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 土木工程與測繪學院，四川 成都 610500)

0 前 言

隨著城鎮化的迅猛推進，城市內澇防治成為了防災減災的重要課題，以成都為例，2020年以來受強降雨的影響，金堂縣等15個區(市、縣)不同程度受災，以城鎮內澇、城市積水等災害為主全市直接經濟損失達37億元。停車場作為城市地表的一部分，是現代社會城市中缺一不可的交通設施之一，然而傳統的停車場透水能力較差，因此，對透水停車場的研究迫在眉睫，本項目主要針對此問題展開研究，對原有普通透水停車場進行改進。

雖然現在國內外對透水鋪裝的研究很多，比如美國北卡羅萊納州立大學研究發現透水鋪裝的水紋特征受多方面因素影響；科羅拉多大學研究發現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影響其效果；等等。但仍存在很多問題，現有研究表明當前對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，且透水停車場隨著城市的發展，對城市發展至關重要，在排水路面的研究基礎上進行透水停車場的研究將獲得更大的更遠的應用。

“透水停車場”實驗項目在大量的理論分析和實驗基礎上，實驗選出在不同的降雨強度、降雨時間、降雨方式下，通過不同的透水結構、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構，為實際修建停車場提供重要的理論依據，在理論創新方面，本實驗考慮了降雨時長以及降雨強度對降雨實驗的影響，在技術創新方面，相較于普通停車場，本實驗在面層增加植草空腔，在美化環境的同時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水能力，在安裝方面，也選擇了新的導排管安裝方式，以達到更好的效果。本實驗不僅考慮了透水性能的相關功能，也在最大程度上提高了雨水的利用率，降低了城市開發建設對生態環境的影響，在減少不透水地表面積的同時提高城市綠化面積，平衡城市建筑用地和綠化之間的矛盾。

1 實驗設計理論

1.1 透水混凝土設計原理

透水混凝土相較之于普通混凝土的最大區別便為其孔隙率，多孔且空穴均勻分布則是其關鍵，然而過度的孔隙率便會對混凝土本身結構強度造成影響和約束，把握好適當充分的孔隙率才能平衡好透水性能和透水混凝土自身強度的關系。一般而言，透水混凝土的連續孔隙率為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,一般不含或少量細骨料。

透水混凝土經過配合比方案的設計，采用以孔隙率為關鍵的體積法，透水混凝土的骨架為其內部孔隙，其強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

對于透水停車場的透水性能可用徑流總值削弱率來進行量化，從而進一步更加具體地來判別一個透水停車場的更加貼近實際運用價值如何。

徑流總值削弱率用下述公式計算：

(1)

式中，μ為徑流總值削弱率，%；Vt為透水停車場結構產生的徑流總量，mL；Vp為普通停車場結構產生的徑流總量，mL。

1.3 產流延遲效果分析

停車場路面產生對日常生活有影響的積水即產生徑流，停車場結構路面未產生徑流總時長與降雨總時長的之比即為產流延遲，產流延遲對停車場的實際應用有著重要影響。

產流延遲率用下述公式計算：

(2)

式中，γ為產流延遲率，%；Tc為產流時間，min；T為降雨總時長，min。

1.4 下滲與降雨強度的關系分析

在實際降雨情況下很難保證雨水按照某一強度均勻降雨，其強度變化難以預測。降雨和下滲能力的關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，當降雨強度小于下滲能力，雨水進入透水鋪裝后可以完全下滲，此時下滲過程受降雨強度變化的影響，當降雨強度大于下滲能力時部分雨水下滲、部分雨水溢流下滲過程受下滲能力變化影響。

2 實驗過程

2.1 人工降雨實驗裝置

人工降雨實驗裝置，裝置長630 mm、寬630 mm、高600 mm，整體為鋼化玻璃，底部打孔12個直徑2 cm，側面開孔3個20 mm孔，上部布置5個流量在3.5 L/min的噴頭，模擬不同的降雨強度的降雨，側面通過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

本實驗分別制作C25型普通混凝土磚與透水混凝土磚，從而進行對比。

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。在實驗制作過程中，先將水泥均勻鋪開，將砂子倒入混凝土攪拌機中進行攪拌，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護箱中進行養護10 d。

透水混凝土采用與普通混凝土相同的水泥與碎石，在此基礎上增加了新型透水混凝土增強劑專用SR型，配合比為1∶ 5.5∶ 0.05∶ 0.43。水泥量為5%攪拌時先投入水泥、碎石與50%的水攪拌30 s，然后投入增強劑攪拌60 s，再加入剩余的水攪拌120 s。出料后將其填入模具中并輕微振平，避免影響其孔隙率。最后放入養護箱中進行養護。其中透水混凝土拆模時間要短于普通混凝土，為避免水分大量蒸發，因此在拆模后還要對其進行灑水養護，實驗中用壓力較小的噴頭對其灑水養護7 d。

2.3 普通停車場和透水停車場的結構設計

停車場模擬結構裝置各結構層按照實際容器結構大小，按規范要求鋪設，混凝土面層側面設有1個直徑為15 mm均勻出水口，鋼模底部有9個直徑為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基層材料從孔中掉落。

停車場底層為還原現實情況中底層土壤情況，最底層為100 mm厚度的實土基層、其上為300 mm級配碎石底基層，級配碎石中均勻插入9根長為300 mm、直徑為15 mm的PC塑料管，再上一層為30 mm粗砂找平層，各層之間設有透水土工布。包括實土基層、級配碎石基層，透水停車場透水面層由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%。普通停車場路面改由普通混凝土塊緊挨均勻鋪設組成，其余結構一致。透水停車場底層縱向剖面見圖1。

圖1 透水停車場底層縱向剖面示意圖

2.4 試驗方法

通過自行設計的人工模擬降雨裝置，控制降雨強度為小雨(1.85 L/min)、中雨(2.2 L/min)、大雨(3.3/min)，模擬降雨時長分別為30、45、60 min時的透水停車場和普通停車場的工作情況。

調試好模擬降雨器后，首先測定人工降雨裝置的噴淋雨量是否為設計雨強，其后啟動模擬降雨器。

記錄如下數據：①記錄透水鋪裝開始產生路面徑流的時間，即產流時間；②收集整個降雨過程中由裝置上方出水口出流的水，并測量該部分水的總體積，即徑流總量；③分別計算出透水停車場和普通停車場的滲透率，實驗思路如圖2所示。

圖2 實驗方案設計思路圖

2.5 實驗結果及分析(見表1)

表1 實驗數據

通過表1可以發現，在相同的降雨時間下，透水停車場的產流時間遠大于普通停車場，并且在大雨情況下尤為顯著。這一結論可以延長人們應對突發暴雨所采取措施的時間，從而減少此類自然災害所造成的損失。

從總體分析兩種面層在不同降雨時間下的徑流總量,可以得到透水面層在各個降雨情況下大大減少了停車場的徑流總量。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利用，從而達到更環保的效果。

對比兩種面層材料的滲透率可知，透水面層的滲透率遠大于普通面層,并且這類透水材料在制作工藝上相對簡單，成本較其他新型材料低，這對于城市停車場建設提供了一個新的方向：可以考慮利用該面層的材料來增加其防災能力。

3 實驗優化

在設計實驗結構中沒有測試土壤的承重性，應加入鋼筋等材料提高結構的承重能力，或可以將放入面層下的鋼筋替換為環保型材料鋼纖維作為優化，同時，在可承載的情況下可以改變PC管的數量以及直徑繼續實驗，從而進一步完善實驗結論。

在進行對比實驗時本應通過控制變量法進行，但由于實驗結構復雜，在時間有限的情況下只對比了最普通的結構設計。對實驗進行優化時，可以從面層材料和管道鋪設等方面繼續實驗，在材料方面可以調查目前地面停車場的面層材料，從而增加對照實驗，尋找更好的透水材料。

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