金雪莉 廖仕樂 朱俊炫 盧任機(jī) 李淑晶

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院）

1 引言

隨著人們對城市生態(tài)環(huán)境認(rèn)識的提升，結(jié)合國情，我國提出了海綿城市建設(shè)的發(fā)展思路，2016 年我國海綿城市試點(diǎn)城市達(dá)到30 個(gè)，海綿城市建設(shè)進(jìn)入快速推進(jìn)階段。硬質(zhì)透水鋪裝作為海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于城市輕型荷載道路、廣場、步行街、露天停車場等場所，是實(shí)現(xiàn)雨水自然滲透到地下的重要手段之一，同時(shí)新的綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定硬質(zhì)鋪裝地面中透水鋪裝面積的比例要達(dá)到50%，這些要求都促進(jìn)了城市建設(shè)對各類透水磚的需求。

經(jīng)過幾年的大力建設(shè)，人們發(fā)現(xiàn)透水鋪裝在使用過程中出現(xiàn)不同情況的堵塞，大大降低了滲透速率，嚴(yán)重影響透水效果。國內(nèi)外一些研究團(tuán)隊(duì)做了相關(guān)透水材料堵塞的研究。澳大利亞研究團(tuán)隊(duì)T er r y Luc k e[1]用＜300μm 和＜1.18mm的實(shí)際雨水沉積物通過透水性路面做了18 個(gè)不同降雨速率的試驗(yàn)，研究初始滲透速率與最終滲透速率之間的關(guān)系，得出不同粒徑的沉積物在不同降雨強(qiáng)度的作用下堵塞程度，該實(shí)驗(yàn)測試對象為多塊透水磚拼裝的透水路面樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受透水磚縫隙的干擾。浙江大學(xué)崔新壯教授[2]研究極端氣候暴雨作用下透水混凝土路面的致命堵塞過程，研發(fā)了一種與電導(dǎo)率測試相結(jié)合的實(shí)時(shí)滲透性測試系統(tǒng)，基于該測試系統(tǒng)開展了一系列透水混凝土路面快速堵塞模擬實(shí)驗(yàn)。2018年12 月《海綿城市評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布，要求對關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)效進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證。對透水磚堵塞行為的研究越來越受到人們的關(guān)注。

現(xiàn)有表征材料堵塞行為的方式只有滲透系數(shù)的測定，表征方式單一。針對這一問題，本文研究設(shè)計(jì)了透水磚模擬降雨動態(tài)堵塞行為測試裝置，一方面，因地制宜，考慮到當(dāng)?shù)亟涤陱?qiáng)度和地表雨水中顆粒含量，模擬雨水徑流；另一方面，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)時(shí)記錄滲透系數(shù)變化過程，并將模擬透水磚堵塞過程的滲透系數(shù)變化通過曲線描繪直觀呈現(xiàn)，動態(tài)分析透水磚堵塞行為。

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 雨水徑流模擬

透水磚的堵塞主要由雨水中夾帶的細(xì)顆粒物形成地面徑流滲入透水磚的孔隙導(dǎo)致。本文以硅砂作為堵塞材料進(jìn)行試驗(yàn)研究。硅砂具有穩(wěn)定的物化性質(zhì)，對實(shí)驗(yàn)的誤差影響較小，是研究粒徑堵塞過程非常優(yōu)良的材料[3]。試驗(yàn)中水與硅砂混合物經(jīng)水泵增壓恒壓通過多孔噴頭均勻?yàn)⒂谠嚰砻?，用于模擬降雨過程所造成的雨水徑流。實(shí)驗(yàn)采用增壓泵（型號Q R S25-10，最大流量90L/min，最高揚(yáng)程10m），同時(shí)配合著閘閥控制出水口流量，達(dá)到模擬要求的降雨量。為了能模擬雨水及所選級配硅砂能均勻?yàn)⒃谕杆u面，本實(shí)驗(yàn)采用300mm×300mm 的淋浴噴頭，淋雨噴頭正面有144 個(gè)小孔，小孔直徑為3mm，滿足硅砂順利通過噴頭小孔而不造成堵塞。

2.2 測試裝置設(shè)計(jì)

如圖1 所示，設(shè)計(jì)的模擬降雨動態(tài)堵塞試驗(yàn)裝置由圓桶、攪拌機(jī)、增壓泵、多孔噴頭、閥門、多種管徑的P V C水管和載物臺等共同組成。

圖1 模擬降雨動態(tài)堵塞試驗(yàn)裝置示意圖

2.3 測試原理

基于質(zhì)量守恒定律的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，滲透系數(shù)的計(jì)算公

式為：

K=αV/A t

式中，

K——滲透系數(shù)；

α——糾正系數(shù)（因流量計(jì)產(chǎn)生的誤差，根據(jù)試水

實(shí)驗(yàn)提出經(jīng)驗(yàn)值）；

V——累積流量，即從實(shí)驗(yàn)開始至測試時(shí)流過磚的

總水量；

A——試件斷面面積；

t——試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，即從實(shí)驗(yàn)開始至測試時(shí)的時(shí)間。

2.4 測試方法

透水磚堵塞實(shí)驗(yàn)的測試方法及流程如下：

⑴實(shí)驗(yàn)前將透水磚試件的側(cè)面涂抹上凡士林，將透水磚試件放置在滴水收集裝置的架空架子上，在透水磚試件與滴水收集裝置的縫隙中使用耐候密封膠密封。

⑵使用調(diào)節(jié)閥調(diào)整流速至符合實(shí)驗(yàn)要求，在儲水圓筒中加入實(shí)驗(yàn)所需降雨量，開啟攪拌機(jī)，再往水中加入本次實(shí)驗(yàn)使用的沉積物制成合成雨水。將流量計(jì)連接上電腦，確保正常工作。

⑶開啟增壓泵，打開開關(guān)閥門，合成雨水通過模擬降雨噴頭均勻落下到透水磚試件的表面，使用電腦對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)一直持續(xù)到合成雨水全部通過透水磚試件。

⑷實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出透水磚試件，對透水磚試件再次進(jìn)行定水頭法測定滲透系數(shù)。收集實(shí)驗(yàn)中記錄的所有數(shù)據(jù)，使用自主研發(fā)的智能測試系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

2.5 動態(tài)智能數(shù)據(jù)處理

為了連續(xù)實(shí)時(shí)地記錄堵塞過程中滲透系數(shù)的變化，在試驗(yàn)裝置出水管上安裝了一對微型超聲波傳感器，其通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接電腦。通過微型超聲波傳感器可測得水的瞬時(shí)流速、瞬時(shí)流量與累計(jì)量并保存在t x t 文檔。自主研發(fā)的智能數(shù)據(jù)處理軟件可實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，將滲透系數(shù)的變化過程通過曲線描繪呈現(xiàn)出來，對比多組測試結(jié)果，并實(shí)現(xiàn)和多種設(shè)備端的兼容性。

3 實(shí)測案例

3.1 測試對象——陶瓷透水磚

圖3 陶瓷透水磚樣品

表1 細(xì)小顆粒物含量測試結(jié)果

陶瓷透水磚具有抗壓性能好、耐風(fēng)化、防火好、耐久及色彩豐富，透水性能好等特點(diǎn)，在廣州各大廣場有大量的鋪設(shè)。陶瓷透水磚由陶瓷原材料燒結(jié)而成，由于其材料和制作工藝的特點(diǎn)，多連通孔隙的結(jié)構(gòu)使得路面具有良好的透水性能。本實(shí)驗(yàn)用陶瓷透水磚樣品的規(guī)格為300mm×300mm×55mm。

3.2 應(yīng)用區(qū)域——廣州市

3.2.1 廣州市雨水顆粒物分析

⑴樣品細(xì)小顆粒物粒徑分布測試。

參考G B/T 19077-2016，用水相濕法分析細(xì)小顆粒物粒徑。將選定樣品倒入液體石蠟中，在超聲波清洗器中振蕩分散10min，置于銅網(wǎng)上，用馬爾文激光粒度儀（Mast er si z er 3000）進(jìn)行細(xì)小顆粒物粒徑分析。

圖4 細(xì)小顆粒物粒徑分布

圖5 雨水樣品

圖4 是三個(gè)雨水樣品的細(xì)小顆粒物粒徑檢測報(bào)告，三份檢測報(bào)告的顆粒粒徑分布非常接近。約10%顆粒尺寸小于13μm（D10=13μm），顆粒尺寸中值約為38μm（D50=38μm），顆粒尺寸大于114μm（D90=114μm）約占10%。

⑵樣品細(xì)小顆粒物含量測試。

將雨水細(xì)小顆粒物樣品搖勻倒入干燥后的燒杯，用濕潤的濾紙蓋住不規(guī)則的燒杯口，防止干燥時(shí)微小顆粒物隨水蒸氣跑出燒杯外，影響實(shí)驗(yàn)精度。干燥箱采用電熱鼓風(fēng)干燥箱X M TD-2100，調(diào)節(jié)恒溫溫度105℃，直至肉眼判斷水分被烘干，打開干燥箱自然降溫，待干燥箱溫度接近室溫即可取出稱量，稱量完畢，再次將裝有細(xì)小顆粒物的燒杯放入干燥箱干燥30min 后稱量，多次操作直至質(zhì)量數(shù)值不再變化。細(xì)小顆粒物含量測試結(jié)果見表1，由于樣品取自不同的廣場，地面潔凈程度不同，因此總細(xì)小顆粒物含量有差別，根據(jù)現(xiàn)場判斷廣場的清潔程度，本次實(shí)驗(yàn)研究選擇雨水細(xì)小顆粒物含量為0.484g/L。

3.2.2 人工雨水徑流

根據(jù)尺寸分布將硅砂篩分法篩分為細(xì)砂、粗砂和全級配砂。3 種不同顆粒砂級配如表2 所示，本文中級配砂為質(zhì)量百分比；根據(jù)干燥恒重法將地表雨水樣品置入電熱鼓風(fēng)干燥箱X M TD-2100 干燥，確定出一年沉積物在樣品中的濃度為0.484g/L(在237L 水中含114.7g 懸浮沉積物)。

表2 人工雨水徑流顆粒級配

3.3 測試結(jié)果及分析

3.3.1 重復(fù)實(shí)驗(yàn)的誤差分析

圖6 是對三個(gè)陶瓷透水磚樣品T C1、T C2 和T C3 分別做三次無雨水雜質(zhì)狀態(tài)下的滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)對比。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)計(jì)算，三塊樣品滲透系數(shù)測試結(jié)果平均值分別為0.0766、0.0638、0.0607cm·s-1，三個(gè)樣品三次測試的數(shù)據(jù)均有不同，測試結(jié)果的重復(fù)性誤差和變異性誤差分別為4.1227 和10.8041。結(jié)果表明：重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有差異，但是差異較小，在可接受范圍內(nèi)；測試樣品有差異，這是由于滲透系數(shù)受孔隙迂回度、孔徑尺寸及開放孔隙率等多種因素影響[4]，且透水材料實(shí)際制作過程較粗糙，造成了材料孔隙特征參數(shù)離散性較大。

圖6 陶瓷透水磚滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 不同級配硅砂對透水磚堵塞行為的影響

使用變水頭法測量三塊透水磚的動態(tài)堵塞過程，其滲透系數(shù)有相似的變化之處。編號不同的磚對應(yīng)不同級配硅砂模擬的降雨加速實(shí)驗(yàn)：T C4 對應(yīng)全級配砂堵塞，T C5 對應(yīng)細(xì)砂堵塞，T C6 對應(yīng)粗砂堵塞。以T C4 模擬加速降雨實(shí)驗(yàn)的曲線特性為例（全級配砂），水從磚體連通孔隙穿過并通過超聲波流量探測儀時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，陶瓷透水磚滲透系數(shù)先是快速降低（第一階段），然后緩慢降低（第二階段），繼而漸進(jìn)降低（第三階段）。以T C5 模擬降雨加速實(shí)驗(yàn)的曲線（細(xì)級配砂）和T C6 模擬加速降雨實(shí)驗(yàn)的曲線（粗級配砂）相比較，細(xì)級配砂進(jìn)入快速堵塞過程要比粗砂快，而全級配砂要比細(xì)級配砂更快進(jìn)入漸進(jìn)堵塞階段；反觀粗級配砂發(fā)展快速堵塞過程要比細(xì)級配砂與全級配砂所需的時(shí)間相對較長，并且更慢進(jìn)入漸進(jìn)堵塞階段。

由此，可以得到以下結(jié)論：在模擬加速降雨實(shí)驗(yàn)時(shí)，全級配砂隨水更容易進(jìn)入實(shí)驗(yàn)磚體內(nèi)部，造成孔隙填空式堵塞，水形成較小紊流狀態(tài)，細(xì)砂粒徑≤75μm，含有一定量的粘土顆粒，在受潮時(shí)會產(chǎn)生相互吸引力，顆粒物聚集在一起，填補(bǔ)了粗砂堵塞的孔隙，因此全級配砂堵塞模型曲線快速堵塞過程發(fā)展迅速；同理，粗砂雖沒粘聚性，但是粗級配砂最大粒徑顆粒物仍然能穿過透水磚表面進(jìn)入透水磚內(nèi)部造成堵塞，因此粗級配砂堵塞模型曲線中快速堵塞過程發(fā)展時(shí)間相對較長。

3.3.3 降雨強(qiáng)度對透水磚堵塞行為的影響

圖7 不同級配硅砂對滲透系數(shù)的影響

圖8 不同降雨強(qiáng)度對滲透系數(shù)的影響

編號不同的磚對應(yīng)不同降雨強(qiáng)度的模擬降雨加速實(shí)驗(yàn)：T C7 對應(yīng)4h 的降雨強(qiáng)度，T C8 對應(yīng)2h 的降雨強(qiáng)度。圖8 表明：隨著實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的延長，表面滲透率變化的幅度減緩。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2h 降雨強(qiáng)度，觀察到初始滲透速率和最終滲透速率之間的變化為56%，完成了等效滲透速率為1317mm/h 的降雨強(qiáng)度等，最終水頭升高至4cm，堵塞過程分為快速堵塞，緩慢堵塞，漸進(jìn)堵塞三個(gè)階段；隨著試驗(yàn)持續(xù)降雨時(shí)間增加到4h 左右，觀察到初始滲透速率和最終滲透速率之間的變化為35%，完成了等效滲透速率為658.5mm/h 的降雨強(qiáng)度，最終水頭升高至6.5cm，堵塞過程分為快速堵塞，緩慢堵塞，堵塞恢復(fù)，漸進(jìn)堵塞四個(gè)階段。

圖8 可以清楚表明：兩塊實(shí)驗(yàn)磚本身滲透系數(shù)都在0.38～0.5cm/s 范圍，但在不同降雨強(qiáng)度下透水系數(shù)變化截然不同。2h 雖然經(jīng)歷了快速堵塞，但是透水磚性能只是減半；而4h 降雨強(qiáng)度不大，但降雨時(shí)間長，透水磚性能損失嚴(yán)重。因此得出以下結(jié)論：在2h 較短時(shí)間里，施加較大降雨強(qiáng)度可能會在透水磚內(nèi)形成較大的紊流狀態(tài)，這可能使硅砂更容易通過透水磚內(nèi)部連通孔隙，達(dá)到透水磚自清理的效果；而4h 較長時(shí)間里，施加較小降雨量可能因積水時(shí)間較長，硅砂更充分地附著在透水磚內(nèi)部連通孔隙，從而改變了透水磚的堵塞機(jī)理，在做完2h 降雨強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)后清理模擬降雨動態(tài)堵塞試驗(yàn)裝置承載臺排水口發(fā)現(xiàn)殘留一定量的硅砂，這一現(xiàn)象也證明了這一點(diǎn)。

4 總結(jié)

⑴本文針對海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)--透水鋪裝材料的實(shí)效驗(yàn)證，研究設(shè)計(jì)了透水磚模擬降雨動態(tài)堵塞行為測試裝置，用于表征含顆粒物雨水徑流作用下透水磚的滲透系數(shù)變化曲線，動態(tài)分析透水磚堵塞行為。

⑵以陶瓷透水磚為實(shí)測樣本，進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)誤差分析、不同級配硅砂和降雨強(qiáng)度對陶瓷透水磚堵塞行為的影響分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)全級配砂堵塞是造成透水磚堵塞的主要原因，同時(shí)發(fā)現(xiàn)透水磚表面長期沉積的顆粒物是造成透水磚嚴(yán)重堵塞的重要原因，說明定期對透水磚表面進(jìn)行清潔的重要性?！?/p>