模擬降雨條件下透水磚鋪裝道路雨水入滲試驗(yàn)研究

模擬降雨條件下透水磚鋪裝道路雨水入滲試驗(yàn)研究

花園負(fù)責(zé)改善生態(tài)環(huán)境，其環(huán)境的優(yōu)缺點(diǎn)影響著人們的舒適度。但園林中硬質(zhì)鋪裝的建設(shè)，尤其是大面積廣場的建設(shè)，使不透水地面面積增加，徑流系數(shù)增大，導(dǎo)致洪峰增高和峰現(xiàn)時(shí)間提前，造成水資源的無效流失。因此，在園林建設(shè)中將道路鋪裝的生態(tài)性設(shè)計(jì)作為園林綠地綜合節(jié)水模式進(jìn)行開發(fā)利用應(yīng)引起我們足夠的重視。20世紀(jì)80年代以來，國際上就開始流行透水性路面的建設(shè)，諸如透水性地磚、卵石鋪地、嵌草鋪裝等，其透水透氣性增加，使雨水及時(shí)滲入地下，減少地表徑流。透水性鋪裝是提高水資源利用率的有效途徑，該鋪裝系統(tǒng)具有較大的孔隙通透性，使得雨水能夠及時(shí)滲入地下，對減少地表徑流，建設(shè)節(jié)水型園林具有重大意義。渡邊惠弘(WatanabeS.)在日本橫濱一區(qū)域布設(shè)了透水性鋪裝，并進(jìn)行徑流控制研究，結(jié)果表明該設(shè)施削減了15%～20%的徑流洪峰。沃爾夫拉姆·施呂特(WolframSchluter)和克里斯·杰弗里斯(ChrisJefferies)對一大型停車場（0.6hm2）的透水性鋪裝系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明多孔性的填充材料對于滲入地下收集的雨水量影響不大，但是對地表徑流的洪峰削減有重要的影響。拜內(nèi)戴拖(Benedetto)采用透水性鋪裝解決了飛機(jī)場積水問題。C.T.安德森(C.T.Andersen)等對城市透水性道路鋪裝的排水與蒸發(fā)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，為實(shí)驗(yàn)室模擬降雨提供一套高度敏感的資料收集系統(tǒng)，能對排水和水平衡的反應(yīng)進(jìn)行評價(jià)。B.K.弗格森（B.K.Ferguson)等在《透水鋪裝》(PorousPavement)中闡述了透水性鋪裝在園林設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對為什么要用透水性鋪裝、鋪裝尺寸、鋪裝結(jié)構(gòu)、水文學(xué)等進(jìn)行了闡釋。還有許多國外學(xué)者對透水鋪裝進(jìn)行了調(diào)查研究。國內(nèi)學(xué)者對透水性鋪裝的材料、強(qiáng)度等也進(jìn)行了不少研究[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]，但對鋪裝的結(jié)構(gòu)缺乏深入研究，雖然采用了透水磚鋪裝，但仍未達(dá)到理想效果。本試驗(yàn)根據(jù)園林道路鋪裝結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)了4種具有可實(shí)施性的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并分析其對削減地表洪峰徑流、增大地基土壤水分入滲的效果，旨在探討一套合理的透水磚鋪裝結(jié)構(gòu)，對當(dāng)今的園林道路鋪裝提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。1試驗(yàn)材料和方法1.1滲流雨水的施工試驗(yàn)地點(diǎn)在北京市園林科學(xué)研究所，降雨方式采用人工降雨。試驗(yàn)箱體的材料為有機(jī)玻璃，長1m，寬1m，高0.8m；箱體內(nèi)鋪設(shè)材料時(shí)按照道路鋪裝的標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行；箱底設(shè)9個(gè)排水孔，直徑0.4cm，收集滲流雨水；在箱體四周設(shè)排水孔，收集地表徑流的雨水，位置與透水磚面層相平，直徑0.6cm，試驗(yàn)裝置見(圖1)。人工降雨器采用國產(chǎn)人工降雨模擬器（標(biāo)準(zhǔn)型），降雨面積1m×1m,3個(gè)側(cè)噴式噴頭組合，控制強(qiáng)度20～200mm/h，均勻度在0.92以上。面層鋪設(shè)為雙面坡，坡度為1.5%。1.2試驗(yàn)載體的確定地基土壤取自北京市園林科學(xué)研究所，基本參數(shù)見(表1)。按照地基土壤最優(yōu)體積含水率14.7%、壓實(shí)度0.92[《建筑地面工程方案施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50209-95)（以下簡稱《規(guī)范》）中要求在0.90以上]分層夯實(shí)壓平，裝入試驗(yàn)箱體。并采用環(huán)刀法檢測土壤干密度,達(dá)到道路結(jié)構(gòu)要求。1.2.2水泥砂找平層設(shè)計(jì)中砂、級配碎石參數(shù)見(表2、3)；級配碎石基層鋪設(shè)時(shí)按相對密度0.7控制，并采用灌沙法檢測鋪設(shè)相對密度。無砂混凝土與素混凝土強(qiáng)度均為C15(表4)。其中中砂起找平作用，與面層形成緊密嵌鎖，《規(guī)范》中要求水泥砂漿找平層體積配比不小于1:3，厚度要求1.5cm以上。本試驗(yàn)中模型一采用干硬性水泥砂漿作為找平層，改變傳統(tǒng)鋪裝中常用的中砂找平層，以防止碎石基層孔隙大而造成中砂下漏，道路破壞；其他3種模型不會出現(xiàn)下漏現(xiàn)象，采用透水性好的中砂找平。方案設(shè)計(jì)水泥砂漿質(zhì)量配比為1:4（體積比大于1:3），厚度設(shè)為2cm。透水鋪裝中基層在要求有一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，還要求具有一定的排水能力，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)材料為碎石和無砂混凝土，其透水性較強(qiáng)，《規(guī)范》中要求厚度大于6cm，本試驗(yàn)中作為透水需要，將3個(gè)透水模型基層厚度統(tǒng)一設(shè)為23cm，一方面便于蓄排經(jīng)面層下滲的雨水，另一方面便于透水模型不同基層處理之間的對比。1.2.3材料膠結(jié)料和不透水磚的規(guī)格面層分為透水磚和不透水磚。透水磚除了起到承重作用外，其最大特點(diǎn)是具有透水和保水性能，其材料膠結(jié)料為水泥，規(guī)格為20cm×10cm×6cm，抗壓強(qiáng)度30MPa，抗折強(qiáng)度3.5MPa，空隙率20%，透水系數(shù)1.0mm/s。不透水磚材料為普通水泥磚，規(guī)格為20cm×10cm×6cm?？箟簭?qiáng)度35MPa，抗折強(qiáng)度4.0MPa。面層鋪設(shè)坡度為1.5%。1.2.4土壤水分測定模型1)模型一：自下而上為素土層、級配碎石23cm、1:4（為質(zhì)量配比，體積配比大于1:3）干硬性水泥砂漿2cm、面層6cm;2)模型二：自下而上為素土層、級配碎石13cm、無砂混凝土10cm、中砂2cm、面層6cm;3)模型三：自下而上為素土層、級配碎石18cm、無砂混凝土5cm、中砂2cm、面層6cm;4)對比—模型四:自下而上為素土層、素混凝土15cm、中砂2cm、面層6cm。在每個(gè)箱體的地基土壤中布設(shè)4層土壤水分測定儀器,每層1個(gè)。土壤水分測定儀器為ECH2OProbes和ECH2OCheck,最上一層的儀器距基層底部10cm,以下各層間距均為10cm,用來測量降雨后不同深度的土壤水分變化狀況。記錄不同基層處理的地表徑流量、徑流開始時(shí)刻、徑流結(jié)束時(shí)刻及箱底排水量、排水開始時(shí)刻、排水結(jié)束時(shí)刻。在試驗(yàn)期間進(jìn)行3場不同強(qiáng)度的降雨(表5)。2結(jié)果與分析2.1不同的涂層結(jié)構(gòu)對表面徑流的影響2.1.1無砂混凝土透水磚鋪裝地表徑流隨時(shí)間的變化特征從(表5)可以看出，在降雨強(qiáng)度41.54mm/h、降雨時(shí)間為1h和2h的2次降雨中，透水性結(jié)構(gòu)模型一、二、三的地表徑流量為零，而不透水性結(jié)構(gòu)模型四在降雨一段時(shí)間后會開始徑流；在降雨強(qiáng)度107.17mm/h的較大強(qiáng)度降雨中，模型一、二、三的地表徑流開始時(shí)刻遲于模型四，徑流系數(shù)也遠(yuǎn)小于模型四。對于降雨強(qiáng)度107.17mm/h的第三次降雨，從(圖3)中可以看出，透水磚鋪裝地表徑流開始時(shí)刻比不透水磚鋪裝滯后5～58min，其中模型一地表徑流開始時(shí)刻比模型四滯后58min，模型一的徑流系數(shù)比模型四減少82.29%。可見透水磚鋪裝路面的面層和基層的孔隙率較大，孔隙通透性強(qiáng)，而不透水磚鋪裝的不透水面層和不透水基層處理造成較小的孔隙率，所以地表徑流開始時(shí)刻提前，洪峰較大，不能滿足地表雨水較快地滲入地下。不同基層處理對地表徑流影響有所不同，從(圖7)可以看出，模型一地表徑流量最少，徑流開始時(shí)刻最晚，徑流系數(shù)比模型二減少34.08%，比模型三減少1.91%，可見模型一的碎石基層孔隙率大于模型二、三無砂混凝土的孔隙率，模型二與模型三的基層材料相同，但模型二無砂混凝土基層的厚度大于模型三，碎石基層的厚度小于模型三，造成模型一的地表徑流開始時(shí)刻滯后于模型二、三，模型三的徑流開始時(shí)刻滯后于模型二，且徑流系數(shù)模型四>模型二>模型三>模型一。從而得出4種園林道路鋪裝結(jié)構(gòu)中模型一處理效果最好，其增滲減流效果更為明顯。2.1.2地表徑流特征在3次降雨過程中，由于降雨強(qiáng)度不同，地表徑流的結(jié)果也不相同。當(dāng)降雨量超過土壤水分的入滲強(qiáng)度時(shí)，地表開始積水，形成徑流。峰高、峰形尖瘦（近似對稱）、歷時(shí)短的降雨，徑流量主要受降雨強(qiáng)度的影響，而初始含水率的大小則多數(shù)情況下影響不大。降雨強(qiáng)度增大，地表徑流量隨之增大，從(圖8)可以看出，在模型四中，對于降雨強(qiáng)度107.17mm/h的降雨中，由于強(qiáng)度較大，雨水不能及時(shí)下滲，所以徑流開始時(shí)刻較早，徑流量最大，洪峰最高，徑流系數(shù)比較第三次降雨(107.17mm/h×1h)>第二次降雨(41.54mm/h×2h)>第一次降雨(41.54mm/h×1h)。相對于41.54mm/h×1h的第一次降雨，41.54mm/h×2h的第二次降雨地表徑流量稍高一些，主要原因是在41.54mm/h×2h的降雨前14天有一場41.54mm/h×1h的降雨，土壤中的初始含水率高于41.54mm/h×1h降雨的初始含水率，造成徑流開始時(shí)刻提前，洪峰較大。在41.54mm/h×1h和41.54mm/h×2h的2次降雨過程中，模型一、二、三的地表徑流量均為零，一方面由于3個(gè)基層處理皆為透水結(jié)構(gòu)，面層的透水性也較強(qiáng)，另一方面由于降雨強(qiáng)度較小時(shí)，雨水能夠及時(shí)下滲，再加上透水磚鋪裝表面較粗糙，減小徑流速度，使得雨水迅速滲入鋪裝的透水結(jié)構(gòu)中。隨著降雨量的增大，基層結(jié)構(gòu)容水量有限，土壤的水分入滲率較低，使得107.17mm/h×1h的第3次降雨中模型一、二、三均發(fā)生地表徑流。因此，透水磚鋪裝比不透水磚鋪裝的地表徑流量明顯減小，徑流系數(shù)明顯降低，其主要與面層、基層結(jié)構(gòu)有關(guān)，比較4種模型的處理，徑流系數(shù)模型四>模型二>模型三>模型一，模型一的增滲減流效果最好，在3次降雨中，其徑流系數(shù)比不透水磚鋪裝模型四減小50%～83%，模型二、三的處理在降雨強(qiáng)度一定時(shí)也無地面徑流，不會產(chǎn)生積水。2.2土壤含水量的變化2.2.1土壤水分變化影響從(圖9、10)可以看出，在3次降雨過程中，4種不同模型10cm深度土壤含水率變化顯著不同，模型一的土壤含水率上升較快，其基層結(jié)構(gòu)為孔隙率較高的碎石基層，雨水下滲較快。從(圖9)可以看出，在降雨開始后一段時(shí)間內(nèi)，大約前20min雨水的下滲主要集中在面層和基層結(jié)構(gòu)中，模型一在20min后土壤含水率開始上升，30min后速度上升較快，可見模型一基層的孔隙率較大，土壤含水率較早進(jìn)入上升階段；模型二、三、四的土壤含水率在30min后開始上升，模型三上升幅度較大；從(圖10)可以看出，在20～30min內(nèi)，模型一的土壤含水率上升幅度為20.2%，模型三的土壤含水率從10min后開始緩慢上升，10～20min內(nèi)上升幅度約為4%，模型二的土壤含水率上升幅度高于模型四。從以上分析可以得出，土壤水分變化與基層孔隙率的大小和土壤初始含水率有關(guān)，基層孔隙率大，易于雨水的快速入滲；土壤初始含水率高，則會減緩其水分上升幅度；就(圖10)來說，模型一基層孔隙率大，其水分變化幅度高于其他模型，模型三土壤初始含水率高，導(dǎo)致其水分上升開始時(shí)間提前?？傮w看來，模型一的基層通透性最好，其次依次為模型三、二、四。2.2.2土壤含水率下降快從(圖11～16)可以看出，降雨停止后，基層和土壤內(nèi)的水分繼續(xù)向下入滲，在入滲過程中由于重力、土壤的吸力等作用水分逐漸減少，模型一的土壤含水率減小速度較快，主要是由于其通透性較強(qiáng)，導(dǎo)致下滲速度較快；模型四由于其基層通透性較差，所以土壤含水率下降速度緩慢。由此可見園林鋪裝結(jié)構(gòu)基層越通透，其水分排滲越快，以滿足下次降雨水分的及時(shí)下滲。本試驗(yàn)中模型一處理較為理想，通透性的強(qiáng)弱依次為模型一>模型三>模型二>模型四。2.2.3高含水率土壤水分模型如(圖17～20)所示，在10月23日107.17mm/h×1h的第三次降雨中，4種模型不同深度土壤含水率的變化存在差別，10cm深度土壤含水率變化十分明顯，模型一在降雨1～2d內(nèi)土壤含水率下降約15.8%，模型三在降雨1～2d內(nèi)土壤含水率下降約7%，10cm深度最靠近鋪裝基層和面層，所以其基層和面層的通透性對其影響較大，變化較為顯著。從20cm深度也可以看出模型一、三土壤含水率下降趨勢相對較快，但不是十分明顯。整體含水率均呈下降趨勢，土壤30、40cm深度含水率下降幅度差別不是很大，這是由于其上為致密的土壤，通透性不好?？煽闯鐾寥篮首兓炻秊槟Ｐ鸵?gt;模型三>模型二>模型四。模型四基層結(jié)構(gòu)為素混凝土，結(jié)構(gòu)較為封閉，因此使得下部的土壤含水率變化趨勢不是很明顯，水分下滲較慢；模型二、三的基層結(jié)構(gòu)為無砂混凝土和碎石，但模型二的無砂混凝土厚度大于模型三，碎石的厚度小于模型三，無砂混凝土的孔隙率小于碎石的孔隙率，所以模型二的土壤水分變化相對模型三來說變化較慢，模型一基層的處理為碎石，其孔隙率大，導(dǎo)致下滲流量較大，所以造成在靠近基層結(jié)構(gòu)的10cm深度土壤含水率下降幅度最為明顯，其他深度下降趨勢也明顯于其他模型同等深度的趨勢。4種模型中模型一、二、三的透水磚鋪裝結(jié)構(gòu)對降雨的入滲效果明顯優(yōu)于不透水磚鋪裝結(jié)構(gòu)；水分的下滲與基層結(jié)構(gòu)的處理有很大相關(guān)，基層孔隙率越大，其下滲速度越高，比較以上4種模型處理，模型一大孔隙率碎石基層處理的雨水入滲效果優(yōu)于無砂混凝土的基層處理，優(yōu)于透水性弱的素混凝土基層處理。2.3不同基層結(jié)構(gòu)對箱底滲流狀況的影響從(表5)和(圖21)可以看出，在41.54mm/h×1h的第一次降雨中，模型一的箱底排水開始時(shí)刻最早，排水量最多，排水結(jié)束時(shí)刻較晚，其次是模型三、二、四，這主要是因?yàn)榭紫堵蚀蟮幕鶎咏Y(jié)構(gòu)，孔隙流速大，導(dǎo)致水頭壓力高，給基層和地基土壤界面的水壓力大，所以排水開始時(shí)刻早，排水量大。排水結(jié)束時(shí)刻晚是由于降雨終止后，土壤水分繼續(xù)在土壤剖面中運(yùn)動，形成土壤水分的再分布。在(圖22、23)中，由于這2次降雨前2周分別有一次41.54mm/h×1h和41.54mm/h×2h的降雨，造成模型二、三、四的土壤初始含水率相對較高，結(jié)果4種模型排水開始時(shí)刻相差不大。從(表5)可以看出，模型一箱底排水開始時(shí)刻較早，結(jié)束時(shí)刻較晚，其次是模型三、二、四，基層的通透性的順序依次為模型一>模型三>模型二>模型四，模型一鋪裝結(jié)構(gòu)增滲效果最好。3透水磚鋪裝結(jié)構(gòu)的生態(tài)性透水磚鋪裝是一種全新的道路鋪裝模式，相對于