海綿城市透水路面滲水儀改進設計

崔詠軍，陳滿軍

（昆山市建設工程質量檢測中心，江蘇 昆山 215337）

0 引 言

海綿城市于《2012 低碳城市與區域發展科技論壇》中被首次提出。2013年12月，中央城鎮化工作會議要求，“建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”。海綿城市作為新一代城市雨洪管理概念，是指城市在適應環境變化和應對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的“彈性”，良好的路面透水性能對建設海綿城市至關重要。透水路面由于其較好的滲水能力，可有效提高雨水利用效率及有效緩解城市熱島效應而得到廣泛使用［1-2］。

透水路面的滲透性能以滲透系數表征。目前國內外針對透水路面現場滲透系數測定提出了規范化的測定方法，日本采用道路協會《鋪裝試驗法便覽》中的現場透水量試驗，美國采用單環或雙環滲透變水頭試驗，我國采用 JTGE 20－2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的滲水試驗。張逆［3］對以上幾種試驗方法進行了比較，發現單環法存在較為明顯的尺寸效應，推薦使用現場滲水儀進行滲水量測定的試驗方法。我國規范中所推薦的滲水儀全過程需人為操作，在利用秒表計算滲水時間時存在人為誤差，并且無法保證測量用水完全通過密封區內圈，測量結果難以真實反映路面的實際滲透系數。因此，本文在研究已有路面滲水儀的原理基礎上，通過對其下部結構進行改進，并借助光電液壓與單片機技術，實現透水路面滲透系數的快速、準確測定，具有較大的實際應用價值。

1 現有實驗裝置

1.1 國內規范滲水儀

規范中路面滲水儀形狀及尺寸如圖1所示。該裝置分為上部結構與下部結構，上部為透明有機玻璃制成的具有刻度的盛水量筒，容積為 600 ml，并在 100 ml 及 500 ml 處有粗標線，下方通過 10 mm 的細管與底座相接，中間有一開關。

圖1 滲水儀（單位：mm）

該滲水儀需人為操作全過程，肉眼判斷水面下降的同時手動開啟秒表，此時產生了接收與反應的時間差，導致滲水量與滲水時間的測定存在偏差，滲水系數計算不準確，同時操作過程也較復雜，往往需多人合作。

1.2 日本道路協會現場滲水儀

日本道路協會的現場滲水儀依據的是質量守恒定律。日本的路面滲水儀與我國的大體相似，差別在于日本的盛水量筒高度為 324 mm，下部結構的高度為 263 mm。即在測定時，日本的滲水儀水頭差更大。

日本滲水儀放水閥門推薦直徑為 7 mm 以上，而在《鋪裝試驗法便覽》中，則直接規定為 8 mm。根據文獻［4］的研究，似 8 mm 更為合理些。

1.3 ASTM-C1701 單環滲水儀器

美國單環滲水儀基于變水頭理論，單環滲水儀可選用直徑為 30 cm 的鋼、鋁或者 PVC 等圓桶材料，具體尺寸要求如圖2所示。

試驗前先以 3.6 kg 的水進行 30 s 的滲透速度測試，若水完全滲入路面，則采用 18 kg，否則采用 3.6 kg 水量。試驗時將水頭高度維持在 1～1.5 cm，紀錄使用水的質量M和所經過的時間t，滲透系數計算見式（1）。

圖2 徐陸軍［5］滲水試驗時的單環滲水儀

式中：k為透水路面的滲透系數，mm/h；M為水的質量，kg；D為環的內徑，mm；t為試驗過程中經歷的時間，s；I為常數，4 586 666 000。

2 改進后滲水儀

本文對滲水儀下部結構進行改進，通過增加金屬圈和凸榫等結構，確保測量結果能夠準確反映透水路面的滲透性能，并通過光電液壓系統與單片機技術實現透水路面滲透系數的全自動測定，在提高測定準確性的同時，節省大量的人力。

2.1 裝置組成

圖3 全自動計時路面滲水儀

改進后全自動計時路面滲水儀由量筒、連接圓盤、底座、光電液位開關、電磁閥、下接管和控制器組成，如圖3所示。控制器包括單片機、屏幕、自動計時模塊和按鍵模塊。圓盤上、下表面分別開有與量筒和下接管匹配的孔。量筒為上、下開口的中空柱體，并在 100 ml 與 500 ml 處設置了兩個光電液位開關，下接管上設置有電磁閥，光電液位開關和電磁閥均與控制器相連。

2.2 改進方案

2.2.1 底座底面處結構改進

如圖4所示，在支座底部增設兩個圓環形凸榫，先使得連接座下端面嵌入在密封層內，通過改變密封層的結構，增大凸榫與粘結材料以及粘結材料與路面間的壓力，使得密封層和連接腔的內壁之間緊密結合，從而使連接座和密封層之間具有良好的密封性。

圖4 滲水儀底部圖

2.2.2 底座內部加金屬圈

制作一個如圖4所示的金屬圈，放入底座內部，金屬圈的外徑略小于底座下方開口內徑；在使用時將塑料圈置于試件中央或路面表面的測點上，用粉筆分別沿塑料圈的內側和外側畫上圈，在外環和內環之間的部分用密封材料進行密封。

此金屬圈作用如下：①防止粘結材料受壓擠入底座內部及粘結材料變形對滲水面積的影響。②利于儀器放置時的對中操作。

2.2.3 自動測量

將路面滲水儀底座密封壓在路面上，并加上壓重圈。向量筒中注水后，點擊按鍵模塊，單片機下達打開電磁閥的命令并開啟自動計時模塊，在液位下降到 100 ml 時觸發光電液位開關，單片機接收信號自動開始計時，液位下降到 500 ml 時，光電液位開關再次被觸發，單片機停止計時，并在屏幕上顯示滲水時間，從而實現滲水時間的自動測定。

2.3 試驗原理與步驟

2.3.1 試驗原理

滲透系數的測定分為變水頭試驗和常水頭試驗，兩種方法皆基于達西定律。研究表明［5］，滲透系數處于 10-1～10-2cm/s 的介質既可以用常水頭也可以用變水頭。透水瀝青混合料的滲透系數處于 10-1～10-2cm/s 范圍之內，即兩種測定方法皆可選用，但考慮到在路面鋪筑過程中，由于施工工藝、人員、機械等原因，經常導致實際路面的滲水系數要小于設計滲水系數。且隨著時間的推移，路面滲水系數呈現出衰減狀態，此時更適宜用變水頭試驗進行滲水系數的檢測。因此本文設計的透水路面滲水儀基于變水頭原理。

2.3.2 測試步驟

1）將塑料圈置于路面表面的測點上，用粉筆分別沿塑料圈的內側和外側畫上圈，用密封材料對外環和內環之間的區域進行密封。

2）將金屬圈與粉筆所畫內圈對中放置，用密封材料對環狀密封區域進行密封處理并與金屬圈緊密粘結。如果密封材料不小心進入內圈，須用刮刀將其刮走。將搓成拇指粗細的條狀密封材料摞在環狀密封區域的中央，并且摞成一圈。

3）將滲水儀與金屬圈對中放在路面表面的測點上，將滲水儀壓在條狀密封材料表面，加配重，以防壓力水從底座與路面間流出。

4）電磁閥處于關閉狀態時，向量筒中注滿水，點擊按鍵模塊，讀取屏幕顯示時間并記錄。

5）測試過程中，如水從底座與密封材料間滲出，說明底座與路面密封不好，應移至附近干燥路面處重新操作。若水面下降至一定程度后基本保持不動，說明基本不透水或根本不透水。

6）按以上步驟在同一個檢測路段選擇5個測點測定滲水系數，取其平均值作為檢測結果。

透水路面滲透系數計算見式（2）。

式中：k為透水路面的滲透系數；V1為第一次計時時的水量，ml，100 ml；V2為第二次計時時的水量，ml，500 ml；t1為第一次計時時的時間，s；t2為第二次計時時的時間，s。

3 結 語

改進后的全自動透水路面滲水儀裝置，更便于現場測定透水路面的滲透系數，對新建透水路面和舊路面的滲水能力均能做出較好的評估，改進后的裝置具有以下幾方面優點。

1）通過在支座底部增設兩個圓環及凸榫，改變密封層的結構，使得連接座和密封層之間具有良好的密封性，提高測定結果的精確性。同時，可減小儀器上部所需壓重鐵圈的質量，使儀器更加輕巧、便攜。

2）利用光電液壓系統及單片機技術可全自動測定透水路面的滲透系數，避免了人為操作所引起的誤差，提高了測量結果的準確性。