朱浩然， 于明明， 張楊

(1.蘇交科集團股份有限公司， 江蘇 南京 211112； 2.新型道路材料國家工程實驗室)

國家統(tǒng)計局最新數(shù)據(jù)顯示，2018年中國城鎮(zhèn)化率達到59.58%。隨著城市化進程的不斷加快，導(dǎo)致“城市病”日益突出，如今城鎮(zhèn)地表越來越多地被瀝青和水泥混凝土等“硬化”材料所覆蓋。強降雨氣候，地表徑流量增大，增加了城市排水管網(wǎng)的負擔(dān)，引起城市內(nèi)澇。為了有效解決城市內(nèi)澇問題，國外開發(fā)了一系列城市暴雨徑流控制技術(shù)，出臺了一系列暴雨管理規(guī)劃和指南。2013年12月以來，中國在總結(jié)國外雨水管理體系的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出“海綿城市”建設(shè)戰(zhàn)略方針，相繼出臺多部海綿城市建設(shè)政策方針和指導(dǎo)意見。

道路作為當(dāng)代人們活動的載體，為響應(yīng)國家“海綿城市”建設(shè)戰(zhàn)略號召，透水路面應(yīng)運而生，在雨天可使路面雨水迅速下滲或存儲于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部。路面的透水效率是衡量透水路面的一個重要方面，也是透水路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)。張朝旭在分析透水路面滲流機制的同時，闡述了透水路面的影響因素；朱天同研究結(jié)果表明，大孔隙瀝青混合料路用性能優(yōu)異，且具有顯著的降噪效果；丁慶軍等研究了透水瀝青路面的降噪影響因素，并對試驗段的長期性能檢測進行跟蹤觀測；程冬揚等基于Van Genuchten模型，得到了透水路面非飽和狀態(tài)下的排水時間數(shù)學(xué)模型；蔣瑋等基于對透水瀝青路面的滲流過程進行模型建立，且對其長期性能進行評估；Kuang等對透水路面材料的空隙特征與滲透速度的關(guān)系模型進行研究；Kelly.A.Collins等選擇4種不同類型的透水鋪裝材料，研究各種因素對透水效果的影響；賈剛龍等針對透水鋪裝在海綿城市建設(shè)中常見問題進行探究分析；但漢成等建立了瀝青路面的滲流模型，研究路面裂縫對滲流速率的影響。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對大孔隙瀝青混合料的路用性能和降噪特性進行了大量研究，并對其混合料的長期性能進行了跟蹤觀測。然而對于不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)透水效率和數(shù)值計算鮮有報道。該文針對不同的透水鋪裝結(jié)構(gòu)，分析其產(chǎn)流機制，提出相應(yīng)的排水能力評價指標(biāo)，建立透水路面的儲水-滲透模型，并對其透水效率進行計算和分析，為“海綿城市”透水鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

1 不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)流機制

參照CJJ/T 190—2012《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》，透水路面按照水流路徑可分為3類：排水型路面、半透型路面和全透型路面，其路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。半透型路面與排水型路面類似，可以看成排水層厚度更大的排水型路面，因此該文針對排水型路面和全透型路面兩種類型，分析其產(chǎn)流機制，分別提出相應(yīng)的評價指標(biāo)及透水效率計算方法。

圖1 不同透水路面結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 排水型路面產(chǎn)流機制

排水型路面從受到降雨作用開始直至雨水完全排出，會經(jīng)歷以下3個階段：

(1) 雨水的表面浸潤。在雨水的作用下，水不斷附著在孔隙表面，水膜的厚度增加，浸潤排水路面表層并逐漸往下滲透，路面結(jié)構(gòu)開始排水。

(2) 飽和穩(wěn)定流量狀態(tài)。隨著降雨的持續(xù)，排水型路面孔隙完全被雨水填充，排水達到飽和穩(wěn)態(tài)流量狀態(tài)。當(dāng)降雨強度與面層的穩(wěn)態(tài)流量相等，則產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的飽和流動。當(dāng)降雨強度大于飽和穩(wěn)態(tài)流量，除在面層內(nèi)形成穩(wěn)態(tài)的飽和滲流外，將會形成地表徑流。

(3) 路面結(jié)構(gòu)中雨水的排出。降雨結(jié)束，蓄積在路面結(jié)構(gòu)中的雨水從路面結(jié)構(gòu)中或相應(yīng)的排水設(shè)施排出。

1.2 全透型路面產(chǎn)流機制

全透型路面結(jié)構(gòu)中雨水的滲流過程，按時間先后劃分為如下4個階段：

(1) 面層結(jié)構(gòu)潤濕。降雨初期，降落在面層結(jié)構(gòu)中的雨水在外力作用下，浸入面層結(jié)構(gòu)，在范德華力影響下，在面層結(jié)構(gòu)中生成水膜。

(2) 雨水在路基中滲入。降雨過程持續(xù)，路面結(jié)構(gòu)已全部潤濕，因路基具有滲透系數(shù)，雨水通過路基下滲。

(3) 雨水在路面中儲蓄。隨著降雨強度的增大，當(dāng)降雨強度大于路基滲透速率時，路面開始積蓄雨水。且隨著雨水強度的增大，路面中儲蓄的雨水持續(xù)增多，直至降雨強度等于路基滲透系數(shù)時，儲蓄的雨水量最大。

(4) 雨水從路面結(jié)構(gòu)中排出。隨著降雨強度的衰減，且小于路基的滲透系數(shù)時，儲蓄于路面結(jié)構(gòu)中的雨水通過路基滲透排出。

2 排水型路面評價指標(biāo)及計算

分析排水型路面的產(chǎn)流機制，排水型路面排水能力評價包括兩個方面：① 無明顯地表徑流所對應(yīng)的極限降雨強度或1 d的降雨量；② 在飽和穩(wěn)定流量狀態(tài)，計算水從路面排出所需的滲流時間。

2.1 極限降雨強度的計算

根據(jù)達西定律，降雨期間路面排水層的水流流量計算公式如下：

Q=kbAi

(1)

(2)

式中：Q為排水層的水流流量(m3/s)；kb為透水材料的滲透系數(shù)(m/s)；i為路面縱橫坡的合成坡度；ih為路面的橫坡坡度；A為單位長度內(nèi)垂直于水流方向的過水?dāng)嗝婷娣e(m2)；h為排水路面的厚度(m)。

根據(jù)JTG/T D33—2012《公路排水設(shè)計規(guī)范》，匯水面積內(nèi)地表徑流流量計算公式如下：

Q=16.67φqF

(3)

無明顯地表徑流的極限降雨強度下，認為排水層的水流流量與匯水面積內(nèi)地表徑流流量相同。對式(1)和(3)進行變換，可以得到排水型路面無明顯地表徑流所對應(yīng)的極限降雨強度，其計算公式如下：

(4)

由式(4)可以看出：排水型路面無明顯地表徑流所對應(yīng)的極限降雨強度，其與排水材料的滲透系數(shù)、排水層厚度、路幅寬度等參數(shù)有關(guān)。結(jié)合中國排水型路面的應(yīng)用情況，假定排水瀝青混合料的設(shè)計空隙率為20%，滲透系數(shù)為1.0 cm/s，路面橫坡和縱坡均取2.0%，徑流系數(shù)取0.90，排水路面厚度分別取4 cm和10 cm，雙向兩車道、雙向四車道、雙向六車道單向路幅寬度分別取4.5、8.5、12 m時，排水結(jié)構(gòu)層的穩(wěn)定流量和極限降雨強度計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同排水路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定流量和極限降雨強度

由表1可以看出：隨著路幅寬度的增加，所能承受的無明顯地表徑流的極限降雨強度逐漸減小。而排水層路面厚度越大，對應(yīng)的無明顯地表徑流的極限降雨強度越大，排水效果越好。

典型的單層排水路面即排水結(jié)構(gòu)層厚度為4 cm時，雙向四車道、雙向六車道排水型路面的極限降雨強度分別為0.044、0.031 mm/min，可滿足1 d、12 h降雨量為63.36、44.64 mm的條件下，不產(chǎn)生明顯徑流的要求。根據(jù)國家氣象局頒布的降雨強度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2)，說明雙向四車道、雙向六車道的排水型路面，在大雨或暴雨的條件下，雨水在排水型路面面層內(nèi)通過滲流形式排出，不會產(chǎn)生明顯的徑流。

表2 降雨強度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2 飽和滲流排水時間的計算

AASHTO基于非穩(wěn)態(tài)流量計算的方程有Barber和Sawyer方程，其計算式如下：

(5)

(6)

(7)

式中：T為排水時間；h為排水層厚度；k為排水結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)；ne為排水鋪裝材料的有效空隙率；LR為滲流路徑長度；ΔT為時間系數(shù)，以基層排出滲入水的50%所用時間來評價，即U=50%，用式(6)計算；S為排水結(jié)構(gòu)底面的傾斜系數(shù)，用式(7)計算。

中國JTG/T D33—2012《公路排水設(shè)計規(guī)范》中，滲入水在排水層內(nèi)的滲流時間按式(8)計算：

(8)

(9)

(10)

式中：T為滲流時間(h)；Ls為滲流路徑長(m)；B為單向坡度路面的寬度(m)；vs為滲流速度(m/s)；kb為透水材料的滲透系數(shù)(m/s)；ne為透水材料的有效空隙率；iz、ih為路面的縱坡和橫坡。

比較AASHTO與中國JTG/T D33—2012《公路排水設(shè)計規(guī)范》排水時間計算公式可發(fā)現(xiàn)，兩者基本一致，因此該文認為排水型路面滲入水在排水層內(nèi)的滲流時間可按式(8)計算。

(1) 飽和滲流排水時間計算示例

該文路面的寬度，考慮常見的雙向兩車道、雙向四車道及雙向六車道3種情況。由于兩側(cè)路面是絕對軸對稱的，只選取單幅路面研究即可。將機動車道路面寬度、路緣帶與硬路肩的寬度之和作為排水型路面的研究寬度，雙向兩車道、雙向四車道、雙向六車道單向路幅寬度分別?。?.5、8.5、12 m。

結(jié)合中國排水型路面的實際應(yīng)用情況，排水型路面的有效空隙率取15%，排水瀝青混合料的滲透系數(shù)為0.01 m/s，路面橫坡和縱坡均取2.0%時，路面的滲流速度按式(11)計算：

(11)

不同道路的半幅路幅寬度下，滲入水從路面排水層排出所需的滲流時間計算結(jié)果如表3所示。

表3 排水時間計算結(jié)果

(2) 排水效果評價

AASHTO(1986)設(shè)計指南以排水程度U=50%所需時間(T50)作為評價指標(biāo)，將排水質(zhì)量分為優(yōu)、良、中、差和很差5個等級，見表4。JTG/T D33—2012《公路排水設(shè)計規(guī)范》指出，滲入水在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大滲流時間，冰凍地區(qū)不應(yīng)大于1 h，其他地區(qū)不應(yīng)超過2 h。滲入水在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的滲流路徑長度不宜超過45～60 m。因此，可以認為水在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的滲流時間不超過2 h時，具有較好的排水效果。

表4 AASHTO排水設(shè)計評價標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)半幅路幅寬度不超過14 m時，水從路面結(jié)構(gòu)排出所需的滲流時間小于2 h，滿足最大滲流時間2 h的要求，因此排水型路面用于雙向兩車道、雙向四車道以及雙向六車道道路時，具有較好的排水效果。

3 全透型路面透水模型及分析

3.1 模型的建立

全透型路面可視為具有儲水-排水的空間，雨水一方面滲入路面結(jié)構(gòu)中，另一方面通過路基滲透作用向外排出，將結(jié)構(gòu)簡化成如圖2所示。

圖2 全透型路面簡化模型

設(shè)雨水入滲強度為W(t)，雨水滲出強度V(t)，根據(jù)水量平衡，可得到全透型路面儲水-滲透模型如式(12)所示，從而計算出各時段路面結(jié)構(gòu)的水位hi：

(12)

ni=n0-η

(13)

式中：ni為各鋪裝層材料的設(shè)計連通空隙率;i為全透型路面鋪裝結(jié)構(gòu)層的個數(shù)；t為降雨歷時(s)；hi(t)為t時刻透水路面結(jié)構(gòu)的蓄水高度。

3.2 模型參數(shù)

(1) 雨水入滲強度W(t)

雨水入滲強度W(t)與降雨強度i(t)和鋪裝層材料的滲透系數(shù)k有關(guān)。當(dāng)降雨強度i(t)<鋪裝層材料滲透系數(shù)k時，W(t)=i(t)，雨水完全下滲；當(dāng)降雨強度i(t)≥鋪裝層滲透系數(shù)k時，W(t)=k，部分雨水會在路面表面形成地表徑流。一般而言，鋪裝層材料具有較高的滲透系數(shù)，遠遠大于降雨強度，故取W(t)=i(t)。

降雨強度i(t)參照GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》建議的設(shè)計暴雨強度公式：

(14)

ap=c+dlgp

(15)

式中：i(t)為設(shè)計重現(xiàn)期p內(nèi)、降雨歷時t內(nèi)的降雨強度(mm/min)；t為降雨時間(min)；p為設(shè)計重現(xiàn)期(a)；b、n、c、d為回歸系數(shù)。

(2) 雨水滲出強度V(t)

雨水滲出強度V(t)由雨水通過面層、基層到達路基頂面的強度W(t)和路基入滲能力f(t)來確定。當(dāng)W(t)

路基滲透能力f(t)的衰減可由Horton公式表示：

ft=fc+(f0-fc)e-kt

(16)

式中：ft為t時刻路基的下滲速率；f0為路基土初始下滲率；fc為路基穩(wěn)定滲透率；k為路基滲透能力隨時間的衰減系數(shù)。

實際工程中，可以按照JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》中土的滲透試驗方法(T0129-1993/T0130-2007)對路基的滲透速度進行測定。

(3) 透水路面各結(jié)構(gòu)層的厚度和滲透速度

透水路面各結(jié)構(gòu)層的厚度和滲透系數(shù)對雨水的下滲及存儲有著重要影響。通常，各結(jié)構(gòu)層越厚、滲透系數(shù)越高，透水效果越好。

通常透水鋪裝基層和面層材料具有較高的滲透系數(shù)，而土基的滲透能力較弱，故土基的滲透能力反映全透型路面對雨水的下滲能力，是影響路面結(jié)構(gòu)中存儲雨水時間的主要因素。

3.3 全透型路面透水功能評價

全透型瀝青路面各結(jié)構(gòu)層材料、厚度和設(shè)計空隙率等參數(shù)，如表5所示。瀝青面層采用兩層大空隙瀝青混合料，分別為PAC-13及PAC-20；上基層采用透水水泥混凝土，下基層采用級配碎石；路基材料為砂性土，砂性土路基的滲透速度取0.000 2 cm/s。

表5 全透水路面結(jié)構(gòu)厚度和材料參數(shù)

以南京市為例，按照降雨模型選擇降雨:

(17)

重現(xiàn)期為5年，降雨歷時為24 h，計算整個降雨過程中每個時刻路面結(jié)構(gòu)累積的蓄水水位的高度，如圖3所示。

圖3 全透型路面結(jié)構(gòu)降雨強度與蓄水高度隨時間變化圖

由圖3可以看出：在設(shè)計降雨重現(xiàn)期為5年、降雨歷時24 h的降雨過程中，隨著降雨強度的變化和時間的推移，全透型路面結(jié)構(gòu)的蓄水水位呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。在整個降雨過程中，最大降雨強度為4.154 5 mm/min，發(fā)生在第648 min；而在整個降雨過程中，路面結(jié)構(gòu)最高蓄水水位為192.918 6 mm，未超出級配碎石設(shè)計厚度250 mm，達到最高蓄水高度的時間在第806 min，較最大降雨強度發(fā)生時間滯后了158 min。

計算結(jié)果表明:該厚度設(shè)計下的全透型路面能夠滿足設(shè)定區(qū)域和給定降雨條件下的透水和排水功能，不會出現(xiàn)由于暴雨在路面結(jié)構(gòu)中來不及排出而導(dǎo)致的路面積水現(xiàn)象。

4 結(jié)論

針對不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)，在分析其產(chǎn)流機制的基礎(chǔ)上，提出排水型路面和全透型路面排水性能評價指標(biāo)，并對全透型路面儲水-滲透模型及計算方法進行研究，得出以下結(jié)論：

(2) 排水型路面評價結(jié)果表明：路幅寬度越小、排水路面厚度越大，所能承受的無明顯地表徑流的極限降雨強度越大，排水效果越好。根據(jù)國家氣象局頒布的降雨強度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，典型的雙向四車道、雙向六車道排水型路面可滿足在大雨或暴雨的條件下，不產(chǎn)生明顯徑流的要求，排水效果較好。

(4) 典型全透型路面透水功能評價結(jié)果表明，在整個降雨期間，路面結(jié)構(gòu)最高蓄水水位為192.918 6 mm，未超出級配碎石設(shè)計厚度250 mm，能夠滿足設(shè)定區(qū)域和給定降雨條件下的透水和排水功能要求。