不同類型透水鋪裝基層結(jié)構(gòu)對(duì)雨水徑流量控制效果研究

胡云進(jìn)，應(yīng) 鵬，郜會(huì)彩

（1.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江紹興312000；2.浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江紹興312000；3.浙江省山體地質(zhì)災(zāi)害防治協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江紹興312000）

伴隨季風(fēng)氣候影響，我國夏季多發(fā)暴雨，洪澇災(zāi)害異常嚴(yán)峻［1，2］；隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，不透水地面不斷增加，給城市水環(huán)境帶來許多不利影響，如雨水不能快速下滲導(dǎo)致城市地下水位下降，不透水地面不易排水增加了市政管網(wǎng)排水壓力。為了應(yīng)對(duì)這一系列水環(huán)境問題，透水鋪裝作為一種經(jīng)典的低影響開發(fā)措施被廣泛應(yīng)用［3］，它既能有效削減地表徑流、增加雨水入滲速率，又能調(diào)節(jié)城市與自然水環(huán)境之間的平衡［4］。Bean 等［5］對(duì)北卡羅來納州四種不同類型的透水鋪裝進(jìn)行了徑流控制研究，發(fā)現(xiàn)滲透性路面可有效削減地表徑流。Fassman 等［6］對(duì)滲透性路面和不透水路面進(jìn)行了降雨監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明透水性路面地表徑流開始時(shí)間平均滯后2.4 h，地表峰值流量平均降低83%，高強(qiáng)度降雨時(shí)地表峰值流量也能降低70%。我國對(duì)透水鋪裝的研究雖遲于國外，但也有一些研究成果。龔應(yīng)安等［7］的研究表明，采用透水鋪裝能有效地增加下滲雨水量。王丹綺等［8］的研究表明，當(dāng)降雨量小于35 mm 時(shí)，透水鋪裝可削減80%以上的雨水。張佳煒等［9］的研究表明，基層采用水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)對(duì)年徑流總量控制率可達(dá)37.8%，且在地表徑流削減和峰現(xiàn)延遲方面的效果略優(yōu)于普通碎石結(jié)構(gòu)基層。透水鋪裝結(jié)構(gòu)的滲透性遠(yuǎn)大于硬化地面，因此能及時(shí)快速地處理雨水，保護(hù)水資源［10，11］。

目前我國正在推行“無廢城市”建設(shè)，從源頭削減固體廢物和實(shí)現(xiàn)資源的二次利用，最大程度減少填埋量，降低固體廢物對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響［12］。Ossa 等［13］的試驗(yàn)研究表明，在道路基層和次基層中使用建筑拆除再生材料是天然骨料的絕佳替代品，并且不會(huì)顯著降低透水鋪裝的力學(xué)性能。薛冬杰等［14］的研究表明，摻入硅粉的水泥漿體改性粗骨料制備再生透水混凝土的透水系數(shù)在10 mm/s 左右，可以滿足工程需要。李秋實(shí)等［15］的研究表明，再生骨料透水混凝土的總孔隙率比天然骨料透水混凝土高。薛如政等［16］和徐亦東等［17］的研究表明，再生骨料滲透性與吸水性方面均優(yōu)于天然骨料。

綜上所述，目前對(duì)采用普通碎石結(jié)構(gòu)和水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)作為基層的透水鋪裝地表徑流削減效果已有較多研究，對(duì)再生骨料制成的透水混凝土和透水磚的強(qiáng)度、滲透性能等也有較多研究［18］，但將再生骨料直接應(yīng)用于透水鋪裝基層結(jié)構(gòu)對(duì)提高雨水入滲速率和削減地表徑流量的效果方面的研究未見報(bào)道。為研究再生骨料作為透水鋪裝基層對(duì)提高雨水入滲速率和削減地表徑流量的效果，本文擬構(gòu)造兩種基層結(jié)構(gòu)不同的透水鋪裝物理模型，通過降雨入滲模型試驗(yàn)，研究這兩種不同類型基層結(jié)構(gòu)的透水鋪裝在不同降雨強(qiáng)度下的雨水入滲效果。研究結(jié)果對(duì)實(shí)現(xiàn)雨水資源化利用、建筑拆除材料循環(huán)利用等具有重要的參考意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要包括降雨槽、試驗(yàn)槽、鋼支座、給水管、量筒等。降雨槽和試驗(yàn)槽均由五面透明有機(jī)玻璃板圍合而成。降雨槽長(zhǎng)100 cm、寬100 cm、高20 cm，槽底對(duì)稱地開有25 個(gè)（5×5）針孔（針孔內(nèi)徑0.1 cm）。槽一側(cè)開一個(gè)溢流口，高5 cm、寬20 cm，目的是保持降雨槽內(nèi)水位恒定，形成恒定均勻降雨。溢流口處做兩個(gè)插拔，一個(gè)高3 cm、一個(gè)高6 cm，用來控制不同的水位，形成不同強(qiáng)度的降雨。試驗(yàn)槽長(zhǎng)100 cm、寬100 cm、高100 cm，槽底開5個(gè)直徑為1 cm的圓孔，用來收集滲出水量。在箱體四面設(shè)直徑0.6 cm 的溢流口，用于收集地表徑流，溢流口位置與透水磚面層齊平。鋼支座用于支撐試驗(yàn)槽與降雨槽。透水鋪裝降雨流程圖見圖1。

圖1 透水鋪裝降雨流程圖Fig.1 Rainfall flow chart for permeable pavement

1.2 試驗(yàn)材料

（1）土基層：土基層的滲透能力遠(yuǎn)小于基層與面層，因此土基層的滲透性能是影響透水鋪裝整體透水速率的主要因素，本試驗(yàn)土基層材料選用滲透性較好的砂壤土。

（2）基層：采用兩種不同材料，普通級(jí)配碎石和再生骨料；普通級(jí)配碎石基層、再生骨料基層均按相對(duì)密度0.7 進(jìn)行攤鋪。基層上部的找平層采用透水性較好的中砂，與面層緊貼。透水鋪裝的基層除了具備需要的承載能力和強(qiáng)度外，還需具備良好的排水能力。試驗(yàn)所用的兩種基層材料為普通級(jí)配碎石和再生骨料。再生骨料采用機(jī)械破碎法，即使用機(jī)械力碾壓破碎建筑拆除材料，去除砂漿獲得再生骨料。再生骨料表面附著一部分水泥砂漿且在破碎過程中內(nèi)部產(chǎn)生較多裂紋，因此再生骨料的孔隙率較大、吸水性較強(qiáng)、堆積密度與表觀密度較低。兩種透水鋪裝結(jié)構(gòu)模型的基層均分為兩層，厚度統(tǒng)一設(shè)為15 cm（下層）和10 cm（上層）；一方面利于積存，排出經(jīng)面層入滲到基層的雨水，另一方面便于比較不同材料的基層結(jié)構(gòu)對(duì)雨水處理的效果。

（3）面層：采用透水磚。透水磚面層除了具有一定承載能力，還需具有一定的滲透性和保水能力，透水磚規(guī)格為20 cm×10 cm×5 cm，滲透系數(shù)為0.86 mm/s。

（4）透水鋪裝各層組成及材料配置見表1。

表1 透水鋪裝各層組成及材料配置Tab.1 Composition and material configuration of each layer of permeable pavement

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用人工模擬降雨，選擇芝加哥雨型、降雨歷時(shí)1 h，紹興市暴雨強(qiáng)度如公式（1）所示。計(jì)算不同降雨強(qiáng)度下的透水鋪裝徑流削減量及雨水入滲量。不同類型透水鋪裝結(jié)構(gòu)的降雨入滲試驗(yàn)結(jié)果見表2。

式中：i為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，mm/min；P為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)對(duì)地表徑流的影響

110 mm/h 的高強(qiáng)度降雨下，模型一和模型二的5 min 地表徑流量如圖2所示。3 種不同降雨強(qiáng)度下，模型一的5 min 地表徑流量如圖3所示。

圖2 110 mm/h降雨下不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)模型5 min地表徑流量Fig.2 Surface runoff every 5 minutes of different permeable pavement structure models under rainfall intensity 110 mm/h

圖3 模型一不同降雨強(qiáng)度下5 min地表徑流量Fig.3 Surface runoff every 5 minutes under different rainfall intensities for model 1

由表2可看出，模型一和模型二這兩種透水鋪裝的總體滲透性良好。80 mm/h 的中強(qiáng)度降雨下，模型一才出現(xiàn)地表徑流；110 mm/h 的高強(qiáng)度降雨下，模型二才出現(xiàn)地表徑流。這是由于本文透水鋪裝的基層材料采用普通級(jí)配碎石和再生骨料，透水鋪裝基層孔隙連通性較好，雨水能夠快速入滲，因此能有效控制地表徑流的發(fā)生。

表2 不同類型透水鋪裝結(jié)構(gòu)降雨入滲試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Rainfall infiltration test results of different types of permeable pavement structures

從圖2可看出，基層結(jié)構(gòu)的差異對(duì)地表徑流有顯著影響。在110 mm/h 的高強(qiáng)度降雨下，模型二的地表徑流量小于模型一，徑流系數(shù)減少40.7%；模型二峰現(xiàn)時(shí)刻比模型一延遲12 min，5 min 峰值徑流量削減33.3%?？梢娔Ｐ投脑偕橇匣鶎咏Y(jié)構(gòu)比模型一的普通級(jí)配碎石基層結(jié)構(gòu)能夠更好的下滲雨水。透水鋪裝控制雨水徑流量的主要途徑為：透水鋪裝各層材料對(duì)雨水的吸附；基層結(jié)構(gòu)對(duì)雨水的蓄滯；通過土基層排出的雨水。模型一與模型二的基層厚度相同，材料粒徑尺寸也相同，但模型二基層結(jié)構(gòu)材料采用的再生骨料，因其內(nèi)部含有較多的微細(xì)孔及微裂縫，致使基層結(jié)構(gòu)的連通孔隙率增加，而連通孔隙率與滲透系數(shù)呈正比例關(guān)系；此外基層結(jié)構(gòu)連通孔隙率與有效儲(chǔ)水層厚度的關(guān)系如式（2）和（3）所示［19］，可見再生骨料基層結(jié)構(gòu)的連通孔隙率大，可以儲(chǔ)存更多的雨水；所以再生骨料基層結(jié)構(gòu)一方面增加了雨水滲透量，另一方面蓄積更多雨水于其孔隙中，加之再生骨料本身吸水性強(qiáng)，導(dǎo)致模型二的峰現(xiàn)時(shí)刻滯后于模型一，且峰值徑流量小于模型一。以上對(duì)比表明采用再生骨料基層透水鋪裝對(duì)提高雨水入滲速率、削減地表徑流的效果更為顯著。

式中：h為基層實(shí)際厚度；h′為基層有效厚度；va′為基層連通孔隙率；h′total為基層有效儲(chǔ)水層總厚度。

2.2 降雨強(qiáng)度對(duì)透水鋪裝結(jié)構(gòu)地表徑流的影響

由圖3和表2可看出，當(dāng)降雨歷時(shí)較短時(shí)，降雨強(qiáng)度的大小是影響地表徑流量的主要因素。模型一80 mm/h降雨下的徑流系數(shù)為1.38%，110 mm/h 降雨下的徑流系數(shù)為2.43%，徑流系數(shù)增大76.1%，且峰現(xiàn)時(shí)間提前9 min，5 min 峰值徑流量增加37.8%。這是由于土基層的滲透能力比上層結(jié)構(gòu)弱，隨著降雨強(qiáng)度的增大，滲入透水鋪裝內(nèi)的雨水量持續(xù)增加，雨水不能及時(shí)下滲，致使基層蓄水深度不斷提高，當(dāng)超過基層最大蓄容量時(shí)，雨水上升到面層并漫出面層表面形成地表徑流，導(dǎo)致地表徑流時(shí)刻提前、地表徑流量增加。但在降雨強(qiáng)度較小時(shí)，模型一、二的整體雨水滲透速率大于降雨速率，因此能充分下滲雨水，所以50 mm/h的降雨下，模型一、二均未出現(xiàn)地表徑流。

以上結(jié)果表明隨著降雨強(qiáng)度的增大地表徑流的峰現(xiàn)時(shí)間提前、峰值徑流量隨之增加。但模型二的再生骨料基層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)水率與雨水蓄滯能力均較強(qiáng)，因此在高強(qiáng)度降雨下也能有效削減峰值徑流量，延遲地表徑流峰現(xiàn)時(shí)間。雖然模型一的普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝滲透性低于模型二，但在降雨強(qiáng)度一定時(shí)，模型一的雨水消納能力也能有效削減地表徑流。

2.3 不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)對(duì)箱底排水狀況的影響

3 種不同降雨強(qiáng)度下，降雨開始后不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)模型箱底排水狀況分別如圖4～圖6所示。

圖4 50 mm/h降雨開始后不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)模型箱底排水狀況Fig.4 Drainage conditions of box bottoms of different permeable pavement structure models after the start of 50 mm/h rainfall

圖5 80 mm/h降雨開始后不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)模型箱底排水狀況Fig.5 Drainage conditions of box bottoms of different permeable pavement structure models after the start of 80 mm/h rainfall

圖6 110 mm/h降雨開始后不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)模型箱底排水狀況Fig.6 Drainage conditions of box bottoms of different permeable pavement structure models after the start of 110 mm/h rainfall

由表2和圖4～6 可看出，在50、80、110 mm/h 3 種降雨強(qiáng)度下，降雨結(jié)束后5 h 內(nèi)，模型二的箱底排水時(shí)刻早于模型一，且峰值排水量大于模型一，這主要是由于模型二基層結(jié)構(gòu)材料采用的再生骨料，與普通級(jí)配碎石相比，由于生產(chǎn)過程中損傷累積，再生骨料內(nèi)部出現(xiàn)大量的裂紋，本身內(nèi)部孔隙率增加，因此模型二的再生骨料基層結(jié)構(gòu)整體有效孔隙率增大、滲透流速加快、吸附能力加強(qiáng)，雨水能夠較為快速、集中的下滲至土基中，因此峰值排水量增大，排水時(shí)間提前，分別提前了30、19、9 min；基層的有效孔隙率越大，其下滲速度越快。由此可見，水分下滲的速率與基層結(jié)構(gòu)材料有很大的關(guān)聯(lián)性。

從表2和圖4～6 還可看出，降雨結(jié)束后5 h 后，模型二的排水量小于模型一，且模型二的箱底排水總量平均減少13.03%。這是由于再生骨料表面附著舊水泥砂漿且疏松多孔，使其孔隙率增加、吸水性加強(qiáng)，因此在雨水入滲的過程中，模型二的再生骨料基層結(jié)構(gòu)相對(duì)于模型一的普通級(jí)配碎石基層結(jié)構(gòu)吸收更多水分，相當(dāng)于提高了基層結(jié)構(gòu)的蓄水容量，致使入滲到土基中的水分相對(duì)減少。

綜上所述，采用再生骨料作為基層的透水鋪裝的導(dǎo)水率和吸水性均優(yōu)于普通級(jí)配碎石作為基層的透水鋪裝，因此其雨水入滲效果更好，對(duì)提高雨水入滲速率、削減地表徑流的效果更為顯著。

3 結(jié) 論

（1）基層材料的不同對(duì)雨水入滲效果有著明顯的影響，80 mm/h 的中強(qiáng)度降雨下，模型一產(chǎn)生地表徑流，而模型二無地表徑流；110 mm/h 的高強(qiáng)度降雨下，模型二的徑流系數(shù)比模型一減少40.7%，峰現(xiàn)時(shí)間延遲12 min，且5 min 峰值徑流量削減33.3%。對(duì)比兩種模型的雨水入滲試驗(yàn)結(jié)果，采用再生骨料作為基層的透水鋪裝（模型二）對(duì)提高雨水下滲速率和削減地表徑流量效果更好。

（2）在3種不同降雨強(qiáng)度下，再生骨料基層透水鋪裝相較于普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝排水時(shí)間提前、峰值排水量增加，因此在雨水削減效果方面更適用于實(shí)際應(yīng)用。

（3）兩種透水鋪裝均能夠有效地削減地表徑流，提高雨水入滲速率，補(bǔ)充地下水，實(shí)現(xiàn)水資源的二次利用。但再生骨料的滲透性與蓄水量相對(duì)較大，能快速地消納雨水，有較好的雨水徑流控制效果，因此再生骨料在透水鋪裝中具有較好的應(yīng)用前景。