降雨入滲下透水路面滲流特性研究

繆宏杰, 鄭宣恭, 黃若鵬

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院， 福州 350002 ；2. 廈門華巖勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，福建 廈門361000)

傳統(tǒng)路面透水性能差，在大雨情況下常引起道路積水問(wèn)題，極大程度影響出行的舒適性和安全性.透水路面作為一種兼具交通和城市水資源控制功能的基礎(chǔ)設(shè)施，具有快速吸收雨水，減少道路徑流，降低城市熱島效應(yīng)，保證車輛舒適性以及行人的安全性等優(yōu)點(diǎn)[1-2].因此近年來(lái)，透水路面被廣泛應(yīng)用于城市的道路改善工程，同時(shí)透水路面也成為國(guó)家城市建設(shè)主推的方向之一.相比國(guó)外，我國(guó)透水路面起步較晚，從20世紀(jì)90年代起關(guān)注透水路面，先后在浙江、北京等多地試驗(yàn)透水路面.2015年由北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司等編制的《城市道路與開(kāi)放空間低影響開(kāi)發(fā)雨水設(shè)施》為我國(guó)透水路面的設(shè)計(jì)和施工提供了參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)透水路面的推廣使用和標(biāo)準(zhǔn)化提供有力支撐.

近年來(lái)隨著透水路面推廣使用，關(guān)于透水路面水力特性及機(jī)理方面的研究逐步取得了許多有價(jià)值的研究結(jié)論[3-4].陳偉等[5]建立降雨模型進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度下的模擬研究，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)透水路面區(qū)域的水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正模型，研究表明，無(wú)論是大、中、小型的降雨，透水路面均可有效降低地面徑流，同時(shí)在暴雨條件下，出口洪峰甚至可減少60%以上.郭效琛等[6]提出采用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)+數(shù)值模擬的方法對(duì)透水路面的效果進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)不僅可以計(jì)算徑流控制率，還可以提高模型的準(zhǔn)確性，研究結(jié)果表明該方法提高了分析模型的科學(xué)性，有利于海綿城市效果的定量評(píng)價(jià).姜成等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)骨料粒徑、孔隙率、堵塞物三個(gè)因素開(kāi)展研究.研究結(jié)果表明：4.75～9.50 mm單級(jí)配骨料的透水混凝土的綜合性能最好；透水系數(shù)和孔隙率呈現(xiàn)正相關(guān)，并且服從冪函數(shù)關(guān)系；0～2.36 mm范圍全粒徑級(jí)配的砂礫產(chǎn)生堵塞效應(yīng)，從而造成透水性大幅度下降.肖鑫等[8]提出目標(biāo)孔隙率應(yīng)滿足耐久性要求前提下，防止或減少路表徑流.目標(biāo)孔隙率通過(guò)滲透系數(shù)、降雨強(qiáng)度、路面參數(shù)綜合確定.同時(shí)通過(guò)建立數(shù)值分析模型，研究得出面層厚度、坡度、滲流路徑長(zhǎng)度可降低路表徑流的結(jié)論.魏漢林等[9]為了分析透水路面的淤堵規(guī)律，自主研發(fā)淤堵滲透測(cè)試儀，開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)研究，研究表明隨著時(shí)間推移，滲透系數(shù)不斷下降，與時(shí)間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系.下降過(guò)程為先快速下降，下降速率放緩，最終趨于穩(wěn)定.同時(shí)通過(guò)對(duì)比清洗前后的滲透系數(shù)，表明采用吸力或機(jī)械打掃后的透水路面其淤堵現(xiàn)象得以緩解，滲透系數(shù)回升明顯.

縱觀現(xiàn)階段的研究雖取得一定成果，初步解決材料選擇問(wèn)題[10-11]，但研究主要集中于材料孔隙率與滲透系數(shù)之間關(guān)系[12-13]，對(duì)整個(gè)透水路面的非飽和滲流研究甚少.鑒于此，開(kāi)展不同降雨強(qiáng)度下的透水路面的滲流分析研究，可明確透水路面的非飽和滲流規(guī)律，同時(shí)為透水路面設(shè)計(jì)和雨水控制的效果評(píng)價(jià)提供理論依據(jù).

1 多孔介質(zhì)非飽和滲流理論

多孔介質(zhì)非飽和狀態(tài)下包含空氣和雨水，可以體積含水量和飽和度表示其內(nèi)部空隙情況.

(1)

(2)

其中：V為多孔介質(zhì)表征體元體(Representative Elementary Volume,簡(jiǎn)稱REV)的總體積;Vw為多孔介質(zhì)表征體元體內(nèi)水的體積;V為多孔介質(zhì)表征體元體內(nèi)空隙的體積;n為孔隙率.

由此可知體積含水量與飽和度兩者之間關(guān)系為

θ=nSw

(3)

水在多孔介質(zhì)的流動(dòng)符合達(dá)西定律，在非穩(wěn)態(tài)流中滲透系數(shù)隨時(shí)間變化，數(shù)值模擬降雨入滲透水路面的過(guò)程是飽和-非飽和的滲流過(guò)程，其控制方程為

(4)

其中：H為模型單元內(nèi)總水頭;kx為x方向的滲透系數(shù);ky為y方向的滲透系數(shù);Q為外部流量邊界條件(例如降雨等)，Θ為體積含水量.

從此方程可知，進(jìn)入和流出單元的流量差等于此單元內(nèi)含水量的變化.在非飽和滲流過(guò)程其體積含水量以及滲透系數(shù)均隨著基質(zhì)吸力的變化而變化，本文計(jì)算模擬的材料的土水特性曲線主要依靠Van Genuchten模型[14]，其主要計(jì)算方程如下：

(5)

其中：Θw為體積含水量;Θs為飽和體積含水量;Ψ為負(fù)孔隙水壓力;a,n,m為曲線擬合參數(shù)(注意:a的單位是壓力單位，在這個(gè)方程中并不是水頭壓力的倒數(shù)).N為改變函數(shù)斜率的軸點(diǎn).m為影響函數(shù)曲線進(jìn)入平緩段的斜率.

2 數(shù)值分析模型的建立

2.1 數(shù)值模型

有限元分析模型如圖1 所示，采用透水路面常用路面結(jié)構(gòu)形式[15]，路表橫向坡度為2%，路面結(jié)構(gòu)從上至下為透水面層(10 cm)，透水基層(10 cm)、底基層(20 cm)、路基(4.6 m).透水路面面層采用厚度為10 cm透水瀝青混凝土；透水基層采用厚度為10 cm的大孔隙瀝青穩(wěn)定碎石；底基層采厚度為20 cm的級(jí)配碎石；路基采用粉質(zhì)砂土，厚度為4.6m.有限元分析模型的地下水位位于地下5 m處，與模型的路基底部齊平.

圖1 透水路面數(shù)值分析模型

2.2 邊界及材料特性

本文數(shù)值分析的降雨強(qiáng)度為每小時(shí)25 mm并且持續(xù)1 h，降雨停止后繼續(xù)監(jiān)測(cè)各結(jié)構(gòu)層孔壓變化3 h.在路表施加流量邊界，大小為降雨強(qiáng)度，模型底部和左側(cè)則采用零流量邊界，其余為不透水邊界.本文數(shù)值模擬分析瞬態(tài)情況下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的飽和-非飽和滲流情況.在材料處于非飽和狀態(tài)下，材料的水力性質(zhì)不再為常數(shù)而是與基質(zhì)吸力相關(guān)，因此數(shù)值模擬過(guò)程需要輸入非飽和參數(shù)曲線即材料的土水特征曲線以及滲透系數(shù)函數(shù).嚴(yán)格的非飽和參數(shù)曲線測(cè)試試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量時(shí)間并產(chǎn)生大量的費(fèi)用，本文土水特征曲線以及滲透系數(shù)函數(shù)的獲取均采用上文所介紹的Van-Genuchten法.具體有限元分析采用的材料參數(shù)如表1所示.

表1 各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 透水路面孔壓變化規(guī)律

分別取面層、基層、底基層的中點(diǎn)作為分析參考點(diǎn)，路基的分析參考點(diǎn)則取在距離底基層底部30 cm處.降雨階段孔隙水壓力變化如圖2所示，降雨開(kāi)始后透水路面面層和基層快速響應(yīng)，僅用0.15 h孔隙水壓力接近為0，此時(shí)面層和基層的接近飽和滲透系數(shù)接近最大，排水能力最強(qiáng).這是由于透水路面的面層和基層的滲透系數(shù)大于降雨強(qiáng)度，透水路面可快速接受水分.在水分入滲至基層過(guò)程，有少量水分入滲至底基層，因此在底基層達(dá)到飽和狀態(tài)前，出現(xiàn)兩次小幅度的增長(zhǎng).在0.7 h時(shí)大量水分進(jìn)入至底基層，底基層的孔隙水壓力短時(shí)間內(nèi)升高至零點(diǎn)，使得底基層達(dá)到飽和狀態(tài).由于透水路面的排水性能強(qiáng)，路基的分析參考點(diǎn)在整個(gè)降雨過(guò)程中未受到雨水入侵，因此路基的分析參考點(diǎn)孔隙水壓力未發(fā)生變化.

圖2 降雨過(guò)程透水路面孔隙水壓力變化

排水階段孔隙水壓力變化如圖3所示，降雨停止的0.3 h內(nèi)透水面層孔隙水壓力首先快速下降至-10 kPa，之后下降速度變緩.基層在降雨后0.3 h內(nèi)孔隙水壓力才出現(xiàn)小幅度下降，這可能是由于在降雨后0.3 h內(nèi)上部面層水分下滲至基層的速率與基層往下下滲的速率相當(dāng)造成.之后0.45 h基層孔隙較大幅度下降，其原因在于面層下滲至基層的水分大幅度減少，而基層本身水分繼續(xù)下滲至底基層.底基層在降雨停止后的0.8 h內(nèi)仍保持高孔隙水壓力，接受來(lái)自上部結(jié)構(gòu)傳遞下的水分.降雨停止0.8 h后，底基層孔隙水壓力大幅度下降，其下降幅度大于面層和基層，其原因在于底基層的孔隙率大于其他兩層，使得其積滯于內(nèi)部的水分較少，更多的水分通過(guò)側(cè)向排水排出路面結(jié)構(gòu).

圖3 停止降雨后透水路面孔隙水壓力變化

3.2 不同降雨強(qiáng)度下孔壓分析

本文對(duì)比分析傳統(tǒng)道路和透水路面，在大雨和小雨條件下的滲流規(guī)律.大雨條件下的降雨強(qiáng)度為25 mm/h，小雨條件下的降雨強(qiáng)度為5 mm/h.大雨和小雨條件的降雨持續(xù)時(shí)間均為1 h.傳統(tǒng)路面自上而下為面層、基層、底基層、路基.面層采用厚度為10 cm的密級(jí)配瀝青混凝土；基層采用厚度為10 cm的3%水泥穩(wěn)定碎石；底基層、路基與透水路面一致.

3.2.1 面層的孔壓變化分析

如圖4所示，小雨條件下，傳統(tǒng)道路面層孔壓僅有小幅度的增長(zhǎng)，這是由于傳統(tǒng)面層由于滲透系數(shù)低，只有少量的雨水進(jìn)入的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部.而大雨條件下，傳統(tǒng)道路面層降雨0.4 h后達(dá)到孔隙水壓力零點(diǎn)，之后孔隙水壓力繼續(xù)上升在0.5 h達(dá)到最大值12 kPa，之后略微下降保持在8 kPa左右.說(shuō)明在0.4 h后路面出現(xiàn)積水并一直保持至降雨結(jié)束.這是由于傳統(tǒng)道路面層滲透系數(shù)低雨水無(wú)法快速進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)，當(dāng)降雨強(qiáng)度大時(shí),外界增加的水量大于路面所能接收的水量，雨水在面層頂部發(fā)生積滯，產(chǎn)生大量積水嚴(yán)重影響行車安全.

圖4 不同降雨強(qiáng)度下面層的孔壓變化對(duì)比

相比傳統(tǒng)道路，無(wú)論大雨還是小雨條件下透水路面面層的孔隙水壓力響應(yīng)更加快速，大雨?duì)顟B(tài)下僅用時(shí)0.3 h既達(dá)孔隙水壓力零點(diǎn)，這是由于透水路面面層的滲透系數(shù)高，雨水入滲的速率快，使得孔隙水壓力更快發(fā)生響應(yīng).當(dāng)孔隙水壓力達(dá)到零點(diǎn)，面層的滲透系數(shù)也達(dá)到最大值，此時(shí)有利于雨水向路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲透.以上說(shuō)明透水路面可快速接收雨水，防止雨水無(wú)法被道路接收而出現(xiàn)水分積滯.降雨停止階段，透水路面面層的孔壓下降速率和幅度均大于傳統(tǒng)道路面層，這是由于透水路面的基層和底基層滲透系數(shù)較大，雨停后積滯于面層的水分可順利下滲.

綜上所訴，無(wú)論大雨還是小雨條件下傳統(tǒng)道路面層均難以接收水分，降雨強(qiáng)度大時(shí)將出現(xiàn)路表積水和徑流，不利于出行的安全.透水路面面層孔壓始終在零點(diǎn)附近波動(dòng)，未出現(xiàn)繼續(xù)增加至更高孔隙水壓力，也未出現(xiàn)積水.

3.2.2 基層的孔壓變化分析

小雨條件下，傳統(tǒng)道路基層孔壓僅有小幅度的增長(zhǎng)，僅有小部分水入滲，未出現(xiàn)飽和狀態(tài).而大雨條件下，傳統(tǒng)道路基層降雨0.5 h后達(dá)到孔隙水壓力最大值6.5 kPa，之后孔隙水壓力繼續(xù)回落至0 kPa，此時(shí)基層處于飽和狀態(tài).

小雨條件下，透水路面基層孔壓不斷增長(zhǎng)，在0.5 h后，孔隙水壓力達(dá)到0 kPa，基層處于飽和狀態(tài).說(shuō)明小雨條件下透水路面仍可接受大量雨水.而大雨條件下，透水路面基層快速響應(yīng)，僅用時(shí)0.2 h孔隙水壓力達(dá)到0 kPa，基層處于飽和狀態(tài).降雨停止階段，透水路面基層的孔壓下降速率和幅度均更大，這說(shuō)明降雨停止后積滯于基層的水分可順利排出.

綜上所訴，無(wú)論大雨還是小雨條件下，雨水均能順利到達(dá)基層，使得透水路面基層達(dá)到飽和狀態(tài).同時(shí)大雨條件下透水路面基層的響應(yīng)更快，比小雨強(qiáng)度下的基層飽和時(shí)間提前了0.3 h.而傳統(tǒng)道路基層只有在大雨條件下才能達(dá)到飽和狀態(tài)，大部分時(shí)間處于非飽和狀態(tài).見(jiàn)圖5.

圖5 不同降雨強(qiáng)度下基層的孔壓變化對(duì)比

3.2.3 底基層的孔壓變化分析

大雨條件下，透水路面在水分從面層入滲過(guò)程中伴隨少量水分入滲至底基層，在0.1 h時(shí)孔隙水壓力開(kāi)始增長(zhǎng)，在0.7 h時(shí)大量水分進(jìn)入至底基層，使得底基層達(dá)到飽和狀態(tài).傳統(tǒng)道路底基層的孔隙水壓力在降雨后0.5 h才開(kāi)始快速增加，相比透水路面底基層，傳統(tǒng)道路底基層的孔隙水壓力開(kāi)始增長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)較晚.小雨?duì)顟B(tài)下無(wú)論是透水路面還是傳統(tǒng)道路其孔隙水壓力均不變，說(shuō)明小雨?duì)顟B(tài)下水分未入滲至底基層.傳統(tǒng)道路主要依靠面層的低滲透性，降低了水分的入滲率，從而讓水分未抵達(dá)底基層.而透水路面則依靠面層和基層的高滲透性將水分及時(shí)排出，從而出現(xiàn)水分到達(dá)底基層.降雨停止階段，透水路面底基層的孔壓下降速率和幅度均更大，這是由于透水路面透系數(shù)較大，雨停后積滯于底基面的水分可順利排出.見(jiàn)圖6.

圖6 不同降雨強(qiáng)度下底基層的孔壓變化對(duì)比

4 結(jié) 論

本文研究了在降雨條件下透水路面的孔隙水壓力變化規(guī)律，利用數(shù)值分析方法建立有限元分析模型，基于非飽和滲流理論研究在不同降雨強(qiáng)度下道路各位置的孔隙水壓力變化規(guī)律.得出以下結(jié)論：

1) 透水路面的面層和基層可快速參與道路內(nèi)部排水，孔壓數(shù)據(jù)表明在降雨開(kāi)始后0.15 h水分，大量雨水進(jìn)入透水路面面層和基層，隨后進(jìn)入底基層并使該層達(dá)到飽和狀態(tài)；降雨結(jié)束后，面層的孔壓最先快速下降，底基層孔壓下降幅度則最大.

2)無(wú)論在大雨還是小雨條件下，傳統(tǒng)道路面層均難以接收水分，降雨強(qiáng)度大時(shí)將傳統(tǒng)道路出現(xiàn)路表積水和徑流，不利于出行的安全.透水路面面層孔壓始終在零點(diǎn)附近波動(dòng)，未出現(xiàn)積水現(xiàn)象.

3)透水路面在不同降雨強(qiáng)度下，雨水均能順利到達(dá)基層，使得透水路面基層達(dá)到飽和狀態(tài)，從而保證基層快速參與道路排水.同時(shí)大雨條件下透水路面的基層響應(yīng)更快，比小雨強(qiáng)度下基層的飽和時(shí)間提前了0.3 h.而傳統(tǒng)道路基層只有在大雨條件下才能達(dá)到飽和狀態(tài)，大部分時(shí)間處于非飽和狀態(tài)，未能有效幫助道路排水.