透水鋪裝系統(tǒng)“支撐體”結(jié)構(gòu)及其功能*

羅 冰 唐 頌 鄭文苗

(1 西南科技大學(xué)城市學(xué)院 四川 綿陽 621000)(2 西南科技大學(xué)固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 綿陽 621010)

前言

城市中大面積的地表硬化是城市化的特征之一[1]，不透水鋪裝改變了土壤、植被和滲透層對水的天然循環(huán)屬性，加速產(chǎn)生了洪澇災(zāi)害及城市熱島效應(yīng)等一系列問題。另外過量的雨水徑流帶來的非點(diǎn)源污染，如果排入水體會引起水體危害[2～3]，如過量的營養(yǎng)成分如N、P元素會使水體發(fā)生富營養(yǎng)化，金屬等污染物會危害水中生物，尋找新型雨洪管理方法和理念是解決這些問題的根本途徑?！昂＞d城市”是通過建設(shè)各種生態(tài)排水設(shè)施，使城市開發(fā)建設(shè)后的水文特征盡量接近開發(fā)建設(shè)前，可以有效緩解城市內(nèi)澇，削減城市徑流污染負(fù)荷[4]。透水鋪裝系統(tǒng)屬于“海綿城市”理念下的一種重要的源控制技術(shù)。透水鋪裝不僅能夠提高雨水滲透到地下的能力，以此減少地表徑流量；同時(shí)下滲的雨水可以還原大地，促進(jìn)水的天然循環(huán)，對局部生態(tài)環(huán)境效益的改善和城市雨水利用發(fā)揮巨大作用。筆者從透水鋪裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式對雨水徑流滯蓄機(jī)理、主要功能和結(jié)構(gòu)性能影響等角度出發(fā)，結(jié)合以往國內(nèi)外研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，對鋪裝系統(tǒng)進(jìn)行深入總結(jié)分析，為其進(jìn)一步研究提供參考。

1 透水鋪裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

1.1 常見路面鋪裝類型

透水鋪裝也稱為滲透鋪裝，其結(jié)構(gòu)是由一系列與外部空氣相連通的多孔形結(jié)構(gòu)組成的骨架，通過合理的鋪裝基層施工加上高強(qiáng)度的透水技術(shù)，具有透水性好、強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以在減少雨水徑流的同時(shí)滿足道路交通使用。對于不同城市路面的地質(zhì)條件和對其抗壓能力、透水性能等要求不同。常見路面鋪裝系統(tǒng)透水類型包括不透水型、半透水型和全透水型(如圖1所示)，鋪裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)(如表1所示)。

圖1 不透水型，半透水型和全透水型鋪裝結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of Impervious type,semi-permeable type And full permeable type

從圖1可以看出，不透水型鋪裝通常要求表面不滲水，其表層結(jié)構(gòu)非常密實(shí)不存在孔隙；半透水型鋪裝結(jié)構(gòu)整個面層含有孔隙結(jié)構(gòu)允許雨水下滲，但是基層材料孔隙率很小，阻止了雨水進(jìn)一步下滲；全透水型為從面層到路基都含有大量的孔隙結(jié)構(gòu)，雨水可以完全通過并下滲到路基。

表1 常見路面鋪裝系統(tǒng)區(qū)別Tab.1 Differences among common system pavements

從表1可以看出，不同鋪裝類型的性能差異，在進(jìn)行道路鋪裝時(shí)應(yīng)該綜合考慮，保證透水性和抗壓性都滿足要求。

1.2 透水鋪裝結(jié)構(gòu)類型

目前，海綿城市道路建設(shè)鋪裝系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)包括透水性混凝土鋪裝、透水性瀝青鋪裝和透水磚鋪裝[5]。

1.2.1 透水混凝土鋪裝

透水性混凝土也稱多孔混凝土，屬于全透水類型，由水泥、特殊添加料、骨料和水經(jīng)特殊的比例混合而成，具有良好的透水性、蓄水性和通氣性，比其他地面鋪裝材料更優(yōu)良和生態(tài)。其在路面下的結(jié)構(gòu)形式自上到下依次為面層、找平層、基層、底基層、墊層[6]。該鋪裝可將雨水滲透至路基或是周圍的土壤中加以儲存，多數(shù)應(yīng)用于園林綠地、公園和球場等負(fù)載較小地方；另外，針對不同區(qū)域的降雨水平，可適當(dāng)增加附屬排水系統(tǒng)，聯(lián)通市政管網(wǎng)或蓄水系統(tǒng)。其主要應(yīng)用于道路、通道、人行道和廣場等道路承載較大的地段。具體透水混凝土鋪裝示意圖如圖2所示。

(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)示意圖

圖2透水混凝土鋪裝圖
Fig.2Pervious concrete pavement

表2透水混凝土鋪裝各結(jié)構(gòu)功能

Tab.2The function of every structure of pervious concrete pavement

結(jié)構(gòu)層功 能面層直接承受荷載層, 透水, 主要的凈水層, 抗磨, 抗滑基層主要承受荷載層, 滲水, 儲水, 凈水找平層平托面層、 粘結(jié)面層與基層以及保證雨水下滲底基層防止地下水或者深入路基的水因毛細(xì)現(xiàn)象上升, 承受荷載, 凈水, 滲水,儲水墊層防止地下水或者深入路基的水因毛細(xì)現(xiàn)象上升, 保持結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

透水混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)層及其功能如表2所示。

1.2.2 透水瀝青鋪裝

透水性瀝青鋪裝(如圖3所示)，透水性瀝青屬于半透水類型，其路面結(jié)構(gòu)形式與普通的瀝青路面相同，只在道路表面層采用透水瀝青。該鋪裝需要在底面層兩側(cè)增加排水暗溝，以保證滲水通過路面底面層橫向流入兩側(cè)的排水暗溝；同時(shí)必須在路邊設(shè)置集水井，使下滲的雨水通過集水井滲透到路基以下，或者統(tǒng)一儲存于蓄水池以便于綜合利用；而且重點(diǎn)要求地面施工時(shí)控制道路的橫向坡度，以保證道路的耐久性和安全性。透水性瀝青鋪裝主要適用于園路、廣場、人行道等[7]。

(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)示意圖

圖3透水性瀝青鋪裝圖
Fig.3Porous asphalt pavement

1.2.3 透水磚鋪裝

透水磚鋪裝結(jié)構(gòu)層自上而下為透水磚面層、找平層、基層、墊層，透水能力由磚體本身的滲透性和磚體之間的縫隙兩部分構(gòu)成。常用透水磚類型按制作工藝可分為水泥混凝土磚、陶瓷磚以及砂基磚。水泥混凝土磚是通過水泥膠結(jié)壓制成形；陶瓷磚是通過高溫煅燒成形；砂基磚是以天然硅砂為原料，通過高分子粘接劑在常溫下固結(jié)成形[8]。透水磚鋪裝常用于小區(qū)人行道、景觀道路、小區(qū)廣場等對路面荷載要求較低路段。透水磚在使用過程中，應(yīng)在滿足道路抗壓強(qiáng)的基礎(chǔ)上，盡量選用透水性能良好的透水磚[9]。圖4為透水磚鋪裝示意圖。

(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)示意圖

圖4透水磚鋪裝圖
Fig.4Water Permeable Brick pavement

2 透水鋪裝的功能

2.1 對雨水徑流的控制及滯蓄機(jī)理

根據(jù)以往資料[10]可知，自然生態(tài)系統(tǒng)中80% 的雨水能滲透到地下，20%的雨水以地表徑流流走。然而隨著城市化發(fā)展使得硬化地面增大，只有20% 的水能滲透到地下，80% 通過地表徑流流走。硬化路面使得地表徑流量增加，洪峰流量增加，易造成嚴(yán)重的城市內(nèi)澇問題。2016年5月，持續(xù)數(shù)日的暴雨引起的洪澇災(zāi)害導(dǎo)致江西省7個市20個縣(市、區(qū))26.9萬人受災(zāi)，2人因?yàn)?zāi)遇難，直接經(jīng)濟(jì)損失2.9億元[11]。 和傳統(tǒng)的硬化道路相比，透水鋪裝系統(tǒng)可以更有效地減少徑流峰值和延長徑流排放時(shí)間，并使蒸發(fā)和表面水濺顯著減少。在透水鋪裝系統(tǒng)的實(shí)地檢測中，F(xiàn)assman等[12]發(fā)現(xiàn)在延遲徑流上，其平均滯后時(shí)間達(dá)2.4 h，通過多組降雨實(shí)驗(yàn)測得其平均降低峰值流量83%。渡邊會弘在日本橫濱進(jìn)行道路透水鋪裝徑流控制研究實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，透水性道路鋪裝可以削減15%～20%的徑流洪峰流量[13]。綜合國內(nèi)外大量的研究成果和實(shí)踐案例發(fā)現(xiàn)，透水鋪裝系統(tǒng)作為生態(tài)排水設(shè)施，在緩解地表徑流方面具有很大的作用。

2.1.1 雨水下滲機(jī)理

透水鋪裝雨水下滲包括兩個過程：吸濕過程和傳遞過程[14]。圖5闡釋了雨水下滲機(jī)理，首先為吸濕過程。因?yàn)殇佈b系統(tǒng)屬于多孔結(jié)構(gòu)，具有大量的孔隙，降雨落到地面濕潤材料并在固相表面形成薄膜水和吸濕水，同時(shí)進(jìn)入孔隙內(nèi)形成毛管水；由于材料的毛管勢作用，使得間隙內(nèi)的少量雨水被吸附從而阻止其下滲。其次為傳遞過程。當(dāng)持續(xù)降落雨水超過了材料的吸附能力后，孔隙中的水會堆積融合形成小水滴，這時(shí)雨水會在重力的作用下沿間隙傳遞到下層材料表面，如此作用完成雨水的下滲。

2.1.2 降雨產(chǎn)流模式

透水鋪裝降雨產(chǎn)流包括“蓄滿產(chǎn)流”和“超滲產(chǎn)流”兩種基本模式[15]。當(dāng)鋪裝材料孔隙較大時(shí)，雨水能沿著孔隙源源不斷地下滲到達(dá)地基，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙被雨水填充滿，后續(xù)的降雨才會形成徑流，此降雨模式為“蓄滿產(chǎn)流”，在這種模式下，地表徑流量和次降雨量的關(guān)系與降雨強(qiáng)度無關(guān)。而當(dāng)鋪裝材料的孔隙較小時(shí)，受到強(qiáng)降雨后，雨水下滲的速度小于降雨速度時(shí)即在雨水未將孔隙完全填充滿就形成了徑流，此模式為“超滲產(chǎn)流”，在該模式下，地表徑流量次降雨量的關(guān)系與降雨的強(qiáng)度相關(guān)。在目前一般的鋪裝系統(tǒng)中，土基層以上部分孔隙較大，形成“蓄滿產(chǎn)流”，土基層由于受擠壓使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)硬化，孔隙率和孔隙大小都很小，因此在此部分形成“超滲產(chǎn)流”。綜上可得，透水鋪裝地面為垂直型產(chǎn)流模式。其產(chǎn)流模式關(guān)系如圖6所示。

圖5 雨水下滲機(jī)理Fig.5 Mechanism of rainwater infiltration

圖6 降雨產(chǎn)流模式Fig.6 Model of rainfall runoff

2.2 對雨水徑流污染物的去除

由于透水鋪裝孔隙率較大，使得其對下滲的雨水具有過濾吸附作用。有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，透水鋪裝系統(tǒng)對COD，TN，TSS，N和P都具有一定的去除能力[16]。除此之外，Kellems等[17]通過對鋪裝材料分析發(fā)現(xiàn)，使用有機(jī)過濾介質(zhì)是一種有效的替代化學(xué)處理雨水污染物的方式，過濾通過特定的吸附劑有機(jī)介質(zhì)可以去除95%溶解的銅和鋅，因此可以降解大部分的金屬污染物。但是并不是所有的混合摻料鋪裝都能捕獲溶解的重金屬，滲透路面必須要有一個合適的填縫，否則金屬會穿過它并可能進(jìn)入地下水資源，引起水源污染。

2.3 對城市氣溫的調(diào)節(jié)

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市中大量密集建筑物涌現(xiàn)，綠色植被削減以及地表的硬化等問題使得城市具有高吸熱量和低容熱量的特點(diǎn)。太陽輻射使地表溫度迅速升高并向大氣中輻射熱量，造成城市溫度異常，諸如“城市熱島效應(yīng)”等問題。透水鋪裝“支撐體”由于具有大孔隙率和蓄水能力，可以將一部分太陽輻射熱吸收，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部水分以蒸發(fā)形式進(jìn)入大氣，起到調(diào)節(jié)氣溫的作用。

2.4 吸聲降噪

有研究表明：透水鋪裝具有顯著的吸聲降噪作用。Bhutta，K Tsuruta等在對于透水鋪裝性能評價(jià)時(shí)提到，聲能通過透水混凝土多孔結(jié)構(gòu)時(shí)，由于摩擦和粘滯阻力會使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，因此削弱了聲波能量[18]。透水再生混凝土孔隙率與吸聲特性存在聯(lián)系，經(jīng)過測量多組不同孔隙率鋪裝結(jié)構(gòu)吸聲量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋪裝孔隙率為25%時(shí)，吸聲效果較好[19～20]。

3 透水鋪裝性能的影響因素

3.1 骨料級配

級配，是將粗細(xì)不同的粒徑按照一定的比例組合搭配在一起，以達(dá)到較高的密實(shí)程度，砂顆粒級配反映空隙率大小。根據(jù)搭配的不同，可以將砂顆粒碎石材料分為骨架空隙結(jié)構(gòu)、骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)[21]。

圖7 碎石材料三種級配結(jié)構(gòu)Fig.7 The internal pore structure of support system

如圖7所示，骨架孔隙結(jié)構(gòu)主要由粗集料相互接觸，嵌入形成骨架，含有很少的細(xì)集料，其孔隙率大，透水性能好，但是由于缺乏細(xì)集料的潤滑粘結(jié)作用，在施工過程中難以被壓實(shí)；骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)有粗細(xì)集料混合接觸鑲嵌形成骨架，其孔隙率一般，透水性較好，施工中也易被壓實(shí)；懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)含有大量細(xì)集料和少許粗集料，大部分細(xì)集料相互接觸使得其密實(shí)程度很高，導(dǎo)致孔隙率低，透水性較差，但施工中最易被壓實(shí)。碎石材料有效孔隙率和抗壓強(qiáng)度是一對對立性能，因而懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)抗壓性能很好；其次為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)；最后為骨架空隙結(jié)構(gòu)。在實(shí)際鋪裝中，應(yīng)該綜合考慮透水性和抗壓性以及施工的難易程度等因素，選擇合理的骨料級配方式。

3.2 梯度性能

梯度性能指功能梯度材料的化學(xué)構(gòu)成、微觀結(jié)構(gòu)和原子排列由一側(cè)向另一側(cè)呈連續(xù)梯度變化，使材料力學(xué)特性向某一方向呈梯度變化。一般的透水鋪裝路面經(jīng)過長時(shí)間的雨水沖刷，其攜帶的砂石、灰塵等細(xì)小異物會堆積并堵塞空隙，使透水鋪裝系統(tǒng)失去了透水能力。因此可以結(jié)合梯度性能理論對透水鋪裝系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其具有外部堅(jiān)韌，內(nèi)部疏松多孔特點(diǎn)，這樣可以使透水鋪裝系統(tǒng)保持良好的透水性能。

3.3 土基結(jié)構(gòu)

整個透水鋪裝“支撐體”系統(tǒng)底部的土基，在常年累月擠壓作用下，其密度越來越大，透水性能隨之降低。若鋪裝材料底部無雨水收集設(shè)施(穿孔管)，土基的滲水能力將直接決定整個系統(tǒng)的透水能力，因此在鋪裝施工前，應(yīng)根據(jù)不同地理位置對道路抗壓性能、透水性能的需求采取相應(yīng)的鋪裝材料，如可以在土基中增加含沙量等孔隙多且不易受壓力影響的穩(wěn)定性材料。

4 總結(jié)與展望

透水鋪裝系統(tǒng)是一套對城市雨洪調(diào)控的重要技術(shù)，在城市強(qiáng)降雨情況下可起到吸收、過濾、儲存作用，不僅可以通過緩慢滲透作用將雨水滲透到地底層，大大解決了因道路硬化而出現(xiàn)的無法下滲導(dǎo)致大流量地表徑流等問題，而且對城市非點(diǎn)源污染起到很好控制作用。