(xiàn)象。因此，在相同雨強(qiáng)條件和降雨時(shí)長下，除陶瓷透水磚外，其他材料對于雨洪洪峰的消減有明顯的優(yōu)勢，能快速有效地吸納并滲透雨水，不易產(chǎn)生積水現(xiàn)象。

如圖5可知，因材料粒徑和骨料性質(zhì)的差異，滲透水量和滲透時(shí)間之間大致呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。碎石材料因間隙較大，滲水量最大，滲透時(shí)間最短。因砂質(zhì)材料中保水率較高，而粗砂具有大小合適的空隙，保水量較大，積蓄時(shí)間最長，故具有最小的滲水量。而透水磚類的滲透時(shí)間均為lmin左右，因此當(dāng)遇到較長時(shí)間的大暴雨時(shí)，很容易出現(xiàn)路面積水現(xiàn)象。

3 結(jié)論

1）鋪裝滲透性能的發(fā)揮需要選擇不同的組合搭配。通過以上滲透鋪裝物理性能研究，得出保水率最高的為細(xì)沙，最低的是碎石，保水率的高低與材料的顆粒大小有關(guān)，對于預(yù)制透水磚材料，保水率與骨料大小有關(guān)。碎石比沙質(zhì)材料具有更大的滲水量，但滲透時(shí)間短;相反，沙質(zhì)材料因其保水率較大，具有滲透延時(shí)性。通過保水率和滲透性試驗(yàn)，碎石墊層與現(xiàn)澆透水混凝土滲透性能最理想，砂基透水磚和粗砂由于吸水率較高，滲透水量最小且產(chǎn)生滲透流的時(shí)間較長。在未來滲透鋪裝設(shè)計(jì)中可以結(jié)合場地鋪裝對保水率和滲透率的要求，提出不同場地應(yīng)該具有不同的滲透鋪裝設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行不同的滲透鋪裝設(shè)計(jì)。此外，在實(shí)際項(xiàng)目中，還需要考慮透水性鋪裝的抗壓強(qiáng)度問題。

2）滲透鋪裝對雨洪的消減能力應(yīng)綜合考慮保水性和滲透性。因砂質(zhì)材料具有較高的保水率、較小的滲透量和較長的蓄積時(shí)長，故在抵御暴雨極端事件中能很好地消減災(zāi)害沖擊，不至于使路面出現(xiàn)大面積的積水問題，但超過飽和極限，仍然有造成災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。高密度的透水磚雖然有一定的保水和滲水性能，但面對持續(xù)的強(qiáng)降雨，也較快達(dá)到飽和狀態(tài)，出現(xiàn)地表徑流。碎石材料因其低保水性和高滲透性，幾乎不能蓄積降水，因此，在應(yīng)對極端暴雨災(zāi)害方面，應(yīng)綜合考慮材料保水和滲透性能。