透水鋪裝系統“支撐體”結構及其功能*

羅 冰 唐 頌 鄭文苗

(1 西南科技大學城市學院 四川 綿陽 621000)(2 西南科技大學固體廢物處理與資源化教育部重點實驗室 四川 綿陽 621010)

前言

城市中大面積的地表硬化是城市化的特征之一[1]，不透水鋪裝改變了土壤、植被和滲透層對水的天然循環屬性，加速產生了洪澇災害及城市熱島效應等一系列問題。另外過量的雨水徑流帶來的非點源污染，如果排入水體會引起水體危害[2～3]，如過量的營養成分如N、P元素會使水體發生富營養化，金屬等污染物會危害水中生物，尋找新型雨洪管理方法和理念是解決這些問題的根本途徑。“海綿城市”是通過建設各種生態排水設施，使城市開發建設后的水文特征盡量接近開發建設前，可以有效緩解城市內澇，削減城市徑流污染負荷[4]。透水鋪裝系統屬于“海綿城市”理念下的一種重要的源控制技術。透水鋪裝不僅能夠提高雨水滲透到地下的能力，以此減少地表徑流量；同時下滲的雨水可以還原大地，促進水的天然循環，對局部生態環境效益的改善和城市雨水利用發揮巨大作用。筆者從透水鋪裝系統結構形式對雨水徑流滯蓄機理、主要功能和結構性能影響等角度出發，結合以往國內外研究成果和工程經驗，對鋪裝系統進行深入總結分析，為其進一步研究提供參考。

1 透水鋪裝系統結構形式

1.1 常見路面鋪裝類型

透水鋪裝也稱為滲透鋪裝，其結構是由一系列與外部空氣相連通的多孔形結構組成的骨架，通過合理的鋪裝基層施工加上高強度的透水技術，具有透水性好、強度高、耐久性強等特點，可以在減少雨水徑流的同時滿足道路交通使用。對于不同城市路面的地質條件和對其抗壓能力、透水性能等要求不同。常見路面鋪裝系統透水類型包括不透水型、半透水型和全透水型(如圖1所示)，鋪裝結構的特點(如表1所示)。

圖1 不透水型，半透水型和全透水型鋪裝結構圖Fig.1 Structural diagram of Impervious type,semi-permeable type And full permeable type

從圖1可以看出，不透水型鋪裝通常要求表面不滲水，其表層結構非常密實不存在孔隙；半透水型鋪裝結構整個面層含有孔隙結構允許雨水下滲，但是基層材料孔隙率很小，阻止了雨水進一步下滲；全透水型為從面層到路基都含有大量的孔隙結構，雨水可以完全通過并下滲到路基。

表1 常見路面鋪裝系統區別Tab.1 Differences among common system pavements

從表1可以看出，不同鋪裝類型的性能差異，在進行道路鋪裝時應該綜合考慮，保證透水性和抗壓性都滿足要求。

1.2 透水鋪裝結構類型

目前，海綿城市道路建設鋪裝系統中結構包括透水性混凝土鋪裝、透水性瀝青鋪裝和透水磚鋪裝[5]。

1.2.1 透水混凝土鋪裝

透水性混凝土也稱多孔混凝土，屬于全透水類型，由水泥、特殊添加料、骨料和水經特殊的比例混合而成，具有良好的透水性、蓄水性和通氣性，比其他地面鋪裝材料更優良和生態。其在路面下的結構形式自上到下依次為面層、找平層、基層、底基層、墊層[6]。該鋪裝可將雨水滲透至路基或是周圍的土壤中加以儲存，多數應用于園林綠地、公園和球場等負載較小地方；另外，針對不同區域的降雨水平，可適當增加附屬排水系統，聯通市政管網或蓄水系統。其主要應用于道路、通道、人行道和廣場等道路承載較大的地段。具體透水混凝土鋪裝示意圖如圖2所示。

(a)結構圖 (b)示意圖

圖2透水混凝土鋪裝圖
Fig.2Pervious concrete pavement

表2透水混凝土鋪裝各結構功能

Tab.2The function of every structure of pervious concrete pavement

結構層功 能面層直接承受荷載層, 透水, 主要的凈水層, 抗磨, 抗滑基層主要承受荷載層, 滲水, 儲水, 凈水找平層平托面層、 粘結面層與基層以及保證雨水下滲底基層防止地下水或者深入路基的水因毛細現象上升, 承受荷載, 凈水, 滲水,儲水墊層防止地下水或者深入路基的水因毛細現象上升, 保持結構系統的穩定性

透水混凝土鋪裝結構層及其功能如表2所示。

1.2.2 透水瀝青鋪裝

透水性瀝青鋪裝(如圖3所示)，透水性瀝青屬于半透水類型，其路面結構形式與普通的瀝青路面相同，只在道路表面層采用透水瀝青。該鋪裝需要在底面層兩側增加排水暗溝，以保證滲水通過路面底面層橫向流入兩側的排水暗溝；同時必須在路邊設置集水井，使下滲的雨水通過集水井滲透到路基以下，或者統一儲存于蓄水池以便于綜合利用；而且重點要求地面施工時控制道路的橫向坡度，以保證道路的耐久性和安全性。透水性瀝青鋪裝主要適用于園路、廣場、人行道等[7]。

(a)結構圖 (b)示意圖

圖3透水性瀝青鋪裝圖
Fig.3Porous asphalt pavement

1.2.3 透水磚鋪裝

透水磚鋪裝結構層自上而下為透水磚面層、找平層、基層、墊層，透水能力由磚體本身的滲透性和磚體之間的縫隙兩部分構成。常用透水磚類型按制作工藝可分為水泥混凝土磚、陶瓷磚以及砂基磚。水泥混凝土磚是通過水泥膠結壓制成形；陶瓷磚是通過高溫煅燒成形；砂基磚是以天然硅砂為原料，通過高分子粘接劑在常溫下固結成形[8]。透水磚鋪裝常用于小區人行道、景觀道路、小區廣場等對路面荷載要求較低路段。透水磚在使用過程中，應在滿足道路抗壓強的基礎上，盡量選用透水性能良好的透水磚[9]。圖4為透水磚鋪裝示意圖。

(a)結構圖 (b)示意圖

圖4透水磚鋪裝圖
Fig.4Water Permeable Brick pavement

2 透水鋪裝的功能

2.1 對雨水徑流的控制及滯蓄機理

根據以往資料[10]可知，自然生態系統中80% 的雨水能滲透到地下，20%的雨水以地表徑流流走。然而隨著城市化發展使得硬化地面增大，只有20% 的水能滲透到地下，80% 通過地表徑流流走。硬化路面使得地表徑流量增加，洪峰流量增加，易造成嚴重的城市內澇問題。2016年5月，持續數日的暴雨引起的洪澇災害導致江西省7個市20個縣(市、區)26.9萬人受災，2人因災遇難，直接經濟損失2.9億元[11]。 和傳統的硬化道路相比，透水鋪裝系統可以更有效地減少徑流峰值和延長徑流排放時間，并使蒸發和表面水濺顯著減少。在透水鋪裝系統的實地檢測中，Fassman等[12]發現在延遲徑流上，其平均滯后時間達2.4 h，通過多組降雨實驗測得其平均降低峰值流量83%。渡邊會弘在日本橫濱進行道路透水鋪裝徑流控制研究實驗中發現，透水性道路鋪裝可以削減15%～20%的徑流洪峰流量[13]。綜合國內外大量的研究成果和實踐案例發現，透水鋪裝系統作為生態排水設施，在緩解地表徑流方面具有很大的作用。

2.1.1 雨水下滲機理

透水鋪裝雨水下滲包括兩個過程：吸濕過程和傳遞過程[14]。圖5闡釋了雨水下滲機理，首先為吸濕過程。因為鋪裝系統屬于多孔結構，具有大量的孔隙，降雨落到地面濕潤材料并在固相表面形成薄膜水和吸濕水，同時進入孔隙內形成毛管水；由于材料的毛管勢作用，使得間隙內的少量雨水被吸附從而阻止其下滲。其次為傳遞過程。當持續降落雨水超過了材料的吸附能力后，孔隙中的水會堆積融合形成小水滴，這時雨水會在重力的作用下沿間隙傳遞到下層材料表面，如此作用完成雨水的下滲。

2.1.2 降雨產流模式

透水鋪裝降雨產流包括“蓄滿產流”和“超滲產流”兩種基本模式[15]。當鋪裝材料孔隙較大時，雨水能沿著孔隙源源不斷地下滲到達地基，只有當結構內部孔隙被雨水填充滿，后續的降雨才會形成徑流，此降雨模式為“蓄滿產流”，在這種模式下，地表徑流量和次降雨量的關系與降雨強度無關。而當鋪裝材料的孔隙較小時，受到強降雨后，雨水下滲的速度小于降雨速度時即在雨水未將孔隙完全填充滿就形成了徑流，此模式為“超滲產流”，在該模式下，地表徑流量次降雨量的關系與降雨的強度相關。在目前一般的鋪裝系統中，土基層以上部分孔隙較大，形成“蓄滿產流”，土基層由于受擠壓使得內部結構硬化，孔隙率和孔隙大小都很小，因此在此部分形成“超滲產流”。綜上可得，透水鋪裝地面為垂直型產流模式。其產流模式關系如圖6所示。

圖5 雨水下滲機理Fig.5 Mechanism of rainwater infiltration

圖6 降雨產流模式Fig.6 Model of rainfall runoff

2.2 對雨水徑流污染物的去除

由于透水鋪裝孔隙率較大，使得其對下滲的雨水具有過濾吸附作用。有關實驗表明，透水鋪裝系統對COD，TN，TSS，N和P都具有一定的去除能力[16]。除此之外，Kellems等[17]通過對鋪裝材料分析發現，使用有機過濾介質是一種有效的替代化學處理雨水污染物的方式，過濾通過特定的吸附劑有機介質可以去除95%溶解的銅和鋅，因此可以降解大部分的金屬污染物。但是并不是所有的混合摻料鋪裝都能捕獲溶解的重金屬，滲透路面必須要有一個合適的填縫，否則金屬會穿過它并可能進入地下水資源，引起水源污染。

2.3 對城市氣溫的調節

隨著城市化進程的推進，城市中大量密集建筑物涌現，綠色植被削減以及地表的硬化等問題使得城市具有高吸熱量和低容熱量的特點。太陽輻射使地表溫度迅速升高并向大氣中輻射熱量，造成城市溫度異常，諸如“城市熱島效應”等問題。透水鋪裝“支撐體”由于具有大孔隙率和蓄水能力，可以將一部分太陽輻射熱吸收，同時系統內部水分以蒸發形式進入大氣，起到調節氣溫的作用。

2.4 吸聲降噪

有研究表明：透水鋪裝具有顯著的吸聲降噪作用。Bhutta，K Tsuruta等在對于透水鋪裝性能評價時提到，聲能通過透水混凝土多孔結構時，由于摩擦和粘滯阻力會使一部分聲能轉化為熱能，因此削弱了聲波能量[18]。透水再生混凝土孔隙率與吸聲特性存在聯系，經過測量多組不同孔隙率鋪裝結構吸聲量實驗發現，鋪裝孔隙率為25%時，吸聲效果較好[19～20]。

3 透水鋪裝性能的影響因素

3.1 骨料級配

級配，是將粗細不同的粒徑按照一定的比例組合搭配在一起，以達到較高的密實程度，砂顆粒級配反映空隙率大小。根據搭配的不同，可以將砂顆粒碎石材料分為骨架空隙結構、骨架密實結構和懸浮密實結構[21]。

圖7 碎石材料三種級配結構Fig.7 The internal pore structure of support system

如圖7所示，骨架孔隙結構主要由粗集料相互接觸，嵌入形成骨架，含有很少的細集料，其孔隙率大，透水性能好，但是由于缺乏細集料的潤滑粘結作用，在施工過程中難以被壓實；骨架密實結構有粗細集料混合接觸鑲嵌形成骨架，其孔隙率一般，透水性較好，施工中也易被壓實；懸浮密實結構含有大量細集料和少許粗集料，大部分細集料相互接觸使得其密實程度很高，導致孔隙率低，透水性較差，但施工中最易被壓實。碎石材料有效孔隙率和抗壓強度是一對對立性能，因而懸浮密實結構抗壓性能很好；其次為骨架密實結構；最后為骨架空隙結構。在實際鋪裝中，應該綜合考慮透水性和抗壓性以及施工的難易程度等因素，選擇合理的骨料級配方式。

3.2 梯度性能

梯度性能指功能梯度材料的化學構成、微觀結構和原子排列由一側向另一側呈連續梯度變化，使材料力學特性向某一方向呈梯度變化。一般的透水鋪裝路面經過長時間的雨水沖刷，其攜帶的砂石、灰塵等細小異物會堆積并堵塞空隙，使透水鋪裝系統失去了透水能力。因此可以結合梯度性能理論對透水鋪裝系統進行設計，使其具有外部堅韌，內部疏松多孔特點，這樣可以使透水鋪裝系統保持良好的透水性能。

3.3 土基結構

整個透水鋪裝“支撐體”系統底部的土基，在常年累月擠壓作用下，其密度越來越大，透水性能隨之降低。若鋪裝材料底部無雨水收集設施(穿孔管)，土基的滲水能力將直接決定整個系統的透水能力，因此在鋪裝施工前，應根據不同地理位置對道路抗壓性能、透水性能的需求采取相應的鋪裝材料，如可以在土基中增加含沙量等孔隙多且不易受壓力影響的穩定性材料。

4 總結與展望

透水鋪裝系統是一套對城市雨洪調控的重要技術，在城市強降雨情況下可起到吸收、過濾、儲存作用，不僅可以通過緩慢滲透作用將雨水滲透到地底層，大大解決了因道路硬化而出現的無法下滲導致大流量地表徑流等問題，而且對城市非點源污染起到很好控制作用。