基于人工降雨的透水裝置透水性能的研究

姚 晨，顧樂瑤，羅 洋，賀 勤，周昱含

(西南石油大學(xué) 土木工程與測(cè)繪學(xué)院，四川 成都 610500)

0 前 言

隨著城鎮(zhèn)化的迅猛推進(jìn)，城市內(nèi)澇防治成為了防災(zāi)減災(zāi)的重要課題，以成都為例，2020年以來受強(qiáng)降雨的影響，金堂縣等15個(gè)區(qū)(市、縣)不同程度受災(zāi)，以城鎮(zhèn)內(nèi)澇、城市積水等災(zāi)害為主全市直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)37億元。停車場(chǎng)作為城市地表的一部分，是現(xiàn)代社會(huì)城市中缺一不可的交通設(shè)施之一，然而傳統(tǒng)的停車場(chǎng)透水能力較差，因此，對(duì)透水停車場(chǎng)的研究迫在眉睫，本項(xiàng)目主要針對(duì)此問題展開研究，對(duì)原有普通透水停車場(chǎng)進(jìn)行改進(jìn)。

雖然現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)透水鋪裝的研究很多，比如美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)透水鋪裝的水紋特征受多方面因素影響；科羅拉多大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)透水混凝土在一定程度上可控制路面積水，但地基入滲速度也會(huì)影響其效果；等等。但仍存在很多問題，現(xiàn)有研究表明當(dāng)前對(duì)透水鋪裝的研究大多注重于排水路面的研究，涉及透水停車場(chǎng)的較少，城市各部分透水能力的提升需求依然迫切，且透水停車場(chǎng)隨著城市的發(fā)展，對(duì)城市發(fā)展至關(guān)重要，在排水路面的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行透水停車場(chǎng)的研究將獲得更大的更遠(yuǎn)的應(yīng)用。

“透水停車場(chǎng)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)選出在不同的降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間、降雨方式下，通過不同的透水結(jié)構(gòu)、面層基層的材料厚度、透水材料，得出鋪裝的最佳配比和透水結(jié)構(gòu)，為實(shí)際修建停車場(chǎng)提供重要的理論依據(jù)，在理論創(chuàng)新方面，本實(shí)驗(yàn)考慮了降雨時(shí)長(zhǎng)以及降雨強(qiáng)度對(duì)降雨實(shí)驗(yàn)的影響，在技術(shù)創(chuàng)新方面，相較于普通停車場(chǎng)，本實(shí)驗(yàn)在面層增加植草空腔，在美化環(huán)境的同時(shí)利用植物的根部含水透水，在材料方面，引入了新的透水材料增加其排水能力和儲(chǔ)水能力，在安裝方面，也選擇了新的導(dǎo)排管安裝方式，以達(dá)到更好的效果。本實(shí)驗(yàn)不僅考慮了透水性能的相關(guān)功能，也在最大程度上提高了雨水的利用率，降低了城市開發(fā)建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，在減少不透水地表面積的同時(shí)提高城市綠化面積，平衡城市建筑用地和綠化之間的矛盾。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論

1.1 透水混凝土設(shè)計(jì)原理

透水混凝土相較之于普通混凝土的最大區(qū)別便為其孔隙率，多孔且空穴均勻分布則是其關(guān)鍵，然而過度的孔隙率便會(huì)對(duì)混凝土本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成影響和約束，把握好適當(dāng)充分的孔隙率才能平衡好透水性能和透水混凝土自身強(qiáng)度的關(guān)系。一般而言，透水混凝土的連續(xù)孔隙率為20%～30%，而普通混凝土在沒有加外加劑的情況下為1%左右，混合加入引氣劑后孔隙率為4%～7%。普通混凝土除加入改善性能的外加劑和摻合料外由水泥、砂、石和水所組成，透水混凝土為保持其特殊的透水功能，是由骨料、增強(qiáng)劑、水泥和水拌制而成的一種多孔混凝土,一般不含或少量細(xì)骨料。

透水混凝土經(jīng)過配合比方案的設(shè)計(jì)，采用以孔隙率為關(guān)鍵的體積法，透水混凝土的骨架為其內(nèi)部孔隙，其強(qiáng)度由粗集料和包裹在外邊的水泥砂漿之間形成的具有粘附力和摩擦力所組成。

1.2 徑流削弱效果分析

對(duì)于透水停車場(chǎng)的透水性能可用徑流總值削弱率來進(jìn)行量化，從而進(jìn)一步更加具體地來判別一個(gè)透水停車場(chǎng)的更加貼近實(shí)際運(yùn)用價(jià)值如何。

徑流總值削弱率用下述公式計(jì)算：

(1)

式中，μ為徑流總值削弱率，%；Vt為透水停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的徑流總量，mL；Vp為普通停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的徑流總量，mL。

1.3 產(chǎn)流延遲效果分析

停車場(chǎng)路面產(chǎn)生對(duì)日常生活有影響的積水即產(chǎn)生徑流，停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)路面未產(chǎn)生徑流總時(shí)長(zhǎng)與降雨總時(shí)長(zhǎng)的之比即為產(chǎn)流延遲，產(chǎn)流延遲對(duì)停車場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用有著重要影響。

產(chǎn)流延遲率用下述公式計(jì)算：

(2)

式中，γ為產(chǎn)流延遲率，%；Tc為產(chǎn)流時(shí)間，min；T為降雨總時(shí)長(zhǎng)，min。

1.4 下滲與降雨強(qiáng)度的關(guān)系分析

在實(shí)際降雨情況下很難保證雨水按照某一強(qiáng)度均勻降雨，其強(qiáng)度變化難以預(yù)測(cè)。降雨和下滲能力的關(guān)系直接影響了雨水下滲的變化。在正常條件下，由于降雨的不確定性雨水不可能均能按下滲容量下滲。在下滲容量的概念中，當(dāng)降雨強(qiáng)度小于下滲能力，雨水進(jìn)入透水鋪裝后可以完全下滲，此時(shí)下滲過程受降雨強(qiáng)度變化的影響，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于下滲能力時(shí)部分雨水下滲、部分雨水溢流下滲過程受下滲能力變化影響。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 人工降雨實(shí)驗(yàn)裝置

人工降雨實(shí)驗(yàn)裝置，裝置長(zhǎng)630 mm、寬630 mm、高600 mm，整體為鋼化玻璃，底部打孔12個(gè)直徑2 cm，側(cè)面開孔3個(gè)20 mm孔，上部布置5個(gè)流量在3.5 L/min的噴頭，模擬不同的降雨強(qiáng)度的降雨，側(cè)面通過PC管收集地表徑流量和滲流量。

2.2 透水混凝土和普通混凝土制作

本實(shí)驗(yàn)分別制作C25型普通混凝土磚與透水混凝土磚，從而進(jìn)行對(duì)比。

普通混凝土的原料有42.5普通硅酸水泥，3～8 mm碎石，砂和清潔用水。配合比1∶ 3.17∶ 1.42∶ 0.44。在實(shí)驗(yàn)制作過程中，先將水泥均勻鋪開，將砂子倒入混凝土攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌，在水泥和沙子混合均勻后加水并攪拌，最后投入碎石再攪拌3～5 min，使石子與灰漿全部調(diào)勻。再將拌制好的混凝土填入模具中并振平。最后將塑料薄膜覆蓋在上面放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)10 d。

透水混凝土采用與普通混凝土相同的水泥與碎石，在此基礎(chǔ)上增加了新型透水混凝土增強(qiáng)劑專用SR型，配合比為1∶ 5.5∶ 0.05∶ 0.43。水泥量為5%攪拌時(shí)先投入水泥、碎石與50%的水?dāng)嚢?0 s，然后投入增強(qiáng)劑攪拌60 s，再加入剩余的水?dāng)嚢?20 s。出料后將其填入模具中并輕微振平，避免影響其孔隙率。最后放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。其中透水混凝土拆模時(shí)間要短于普通混凝土，為避免水分大量蒸發(fā)，因此在拆模后還要對(duì)其進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，實(shí)驗(yàn)中用壓力較小的噴頭對(duì)其灑水養(yǎng)護(hù)7 d。

2.3 普通停車場(chǎng)和透水停車場(chǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

停車場(chǎng)模擬結(jié)構(gòu)裝置各結(jié)構(gòu)層按照實(shí)際容器結(jié)構(gòu)大小，按規(guī)范要求鋪設(shè)，混凝土面層側(cè)面設(shè)有1個(gè)直徑為15 mm均勻出水口，鋼模底部有9個(gè)直徑為15 mm均勻出水口，底部出水口上方鋪有透水土工布防止透水停車場(chǎng)基層材料從孔中掉落。

停車場(chǎng)底層為還原現(xiàn)實(shí)情況中底層土壤情況，最底層為100 mm厚度的實(shí)土基層、其上為300 mm級(jí)配碎石底基層，級(jí)配碎石中均勻插入9根長(zhǎng)為300 mm、直徑為15 mm的PC塑料管，再上一層為30 mm粗砂找平層，各層之間設(shè)有透水土工布。包括實(shí)土基層、級(jí)配碎石基層，透水停車場(chǎng)透水面層由16塊120 mm ×120 mm×120 mm透水混凝土塊相隔均勻鋪設(shè)組成，間隔部分由天然土壤摻加40%人工砂的人工改良土填充，土壤上種植常見植被，植草率約為41.95%。普通停車場(chǎng)路面改由普通混凝土塊緊挨均勻鋪設(shè)組成，其余結(jié)構(gòu)一致。透水停車場(chǎng)底層縱向剖面見圖1。

圖1 透水停車場(chǎng)底層縱向剖面示意圖

2.4 試驗(yàn)方法

通過自行設(shè)計(jì)的人工模擬降雨裝置，控制降雨強(qiáng)度為小雨(1.85 L/min)、中雨(2.2 L/min)、大雨(3.3/min)，模擬降雨時(shí)長(zhǎng)分別為30、45、60 min時(shí)的透水停車場(chǎng)和普通停車場(chǎng)的工作情況。

調(diào)試好模擬降雨器后，首先測(cè)定人工降雨裝置的噴淋雨量是否為設(shè)計(jì)雨強(qiáng)，其后啟動(dòng)模擬降雨器。

記錄如下數(shù)據(jù)：①記錄透水鋪裝開始產(chǎn)生路面徑流的時(shí)間，即產(chǎn)流時(shí)間；②收集整個(gè)降雨過程中由裝置上方出水口出流的水，并測(cè)量該部分水的總體積，即徑流總量；③分別計(jì)算出透水停車場(chǎng)和普通停車場(chǎng)的滲透率，實(shí)驗(yàn)思路如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路圖

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析(見表1)

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，在相同的降雨時(shí)間下，透水停車場(chǎng)的產(chǎn)流時(shí)間遠(yuǎn)大于普通停車場(chǎng)，并且在大雨情況下尤為顯著。這一結(jié)論可以延長(zhǎng)人們應(yīng)對(duì)突發(fā)暴雨所采取措施的時(shí)間，從而減少此類自然災(zāi)害所造成的損失。

從總體分析兩種面層在不同降雨時(shí)間下的徑流總量,可以得到透水面層在各個(gè)降雨情況下大大減少了停車場(chǎng)的徑流總量。這不僅可以更好地解決路面積水問題，而且可以加速雨水的循環(huán)利用，從而達(dá)到更環(huán)保的效果。

對(duì)比兩種面層材料的滲透率可知，透水面層的滲透率遠(yuǎn)大于普通面層,并且這類透水材料在制作工藝上相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較其他新型材料低，這對(duì)于城市停車場(chǎng)建設(shè)提供了一個(gè)新的方向：可以考慮利用該面層的材料來增加其防災(zāi)能力。

3 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中沒有測(cè)試土壤的承重性，應(yīng)加入鋼筋等材料提高結(jié)構(gòu)的承重能力，或可以將放入面層下的鋼筋替換為環(huán)保型材料鋼纖維作為優(yōu)化，同時(shí)，在可承載的情況下可以改變PC管的數(shù)量以及直徑繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

在進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)本應(yīng)通過控制變量法進(jìn)行，但由于實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在時(shí)間有限的情況下只對(duì)比了最普通的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可以從面層材料和管道鋪設(shè)等方面繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，在材料方面可以調(diào)查目前地面停車場(chǎng)的面層材料，從而增加對(duì)照實(shí)驗(yàn)，尋找更好的透水材料。

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