不同類型透水鋪裝基層結構對雨水徑流量控制效果研究

胡云進，應 鵬，郜會彩

（1.紹興文理學院土木工程學院，浙江紹興312000；2.浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室，浙江紹興312000；3.浙江省山體地質災害防治協同創新中心，浙江紹興312000）

伴隨季風氣候影響，我國夏季多發暴雨，洪澇災害異常嚴峻［1，2］；隨著城市化進程的推進，不透水地面不斷增加，給城市水環境帶來許多不利影響，如雨水不能快速下滲導致城市地下水位下降，不透水地面不易排水增加了市政管網排水壓力。為了應對這一系列水環境問題，透水鋪裝作為一種經典的低影響開發措施被廣泛應用［3］，它既能有效削減地表徑流、增加雨水入滲速率，又能調節城市與自然水環境之間的平衡［4］。Bean 等［5］對北卡羅來納州四種不同類型的透水鋪裝進行了徑流控制研究，發現滲透性路面可有效削減地表徑流。Fassman 等［6］對滲透性路面和不透水路面進行了降雨監測，結果表明透水性路面地表徑流開始時間平均滯后2.4 h，地表峰值流量平均降低83%，高強度降雨時地表峰值流量也能降低70%。我國對透水鋪裝的研究雖遲于國外，但也有一些研究成果。龔應安等［7］的研究表明，采用透水鋪裝能有效地增加下滲雨水量。王丹綺等［8］的研究表明，當降雨量小于35 mm 時，透水鋪裝可削減80%以上的雨水。張佳煒等［9］的研究表明，基層采用水泥穩定碎石結構對年徑流總量控制率可達37.8%，且在地表徑流削減和峰現延遲方面的效果略優于普通碎石結構基層。透水鋪裝結構的滲透性遠大于硬化地面，因此能及時快速地處理雨水，保護水資源［10，11］。

目前我國正在推行“無廢城市”建設，從源頭削減固體廢物和實現資源的二次利用，最大程度減少填埋量，降低固體廢物對環境的負面影響［12］。Ossa 等［13］的試驗研究表明，在道路基層和次基層中使用建筑拆除再生材料是天然骨料的絕佳替代品，并且不會顯著降低透水鋪裝的力學性能。薛冬杰等［14］的研究表明，摻入硅粉的水泥漿體改性粗骨料制備再生透水混凝土的透水系數在10 mm/s 左右，可以滿足工程需要。李秋實等［15］的研究表明，再生骨料透水混凝土的總孔隙率比天然骨料透水混凝土高。薛如政等［16］和徐亦東等［17］的研究表明，再生骨料滲透性與吸水性方面均優于天然骨料。

綜上所述，目前對采用普通碎石結構和水泥穩定碎石結構作為基層的透水鋪裝地表徑流削減效果已有較多研究，對再生骨料制成的透水混凝土和透水磚的強度、滲透性能等也有較多研究［18］，但將再生骨料直接應用于透水鋪裝基層結構對提高雨水入滲速率和削減地表徑流量的效果方面的研究未見報道。為研究再生骨料作為透水鋪裝基層對提高雨水入滲速率和削減地表徑流量的效果，本文擬構造兩種基層結構不同的透水鋪裝物理模型，通過降雨入滲模型試驗，研究這兩種不同類型基層結構的透水鋪裝在不同降雨強度下的雨水入滲效果。研究結果對實現雨水資源化利用、建筑拆除材料循環利用等具有重要的參考意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置主要包括降雨槽、試驗槽、鋼支座、給水管、量筒等。降雨槽和試驗槽均由五面透明有機玻璃板圍合而成。降雨槽長100 cm、寬100 cm、高20 cm，槽底對稱地開有25 個（5×5）針孔（針孔內徑0.1 cm）。槽一側開一個溢流口，高5 cm、寬20 cm，目的是保持降雨槽內水位恒定，形成恒定均勻降雨。溢流口處做兩個插拔，一個高3 cm、一個高6 cm，用來控制不同的水位，形成不同強度的降雨。試驗槽長100 cm、寬100 cm、高100 cm，槽底開5個直徑為1 cm的圓孔，用來收集滲出水量。在箱體四面設直徑0.6 cm 的溢流口，用于收集地表徑流，溢流口位置與透水磚面層齊平。鋼支座用于支撐試驗槽與降雨槽。透水鋪裝降雨流程圖見圖1。

圖1 透水鋪裝降雨流程圖Fig.1 Rainfall flow chart for permeable pavement

1.2 試驗材料

（1）土基層：土基層的滲透能力遠小于基層與面層，因此土基層的滲透性能是影響透水鋪裝整體透水速率的主要因素，本試驗土基層材料選用滲透性較好的砂壤土。

（2）基層：采用兩種不同材料，普通級配碎石和再生骨料；普通級配碎石基層、再生骨料基層均按相對密度0.7 進行攤鋪。基層上部的找平層采用透水性較好的中砂，與面層緊貼。透水鋪裝的基層除了具備需要的承載能力和強度外，還需具備良好的排水能力。試驗所用的兩種基層材料為普通級配碎石和再生骨料。再生骨料采用機械破碎法，即使用機械力碾壓破碎建筑拆除材料，去除砂漿獲得再生骨料。再生骨料表面附著一部分水泥砂漿且在破碎過程中內部產生較多裂紋，因此再生骨料的孔隙率較大、吸水性較強、堆積密度與表觀密度較低。兩種透水鋪裝結構模型的基層均分為兩層，厚度統一設為15 cm（下層）和10 cm（上層）；一方面利于積存，排出經面層入滲到基層的雨水，另一方面便于比較不同材料的基層結構對雨水處理的效果。

（3）面層：采用透水磚。透水磚面層除了具有一定承載能力，還需具有一定的滲透性和保水能力，透水磚規格為20 cm×10 cm×5 cm，滲透系數為0.86 mm/s。

（4）透水鋪裝各層組成及材料配置見表1。

表1 透水鋪裝各層組成及材料配置Tab.1 Composition and material configuration of each layer of permeable pavement

1.3 試驗方法

試驗采用人工模擬降雨，選擇芝加哥雨型、降雨歷時1 h，紹興市暴雨強度如公式（1）所示。計算不同降雨強度下的透水鋪裝徑流削減量及雨水入滲量。不同類型透水鋪裝結構的降雨入滲試驗結果見表2。

式中：i為設計降雨強度，mm/min；P為設計降雨重現期，a；t為降雨歷時，min。

2 試驗結果及分析

2.1 不同透水鋪裝結構對地表徑流的影響

110 mm/h 的高強度降雨下，模型一和模型二的5 min 地表徑流量如圖2所示。3 種不同降雨強度下，模型一的5 min 地表徑流量如圖3所示。

圖2 110 mm/h降雨下不同透水鋪裝結構模型5 min地表徑流量Fig.2 Surface runoff every 5 minutes of different permeable pavement structure models under rainfall intensity 110 mm/h

圖3 模型一不同降雨強度下5 min地表徑流量Fig.3 Surface runoff every 5 minutes under different rainfall intensities for model 1

由表2可看出，模型一和模型二這兩種透水鋪裝的總體滲透性良好。80 mm/h 的中強度降雨下，模型一才出現地表徑流；110 mm/h 的高強度降雨下，模型二才出現地表徑流。這是由于本文透水鋪裝的基層材料采用普通級配碎石和再生骨料，透水鋪裝基層孔隙連通性較好，雨水能夠快速入滲，因此能有效控制地表徑流的發生。

表2 不同類型透水鋪裝結構降雨入滲試驗結果Tab.2 Rainfall infiltration test results of different types of permeable pavement structures

從圖2可看出，基層結構的差異對地表徑流有顯著影響。在110 mm/h 的高強度降雨下，模型二的地表徑流量小于模型一，徑流系數減少40.7%；模型二峰現時刻比模型一延遲12 min，5 min 峰值徑流量削減33.3%。可見模型二的再生骨料基層結構比模型一的普通級配碎石基層結構能夠更好的下滲雨水。透水鋪裝控制雨水徑流量的主要途徑為：透水鋪裝各層材料對雨水的吸附；基層結構對雨水的蓄滯；通過土基層排出的雨水。模型一與模型二的基層厚度相同，材料粒徑尺寸也相同，但模型二基層結構材料采用的再生骨料，因其內部含有較多的微細孔及微裂縫，致使基層結構的連通孔隙率增加，而連通孔隙率與滲透系數呈正比例關系；此外基層結構連通孔隙率與有效儲水層厚度的關系如式（2）和（3）所示［19］，可見再生骨料基層結構的連通孔隙率大，可以儲存更多的雨水；所以再生骨料基層結構一方面增加了雨水滲透量，另一方面蓄積更多雨水于其孔隙中，加之再生骨料本身吸水性強，導致模型二的峰現時刻滯后于模型一，且峰值徑流量小于模型一。以上對比表明采用再生骨料基層透水鋪裝對提高雨水入滲速率、削減地表徑流的效果更為顯著。

式中：h為基層實際厚度；h′為基層有效厚度；va′為基層連通孔隙率；h′total為基層有效儲水層總厚度。

2.2 降雨強度對透水鋪裝結構地表徑流的影響

由圖3和表2可看出，當降雨歷時較短時，降雨強度的大小是影響地表徑流量的主要因素。模型一80 mm/h降雨下的徑流系數為1.38%，110 mm/h 降雨下的徑流系數為2.43%，徑流系數增大76.1%，且峰現時間提前9 min，5 min 峰值徑流量增加37.8%。這是由于土基層的滲透能力比上層結構弱，隨著降雨強度的增大，滲入透水鋪裝內的雨水量持續增加，雨水不能及時下滲，致使基層蓄水深度不斷提高，當超過基層最大蓄容量時，雨水上升到面層并漫出面層表面形成地表徑流，導致地表徑流時刻提前、地表徑流量增加。但在降雨強度較小時，模型一、二的整體雨水滲透速率大于降雨速率，因此能充分下滲雨水，所以50 mm/h的降雨下，模型一、二均未出現地表徑流。

以上結果表明隨著降雨強度的增大地表徑流的峰現時間提前、峰值徑流量隨之增加。但模型二的再生骨料基層結構的導水率與雨水蓄滯能力均較強，因此在高強度降雨下也能有效削減峰值徑流量，延遲地表徑流峰現時間。雖然模型一的普通級配碎石基層透水鋪裝滲透性低于模型二，但在降雨強度一定時，模型一的雨水消納能力也能有效削減地表徑流。

2.3 不同透水鋪裝結構對箱底排水狀況的影響

3 種不同降雨強度下，降雨開始后不同透水鋪裝結構模型箱底排水狀況分別如圖4～圖6所示。

圖4 50 mm/h降雨開始后不同透水鋪裝結構模型箱底排水狀況Fig.4 Drainage conditions of box bottoms of different permeable pavement structure models after the start of 50 mm/h rainfall

圖5 80 mm/h降雨開始后不同透水鋪裝結構模型箱底排水狀況Fig.5 Drainage conditions of box bottoms of different permeable pavement structure models after the start of 80 mm/h rainfall

圖6 110 mm/h降雨開始后不同透水鋪裝結構模型箱底排水狀況Fig.6 Drainage conditions of box bottoms of different permeable pavement structure models after the start of 110 mm/h rainfall

由表2和圖4～6 可看出，在50、80、110 mm/h 3 種降雨強度下，降雨結束后5 h 內，模型二的箱底排水時刻早于模型一，且峰值排水量大于模型一，這主要是由于模型二基層結構材料采用的再生骨料，與普通級配碎石相比，由于生產過程中損傷累積，再生骨料內部出現大量的裂紋，本身內部孔隙率增加，因此模型二的再生骨料基層結構整體有效孔隙率增大、滲透流速加快、吸附能力加強，雨水能夠較為快速、集中的下滲至土基中，因此峰值排水量增大，排水時間提前，分別提前了30、19、9 min；基層的有效孔隙率越大，其下滲速度越快。由此可見，水分下滲的速率與基層結構材料有很大的關聯性。

從表2和圖4～6 還可看出，降雨結束后5 h 后，模型二的排水量小于模型一，且模型二的箱底排水總量平均減少13.03%。這是由于再生骨料表面附著舊水泥砂漿且疏松多孔，使其孔隙率增加、吸水性加強，因此在雨水入滲的過程中，模型二的再生骨料基層結構相對于模型一的普通級配碎石基層結構吸收更多水分，相當于提高了基層結構的蓄水容量，致使入滲到土基中的水分相對減少。

綜上所述，采用再生骨料作為基層的透水鋪裝的導水率和吸水性均優于普通級配碎石作為基層的透水鋪裝，因此其雨水入滲效果更好，對提高雨水入滲速率、削減地表徑流的效果更為顯著。

3 結 論

（1）基層材料的不同對雨水入滲效果有著明顯的影響，80 mm/h 的中強度降雨下，模型一產生地表徑流，而模型二無地表徑流；110 mm/h 的高強度降雨下，模型二的徑流系數比模型一減少40.7%，峰現時間延遲12 min，且5 min 峰值徑流量削減33.3%。對比兩種模型的雨水入滲試驗結果，采用再生骨料作為基層的透水鋪裝（模型二）對提高雨水下滲速率和削減地表徑流量效果更好。

（2）在3種不同降雨強度下，再生骨料基層透水鋪裝相較于普通級配碎石基層透水鋪裝排水時間提前、峰值排水量增加，因此在雨水削減效果方面更適用于實際應用。

（3）兩種透水鋪裝均能夠有效地削減地表徑流，提高雨水入滲速率，補充地下水，實現水資源的二次利用。但再生骨料的滲透性與蓄水量相對較大，能快速地消納雨水，有較好的雨水徑流控制效果，因此再生骨料在透水鋪裝中具有較好的應用前景。