海綿城市透水路面滲水儀改進(jìn)設(shè)計(jì)

崔詠軍，陳滿(mǎn)軍

（昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，江蘇 昆山 215337）

0 引 言

海綿城市于《2012 低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》中被首次提出。2013年12月，中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議要求，“建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”。海綿城市作為新一代城市雨洪管理概念，是指城市在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)雨水帶來(lái)的自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，良好的路面透水性能對(duì)建設(shè)海綿城市至關(guān)重要。透水路面由于其較好的滲水能力，可有效提高雨水利用效率及有效緩解城市熱島效應(yīng)而得到廣泛使用［1-2］。

透水路面的滲透性能以滲透系數(shù)表征。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)透水路面現(xiàn)場(chǎng)滲透系數(shù)測(cè)定提出了規(guī)范化的測(cè)定方法，日本采用道路協(xié)會(huì)《鋪裝試驗(yàn)法便覽》中的現(xiàn)場(chǎng)透水量試驗(yàn)，美國(guó)采用單環(huán)或雙環(huán)滲透變水頭試驗(yàn)，我國(guó)采用 JTGE 20－2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的滲水試驗(yàn)。張逆［3］對(duì)以上幾種試驗(yàn)方法進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)單環(huán)法存在較為明顯的尺寸效應(yīng)，推薦使用現(xiàn)場(chǎng)滲水儀進(jìn)行滲水量測(cè)定的試驗(yàn)方法。我國(guó)規(guī)范中所推薦的滲水儀全過(guò)程需人為操作，在利用秒表計(jì)算滲水時(shí)間時(shí)存在人為誤差，并且無(wú)法保證測(cè)量用水完全通過(guò)密封區(qū)內(nèi)圈，測(cè)量結(jié)果難以真實(shí)反映路面的實(shí)際滲透系數(shù)。因此，本文在研究已有路面滲水儀的原理基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)其下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并借助光電液壓與單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)透水路面滲透系數(shù)的快速、準(zhǔn)確測(cè)定，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 國(guó)內(nèi)規(guī)范滲水儀

規(guī)范中路面滲水儀形狀及尺寸如圖1所示。該裝置分為上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)，上部為透明有機(jī)玻璃制成的具有刻度的盛水量筒，容積為 600 ml，并在 100 ml 及 500 ml 處有粗標(biāo)線(xiàn)，下方通過(guò) 10 mm 的細(xì)管與底座相接，中間有一開(kāi)關(guān)。

圖1 滲水儀（單位：mm）

該滲水儀需人為操作全過(guò)程，肉眼判斷水面下降的同時(shí)手動(dòng)開(kāi)啟秒表，此時(shí)產(chǎn)生了接收與反應(yīng)的時(shí)間差，導(dǎo)致滲水量與滲水時(shí)間的測(cè)定存在偏差，滲水系數(shù)計(jì)算不準(zhǔn)確，同時(shí)操作過(guò)程也較復(fù)雜，往往需多人合作。

1.2 日本道路協(xié)會(huì)現(xiàn)場(chǎng)滲水儀

日本道路協(xié)會(huì)的現(xiàn)場(chǎng)滲水儀依據(jù)的是質(zhì)量守恒定律。日本的路面滲水儀與我國(guó)的大體相似，差別在于日本的盛水量筒高度為 324 mm，下部結(jié)構(gòu)的高度為 263 mm。即在測(cè)定時(shí)，日本的滲水儀水頭差更大。

日本滲水儀放水閥門(mén)推薦直徑為 7 mm 以上，而在《鋪裝試驗(yàn)法便覽》中，則直接規(guī)定為 8 mm。根據(jù)文獻(xiàn)［4］的研究，似 8 mm 更為合理些。

1.3 ASTM-C1701 單環(huán)滲水儀器

美國(guó)單環(huán)滲水儀基于變水頭理論，單環(huán)滲水儀可選用直徑為 30 cm 的鋼、鋁或者 PVC 等圓桶材料，具體尺寸要求如圖2所示。

試驗(yàn)前先以 3.6 kg 的水進(jìn)行 30 s 的滲透速度測(cè)試，若水完全滲入路面，則采用 18 kg，否則采用 3.6 kg 水量。試驗(yàn)時(shí)將水頭高度維持在 1～1.5 cm，紀(jì)錄使用水的質(zhì)量M和所經(jīng)過(guò)的時(shí)間t，滲透系數(shù)計(jì)算見(jiàn)式（1）。

圖2 徐陸軍［5］滲水試驗(yàn)時(shí)的單環(huán)滲水儀

式中：k為透水路面的滲透系數(shù)，mm/h；M為水的質(zhì)量，kg；D為環(huán)的內(nèi)徑，mm；t為試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)歷的時(shí)間，s；I為常數(shù)，4 586 666 000。

2 改進(jìn)后滲水儀

本文對(duì)滲水儀下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)增加金屬圈和凸榫等結(jié)構(gòu)，確保測(cè)量結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映透水路面的滲透性能，并通過(guò)光電液壓系統(tǒng)與單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)透水路面滲透系數(shù)的全自動(dòng)測(cè)定，在提高測(cè)定準(zhǔn)確性的同時(shí)，節(jié)省大量的人力。

2.1 裝置組成

圖3 全自動(dòng)計(jì)時(shí)路面滲水儀

改進(jìn)后全自動(dòng)計(jì)時(shí)路面滲水儀由量筒、連接圓盤(pán)、底座、光電液位開(kāi)關(guān)、電磁閥、下接管和控制器組成，如圖3所示?？刂破靼▎纹瑱C(jī)、屏幕、自動(dòng)計(jì)時(shí)模塊和按鍵模塊。圓盤(pán)上、下表面分別開(kāi)有與量筒和下接管匹配的孔。量筒為上、下開(kāi)口的中空柱體，并在 100 ml 與 500 ml 處設(shè)置了兩個(gè)光電液位開(kāi)關(guān)，下接管上設(shè)置有電磁閥，光電液位開(kāi)關(guān)和電磁閥均與控制器相連。

2.2 改進(jìn)方案

2.2.1 底座底面處結(jié)構(gòu)改進(jìn)

如圖4所示，在支座底部增設(shè)兩個(gè)圓環(huán)形凸榫，先使得連接座下端面嵌入在密封層內(nèi)，通過(guò)改變密封層的結(jié)構(gòu)，增大凸榫與粘結(jié)材料以及粘結(jié)材料與路面間的壓力，使得密封層和連接腔的內(nèi)壁之間緊密結(jié)合，從而使連接座和密封層之間具有良好的密封性。

圖4 滲水儀底部圖

2.2.2 底座內(nèi)部加金屬圈

制作一個(gè)如圖4所示的金屬圈，放入底座內(nèi)部，金屬圈的外徑略小于底座下方開(kāi)口內(nèi)徑；在使用時(shí)將塑料圈置于試件中央或路面表面的測(cè)點(diǎn)上，用粉筆分別沿塑料圈的內(nèi)側(cè)和外側(cè)畫(huà)上圈，在外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的部分用密封材料進(jìn)行密封。

此金屬圈作用如下：①防止粘結(jié)材料受壓擠入底座內(nèi)部及粘結(jié)材料變形對(duì)滲水面積的影響。②利于儀器放置時(shí)的對(duì)中操作。

2.2.3 自動(dòng)測(cè)量

將路面滲水儀底座密封壓在路面上，并加上壓重圈。向量筒中注水后，點(diǎn)擊按鍵模塊，單片機(jī)下達(dá)打開(kāi)電磁閥的命令并開(kāi)啟自動(dòng)計(jì)時(shí)模塊，在液位下降到 100 ml 時(shí)觸發(fā)光電液位開(kāi)關(guān)，單片機(jī)接收信號(hào)自動(dòng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，液位下降到 500 ml 時(shí)，光電液位開(kāi)關(guān)再次被觸發(fā)，單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，并在屏幕上顯示滲水時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)滲水時(shí)間的自動(dòng)測(cè)定。

2.3 試驗(yàn)原理與步驟

2.3.1 試驗(yàn)原理

滲透系數(shù)的測(cè)定分為變水頭試驗(yàn)和常水頭試驗(yàn)，兩種方法皆基于達(dá)西定律。研究表明［5］，滲透系數(shù)處于 10-1～10-2cm/s 的介質(zhì)既可以用常水頭也可以用變水頭。透水瀝青混合料的滲透系數(shù)處于 10-1～10-2cm/s 范圍之內(nèi)，即兩種測(cè)定方法皆可選用，但考慮到在路面鋪筑過(guò)程中，由于施工工藝、人員、機(jī)械等原因，經(jīng)常導(dǎo)致實(shí)際路面的滲水系數(shù)要小于設(shè)計(jì)滲水系數(shù)。且隨著時(shí)間的推移，路面滲水系數(shù)呈現(xiàn)出衰減狀態(tài)，此時(shí)更適宜用變水頭試驗(yàn)進(jìn)行滲水系數(shù)的檢測(cè)。因此本文設(shè)計(jì)的透水路面滲水儀基于變水頭原理。

2.3.2 測(cè)試步驟

1）將塑料圈置于路面表面的測(cè)點(diǎn)上，用粉筆分別沿塑料圈的內(nèi)側(cè)和外側(cè)畫(huà)上圈，用密封材料對(duì)外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的區(qū)域進(jìn)行密封。

2）將金屬圈與粉筆所畫(huà)內(nèi)圈對(duì)中放置，用密封材料對(duì)環(huán)狀密封區(qū)域進(jìn)行密封處理并與金屬圈緊密粘結(jié)。如果密封材料不小心進(jìn)入內(nèi)圈，須用刮刀將其刮走。將搓成拇指粗細(xì)的條狀密封材料摞在環(huán)狀密封區(qū)域的中央，并且摞成一圈。

3）將滲水儀與金屬圈對(duì)中放在路面表面的測(cè)點(diǎn)上，將滲水儀壓在條狀密封材料表面，加配重，以防壓力水從底座與路面間流出。

4）電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，向量筒中注滿(mǎn)水，點(diǎn)擊按鍵模塊，讀取屏幕顯示時(shí)間并記錄。

5）測(cè)試過(guò)程中，如水從底座與密封材料間滲出，說(shuō)明底座與路面密封不好，應(yīng)移至附近干燥路面處重新操作。若水面下降至一定程度后基本保持不動(dòng)，說(shuō)明基本不透水或根本不透水。

6）按以上步驟在同一個(gè)檢測(cè)路段選擇5個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)定滲水系數(shù)，取其平均值作為檢測(cè)結(jié)果。

透水路面滲透系數(shù)計(jì)算見(jiàn)式（2）。

式中：k為透水路面的滲透系數(shù)；V1為第一次計(jì)時(shí)時(shí)的水量，ml，100 ml；V2為第二次計(jì)時(shí)時(shí)的水量，ml，500 ml；t1為第一次計(jì)時(shí)時(shí)的時(shí)間，s；t2為第二次計(jì)時(shí)時(shí)的時(shí)間，s。

3 結(jié) 語(yǔ)

改進(jìn)后的全自動(dòng)透水路面滲水儀裝置，更便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定透水路面的滲透系數(shù)，對(duì)新建透水路面和舊路面的滲水能力均能做出較好的評(píng)估，改進(jìn)后的裝置具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)。

1）通過(guò)在支座底部增設(shè)兩個(gè)圓環(huán)及凸榫，改變密封層的結(jié)構(gòu)，使得連接座和密封層之間具有良好的密封性，提高測(cè)定結(jié)果的精確性。同時(shí)，可減小儀器上部所需壓重鐵圈的質(zhì)量，使儀器更加輕巧、便攜。

2）利用光電液壓系統(tǒng)及單片機(jī)技術(shù)可全自動(dòng)測(cè)定透水路面的滲透系數(shù)，避免了人為操作所引起的誤差，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。