海綿城市透水磚堵塞規(guī)律試驗

宋亞霖，杜新強，劉文娜，冶雪艷，張立杰

(1.吉林大學環(huán)境與資源學院，吉林 長春 130021; 2.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130021)

近年來，伴隨著城市化進程，不透水下墊面面積迅速擴大，同時受全球氣候變化與人類活動的影響，極端水文事件發(fā)生的概率上升，城市暴雨洪澇問題突出[1-3]。海綿城市建設旨在改善城市生態(tài)環(huán)境，消除城市內(nèi)澇隱患，實現(xiàn)城市雨水的“自然積存、自然滲透、自然凈化”[4-5]。傳統(tǒng)的硬化路面阻礙自然水循環(huán)，不能有效促進降雨徑流。海綿城市建設中通常采用透水鋪裝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬化路面，以促進雨水入滲，提高雨水資源利用效率[6-7]。

目前，透水鋪裝主要有3類：透水性路面磚、透水性混凝土以及透水性瀝青混凝土[8]。Borgwardt等[9]的研究表明，透水磚在使用10年之后，其滲透率將降為最初的10%～25%；張文靜等[10]在北京市海淀區(qū)雙紫園小區(qū)透水路面的試驗表明，透水磚在使用2年之后，透水性能便減弱較多，瞬時下滲速率變化明顯；毛坤[11]對透水磚透水性能的試驗研究表明，顆粒物質(zhì)對透水磚孔隙的堵塞是導致透水速率下降的主要原因。同時，Kia等[12]的研究表明，雨水徑流中攜帶的雜質(zhì)在透水混凝土孔隙中沉積是造成堵塞的主要原因。由此可見，透水鋪裝的堵塞問題是比較普遍的，但目前尚未引起足夠和廣泛的關注，系統(tǒng)的研究成果并不多見。本文以具有較高初始滲透率的陶瓷透水磚為對象，通過室內(nèi)模擬試驗，研究透水磚在城市雨水滲透過程中的堵塞規(guī)律及機理。

1 透水磚堵塞試驗

1.1 試驗原理與計算方法

透水磚的透水性能采用滲透系數(shù)來表達，其測量依據(jù)水文地質(zhì)學中的達西定律，計算公式為

(1)

式中：K為試樣的滲透系數(shù)，cm/s；Q為滲水量，mL；L為試樣的厚度，cm；A為試樣的過水斷面面積，cm2；H為水位差，cm；T為時間，s。

1.2 試驗裝置與材料

試驗裝置是根據(jù)GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》中的方法自行設計的(圖1)，主要試驗設備包括水體懸浮物濃度儀、水體懸浮物顆粒分析儀、分析天平、燒杯、量筒等。

圖1 滲透系數(shù)測量的試驗裝置

用于試驗的透水磚為陶瓷透水磚(圖2)，該透水磚長、寬、高分別為 18.5 cm、9 cm和5 cm；磚體可分為上下兩層，上層厚度約為1.2 cm，顆粒直徑也相對較小，下層厚度約為4 cm。

圖2 陶瓷透水磚試樣

試驗過程中人工配制雨水懸濁液。取長春市城區(qū)多處路面低洼處降雨后積存沉積物，烘干并篩除粒徑大于0.15 mm的較大顆粒物，并將其充分混合作為雨水中的懸浮物試樣，最終獲得的懸浮物粒徑以3～20 μm為主(表1)。項目組前期監(jiān)測長春市雨水懸濁液質(zhì)量濃度為400～10 000 mg/L，本次研究選擇配制1 000 mg/L的懸濁液用于模擬實驗。

1.3 試驗步驟

1.3.1 注水試驗

將透水磚試樣裝入測試裝置中，試樣四周用防水膠密封，待防水膠固化后，緩慢加入純凈水使試樣飽和，并使水位高出透水磚表面約5 cm；然后開始持續(xù)穩(wěn)定供純凈水(保持固定水頭)，待溢流水槽的溢流口流出的水量穩(wěn)定后，記錄每滲透500 mL水量所用的時間，計算磚體初始透水系數(shù)；

將供水水源更換為配制的懸濁液，模擬雨水徑流入滲過程，記錄每流出500 mL水所用的時間。測量和計算磚體透水系數(shù)并分析其變化規(guī)律。當入滲耗時大于初時耗時的10倍時，終止供水。

1.3.2 堵塞處理試驗

將堵塞透水磚表面的沉積物采用虹吸法進行處理，用量筒測量懸濁液體積，并用濃度計測量懸浮物濃度，計算采用虹吸法收集到的懸浮物質(zhì)量，對懸浮物進一步進行粒徑測試；虹吸法處理完成后，再次供純凈水，測量并計算滲透系數(shù)恢復情況。

對透水磚內(nèi)部沉積的懸浮物采用反向注水方法進行處理，沖洗磚體內(nèi)部的懸浮物，之后進行懸浮物質(zhì)量和粒徑分析，并再次供純凈水，測量并計算透水系數(shù)恢復情況。

2 結果與分析

2.1 透水磚的滲透系數(shù)

以陶瓷透水磚B1為對象，開展純水入滲的空白試驗。結果表明，在純凈水入滲條件下，透水磚滲透系數(shù)基本穩(wěn)定在初始值(0.107 cm/s)附近(圖3)，沒有堵塞問題。

圖3 純水入滲條件下透水磚滲透性變化曲線

將供水水源更換為人工配制的模擬路面雨水徑流的懸濁液，對2塊同一批次的陶瓷透水磚(B1、B2)進行平行入滲試驗。結果(圖4)表明，隨著雨水徑流入滲時間的延長，磚體的滲透系數(shù)逐漸減小。其中，透水磚B1在雨水徑流的滲入體積累積到6.5 L時，滲透系數(shù)已由初始的0.107 cm/s下降到0.004 cm/s，下降幅度達到96.3%；透水磚B2在雨水徑流的入滲體積達到5.5 L時，滲透系數(shù)由初始的0.068 cm/s下降為0.003 cm/s，下降幅度達到96.6%。

圖4 雨水入滲條件下透水磚滲透系數(shù)變化曲線

表2 入滲過程懸浮物質(zhì)量分布

表3 從透水磚內(nèi)部沖洗出來的懸浮物粒徑分布

根據(jù)GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》中規(guī)定，透水磚的滲透系數(shù)至少要大于0.01 cm/s。在本文試驗條件下，陶瓷透水磚試樣B1在累計入滲水量5 L時便已經(jīng)失效；試樣B2在3.5 L時失效。因此，以長春市多年平均降水量為668.7 mm為基準[13]，按海綿城市建設目標要求70%降水量就地消納的指標，并假設懸浮物濃度為1 000 mg/L時，透水磚在沒有維護措施的條件下，其有效透水年限僅為1.5年左右。雖然這個年限預測沒有考慮實際場地更復雜的條件，但從試驗結果可以看出透水磚因堵塞而失效的風險是很高的。

2.2 透水磚堵塞成因

隨著入滲時間的延長，透水磚滲透系數(shù)持續(xù)下降，直至最后失效，表明透水磚在使用后出現(xiàn)了明顯的堵塞現(xiàn)象。由于該試驗使用純水作為溶劑配制懸浮液，且在純凈水條件下透水磚的滲透系數(shù)穩(wěn)定，故能引起透水磚堵塞的只能是懸浮液中的顆粒物。通過對收集的溶液進行濃度、粒徑、體積測量，并計算出總懸浮固體的量，基于GB/T 50145—2007《土的工程分類標準》，按黏粒(d<5 μm)、粉粒(d=5～75 μm)以及砂粒(75 μm

由表2可知，在入滲水體中，粉粒級別的懸浮物含量最多，其次為砂粒以及黏粒。在各次入滲過程中，懸浮物的去向大致可以分為3種:①截留在磚體表面，即一部分大顆粒懸浮物因粒徑過大而被截留在磚體表面并逐漸累積。受其影響，一部分較小粒徑的懸浮物也會被濾除在表面，因此，在磚體表面可收集到不同粒徑的懸浮物。②顆粒較小的砂、粉粒以及大部分黏粒，可隨水流入滲進入透水磚內(nèi)部，其中一部分懸浮物將被滯留在磚體內(nèi)部，這部分懸浮物在反沖洗的作用下，一部分可被水流帶出，但有一部分將因運動路徑曲折、粗糙等因素無法被沖洗出來(表3)。③少量顆粒較小的懸浮物將隨水流流出透水磚。在各次懸浮物的回收試驗中，均產(chǎn)生一定的損失量，其中，砂粒由于顆粒較大，其損失量的主體應是被滯留在磚體內(nèi)部；黏粒粒徑很小，其損失量主要是由于隨水流入滲流出透水磚；粉粒的損失量則可能兼而有之。根據(jù)懸浮物沉積位置的不同，透水磚的堵塞可分為表面堵塞和內(nèi)部堵塞兩種類型。

2.3 透水磚維護方法效果分析

目前對透水磚滲透性進行維護的最常用方法是高壓水洗[14]，這種方法是為了清除磚體表面的沉積物。本文試驗采用虹吸法模擬高壓水洗去除磚體表面沉積物，即在每次注入懸濁液致透水磚堵塞后，利用虹吸法對透水磚表面沉積物進行清除，其對滲透系數(shù)影響見表4。

從表4可以看出：在第1次注入懸濁液后進行表面清除，滲透系數(shù)由0.003 cm/s提高到0.018 cm/s，提高了6倍，但只是恢復到原始滲透系數(shù)的26%；但在第2次注入懸濁液后進行表面清除，滲透系數(shù)從0.003 cm/s提高到0.006 cm/s，雖然在原有基礎上提高了2倍，但只是恢復到磚體最初始滲透系數(shù)(0.068 cm/s)的7%，效果已不明顯。由此可見，由于不能有效清除磚體內(nèi)部的堵塞物質(zhì)，多次使用表面沉積物清除方法對磚體滲透性的恢復效果較差。

3 結 論

a. 透水磚在城市路面雨水徑流的入滲過程中會產(chǎn)生較為明顯的堵塞現(xiàn)象，嚴重時可導致透水磚失效。

b. 透水磚的堵塞物質(zhì)主要來源于城市路面雨水徑流中的懸浮物，堵塞分布在磚體表面以及磚體內(nèi)部兩個部位。

c. 由于不能有效清除透水磚體內(nèi)部的堵塞物質(zhì)，高壓水洗等維護方法僅清除磚體表面沉積物，效果較差。