生態混凝土路面透水特性研究

張 偉

1 概述

在城市建設中,我國的大多數城市都喜歡選擇整齊漂亮的石板材或水泥等不透水路面,包括人行道、自行車道、郊區道路、露天停車場、庭院和街巷的地面以及公共廣場等[1]。這樣的硬化路面雖然整齊耐用,但其最大的缺點就是不透水,會給城市環境帶來許多危害。

針對目前硬質路面存在的問題,采用透水性鋪裝是解決硬化路面各種問題的最根本手段。而生態混凝土由于其優點,非常適于作為透水性鋪裝替代某些硬化路面。生態混凝土又稱為環境友好混凝土[2-4](Environmentally Friendly Concrete/Eco-concrete)。生態混凝土透水路面與普通的水泥混凝土路面相比,因為其具有較大的空隙率,能夠使雨水迅速地滲入地表,還原成地下水,使地下水資源得到及時補充。保持土壤濕度,改善城市地表植物和土壤微生物的生存條件,同時能與土壤相通,蓄積較多的熱量,有利于調節城市空間的溫度和濕度,消除熱島現象。當集中降雨時,能夠減輕排水設施的負擔,防止路面積水和夜間反光,提高車輛、行人的通行舒適性與安全性。本文主要研究生態混凝土透水特性及其對徑流的削減作用。

2 材料與方法

2.1 生態混凝土特性

所選用生態混凝土的基本特性見表1。

表1 生態混凝土基本特性

2.2 實驗方法

實驗區生態混凝土面積2 m2(1 m×2 m),厚度為5 cm,底部鋪有5 cm厚砂土。人工降雨裝置采用側噴式模擬降雨系統,人工降雨強度范圍為0.1 mm/min～4.0 mm/min,用積水控制器控制表層積水深度不超過1 cm。記錄積水深度以及漫流水體積,用以計算不同時刻的下滲率。

3 結果及分析

3.1 生態混凝土透水特性

整個過程中下滲率隨時間的變化如圖1所示。整個系統的初始下滲率非常高,這主要是由于生態混凝土具有很高的透水率,在降雨的初期生態混凝土孔隙內以及下層砂土中的含水率很低,不致成為限制因素,其飽和浸潤相對于不透水路面要經歷很長的時間過程。

經過一段時間后,下滲率有一個較明顯的下降過程,也就是徑流開始產生的過程。這說明系統的含水率已經迅速上升,開始成為制約因素。這一過程經歷的時間相對較短。

最終下滲率趨于穩定,降雨的很大一部分轉變為徑流。穩定下滲率與初始下滲率相差很大,比較接近砂土的下滲率。這說明在穩定下滲過程中影響下滲率的主要制約因素是下層土壤的滲濾情況。

3.2 生態混凝土下滲方程

根據所得的實驗數據,采用霍頓方程描述下滲曲線[5],方程形式為:

其中,ft為 t時刻的入滲率,mm/min;f0為初始入滲率,mm/min;fc為穩定入滲率,mm/min;k為入滲衰減指數,min-1。

根據實驗數據以及上述方程,綜合考慮土壤的雨前持水條件,通過曲線擬合,得到下滲方程:

3.3 對城市地表徑流的削減作用

根據某市暴雨強度公式[6]結合Keifer和Chu提出的芝加哥下水道設計雨型的原理,可以求得瞬時雨強公式為[7]:

雨峰前:

雨峰后:

其中,I1,I2分別為雨峰前t1時刻和雨峰后t2時刻的瞬時雨強。

降雨過程中,當僅考慮下滲損失時,歷時 t內降雨量Q所產生的地表徑流為:

實際過程中,由于雨強在某些時段有可能小于下滲率,因此應結合下滲強度計算實際徑流強度(I-f),最終可得徑流系數為:

不考慮初損,按照上述公式和方法,計算得到某市各降雨歷時t和重現期P下,生態混凝土透水路面的徑流系數(見表2)。

表2 生態混凝土路面徑流系數計算結果

結果表明,透水路面替代傳統的不透水路面(徑流系數一般為0.9)對地表徑流具有明顯的削減作用。暴雨重現期越小,下滲量占降雨量的比例越大,地表徑流系數越小,對地表徑流削減的程度越顯著;降雨歷時越長,地表徑流系數越小,地表徑流削減比例越大。

4 結語

不透水路面給城市環境帶來許多危害,采用生態混凝土透水性路面是解決硬化路面各種問題的有效手段。生態混凝土雨水入滲實驗、城市地表徑流的削減實驗表明生態混凝土具有較高的透水率,并對地表徑流具有明顯的削減作用。

[1]王立久,汪振雙,趙善宇.綠色生態混凝土技術的研究現狀與發展[J].混凝土,2009(7):1-3,10.

[2]石從黎,王 智,張 思.生態混凝土在城市建設中的應用[J].科學咨詢,2009(3):67-68.

[3]李慶剛.生態混凝土的研究現狀與發展趨勢[J].山西建筑,2007,33(4):183-184.

[4]張開猛,蔣友新,譚克鋒.生態混凝土研究現狀及展望[J].四川建筑科學研究,2008,34(1):152-155.

[5]仝玉才,延躍興.霍頓入滲方程參數的直接擬合法[J].山西水利科技,1997(2):26-29.

[6]謝五三,程 智.暴雨強度公式推求研究[J].安徽農業科學,2007,35(25):7750-7751,7766.

[7]Gupta K.,Saul A.J.Specific relationships for the first flush loadin combined sewer flows[J].Wat.Res,1996(30):1244-1252.