繆宏杰, 鄭宣恭, 黃若鵬

(1.福建農(nóng)林大學 金山學院， 福州 350002 ；2. 廈門華巖勘測設(shè)計有限公司，福建 廈門361000)

傳統(tǒng)路面透水性能差，在大雨情況下常引起道路積水問題，極大程度影響出行的舒適性和安全性.透水路面作為一種兼具交通和城市水資源控制功能的基礎(chǔ)設(shè)施，具有快速吸收雨水，減少道路徑流，降低城市熱島效應(yīng)，保證車輛舒適性以及行人的安全性等優(yōu)點[1-2].因此近年來，透水路面被廣泛應(yīng)用于城市的道路改善工程，同時透水路面也成為國家城市建設(shè)主推的方向之一.相比國外，我國透水路面起步較晚，從20世紀90年代起關(guān)注透水路面，先后在浙江、北京等多地試驗透水路面.2015年由北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司等編制的《城市道路與開放空間低影響開發(fā)雨水設(shè)施》為我國透水路面的設(shè)計和施工提供了參考標準，對透水路面的推廣使用和標準化提供有力支撐.

近年來隨著透水路面推廣使用，關(guān)于透水路面水力特性及機理方面的研究逐步取得了許多有價值的研究結(jié)論[3-4].陳偉等[5]建立降雨模型進行不同降雨強度下的模擬研究，并通過現(xiàn)場透水路面區(qū)域的水監(jiān)測數(shù)據(jù)修正模型，研究表明，無論是大、中、小型的降雨，透水路面均可有效降低地面徑流，同時在暴雨條件下，出口洪峰甚至可減少60%以上.郭效琛等[6]提出采用監(jiān)測數(shù)據(jù)+數(shù)值模擬的方法對透水路面的效果進行預測，通過數(shù)據(jù)不僅可以計算徑流控制率，還可以提高模型的準確性，研究結(jié)果表明該方法提高了分析模型的科學性，有利于海綿城市效果的定量評價.姜成等[7]通過實驗方法對骨料粒徑、孔隙率、堵塞物三個因素開展研究.研究結(jié)果表明：4.75～9.50 mm單級配骨料的透水混凝土的綜合性能最好；透水系數(shù)和孔隙率呈現(xiàn)正相關(guān)，并且服從冪函數(shù)關(guān)系；0～2.36 mm范圍全粒徑級配的砂礫產(chǎn)生堵塞效應(yīng)，從而造成透水性大幅度下降.肖鑫等[8]提出目標孔隙率應(yīng)滿足耐久性要求前提下，防止或減少路表徑流.目標孔隙率通過滲透系數(shù)、降雨強度、路面參數(shù)綜合確定.同時通過建立數(shù)值分析模型，研究得出面層厚度、坡度、滲流路徑長度可降低路表徑流的結(jié)論.魏漢林等[9]為了分析透水路面的淤堵規(guī)律，自主研發(fā)淤堵滲透測試儀，開展室內(nèi)試驗研究，研究表明隨著時間推移，滲透系數(shù)不斷下降，與時間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系.下降過程為先快速下降，下降速率放緩，最終趨于穩(wěn)定.同時通過對比清洗前后的滲透系數(shù)，表明采用吸力或機械打掃后的透水路面其淤堵現(xiàn)象得以緩解，滲透系數(shù)回升明顯.

縱觀現(xiàn)階段的研究雖取得一定成果，初步解決材料選擇問題[10-11]，但研究主要集中于材料孔隙率與滲透系數(shù)之間關(guān)系[12-13]，對整個透水路面的非飽和滲流研究甚少.鑒于此，開展不同降雨強度下的透水路面的滲流分析研究，可明確透水路面的非飽和滲流規(guī)律，同時為透水路面設(shè)計和雨水控制的效果評價提供理論依據(jù).

1 多孔介質(zhì)非飽和滲流理論

多孔介質(zhì)非飽和狀態(tài)下包含空氣和雨水，可以體積含水量和飽和度表示其內(nèi)部空隙情況.

(1)

(2)

其中：V為多孔介質(zhì)表征體元體(Representative Elementary Volume,簡稱REV)的總體積;Vw為多孔介質(zhì)表征體元體內(nèi)水的體積;V為多孔介質(zhì)表征體元體內(nèi)空隙的體積;n為孔隙率.

由此可知體積含水量與飽和度兩者之間關(guān)系為

θ=nSw

(3)

水在多孔介質(zhì)的流動符合達西定律，在非穩(wěn)態(tài)流中滲透系數(shù)隨時間變化，數(shù)值模擬降雨入滲透水路面的過程是飽和-非飽和的滲流過程，其控制方程為

(4)

其中：H為模型單元內(nèi)總水頭;kx為x方向的滲透系數(shù);ky為y方向的滲透系數(shù);Q為外部流量邊界條件(例如降雨等)，Θ為體積含水量.

從此方程可知，進入和流出單元的流量差等于此單元內(nèi)含水量的變化.在非飽和滲流過程其體積含水量以及滲透系數(shù)均隨著基質(zhì)吸力的變化而變化，本文計算模擬的材料的土水特性曲線主要依靠Van Genuchten模型[14]，其主要計算方程如下：

(5)

其中：Θw為體積含水量;Θs為飽和體積含水量;Ψ為負孔隙水壓力;a,n,m為曲線擬合參數(shù)(注意:a的單位是壓力單位，在這個方程中并不是水頭壓力的倒數(shù)).N為改變函數(shù)斜率的軸點.m為影響函數(shù)曲線進入平緩段的斜率.

2 數(shù)值分析模型的建立

2.1 數(shù)值模型

有限元分析模型如圖1 所示，采用透水路面常用路面結(jié)構(gòu)形式[15]，路表橫向坡度為2%，路面結(jié)構(gòu)從上至下為透水面層(10 cm)，透水基層(10 cm)、底基層(20 cm)、路基(4.6 m).透水路面面層采用厚度為10 cm透水瀝青混凝土；透水基層采用厚度為10 cm的大孔隙瀝青穩(wěn)定碎石；底基層采厚度為20 cm的級配碎石；路基采用粉質(zhì)砂土，厚度為4.6m.有限元分析模型的地下水位位于地下5 m處，與模型的路基底部齊平.

圖1 透水路面數(shù)值分析模型

2.2 邊界及材料特性

本文數(shù)值分析的降雨強度為每小時25 mm并且持續(xù)1 h，降雨停止后繼續(xù)監(jiān)測各結(jié)構(gòu)層孔壓變化3 h.在路表施加流量邊界，大小為降雨強度，模型底部和左側(cè)則采用零流量邊界，其余為不透水邊界.本文數(shù)值模擬分析瞬態(tài)情況下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的飽和-非飽和滲流情況.在材料處于非飽和狀態(tài)下，材料的水力性質(zhì)不再為常數(shù)而是與基質(zhì)吸力相關(guān)，因此數(shù)值模擬過程需要輸入非飽和參數(shù)曲線即材料的土水特征曲線以及滲透系數(shù)函數(shù).嚴格的非飽和參數(shù)曲線測試試驗需要耗費大量時間并產(chǎn)生大量的費用，本文土水特征曲線以及滲透系數(shù)函數(shù)的獲取均采用上文所介紹的Van-Genuchten法.具體有限元分析采用的材料參數(shù)如表1所示.

表1 各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 透水路面孔壓變化規(guī)律

分別取面層、基層、底基層的中點作為分析參考點，路基的分析參考點則取在距離底基層底部30 cm處.降雨階段孔隙水壓力變化如圖2所示，降雨開始后透水路面面層和基層快速響應(yīng)，僅用0.15 h孔隙水壓力接近為0，此時面層和基層的接近飽和滲透系數(shù)接近最大，排水能力最強.這是由于透水路面的面層和基層的滲透系數(shù)大于降雨強度，透水路面可快速接受水分.在水分入滲至基層過程，有少量水分入滲至底基層，因此在底基層達到飽和狀態(tài)前，出現(xiàn)兩次小幅度的增長.在0.7 h時大量水分進入至底基層，底基層的孔隙水壓力短時間內(nèi)升高至零點，使得底基層達到飽和狀態(tài).由于透水路面的排水性能強，路基的分析參考點在整個降雨過程中未受到雨水入侵，因此路基的分析參考點孔隙水壓力未發(fā)生變化.

圖2 降雨過程透水路面孔隙水壓力變化

排水階段孔隙水壓力變化如圖3所示，降雨停止的0.3 h內(nèi)透水面層孔隙水壓力首先快速下降至-10 kPa，之后下降速度變緩.基層在降雨后0.3 h內(nèi)孔隙水壓力才出現(xiàn)小幅度下降，這可能是由于在降雨后0.3 h內(nèi)上部面層水分下滲至基層的速率與基層往下下滲的速率相當造成.之后0.45 h基層孔隙較大幅度下降，其原因在于面層下滲至基層的水分大幅度減少，而基層本身水分繼續(xù)下滲至底基層.底基層在降雨停止后的0.8 h內(nèi)仍保持高孔隙水壓力，接受來自上部結(jié)構(gòu)傳遞下的水分.降雨停止0.8 h后，底基層孔隙水壓力大幅度下降，其下降幅度大于面層和基層，其原因在于底基層的孔隙率大于其他兩層，使得其積滯于內(nèi)部的水分較少，更多的水分通過側(cè)向排水排出路面結(jié)構(gòu).

圖3 停止降雨后透水路面孔隙水壓力變化

3.2 不同降雨強度下孔壓分析

本文對比分析傳統(tǒng)道路和透水路面，在大雨和小雨條件下的滲流規(guī)律.大雨條件下的降雨強度為25 mm/h，小雨條件下的降雨強度為5 mm/h.大雨和小雨條件的降雨持續(xù)時間均為1 h.傳統(tǒng)路面自上而下為面層、基層、底基層、路基.面層采用厚度為10 cm的密級配瀝青混凝土；基層采用厚度為10 cm的3%水泥穩(wěn)定碎石；底基層、路基與透水路面一致.

3.2.1 面層的孔壓變化分析

如圖4所示，小雨條件下，傳統(tǒng)道路面層孔壓僅有小幅度的增長，這是由于傳統(tǒng)面層由于滲透系數(shù)低，只有少量的雨水進入的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部.而大雨條件下，傳統(tǒng)道路面層降雨0.4 h后達到孔隙水壓力零點，之后孔隙水壓力繼續(xù)上升在0.5 h達到最大值12 kPa，之后略微下降保持在8 kPa左右.說明在0.4 h后路面出現(xiàn)積水并一直保持至降雨結(jié)束.這是由于傳統(tǒng)道路面層滲透系數(shù)低雨水無法快速進入路面結(jié)構(gòu)，當降雨強度大時,外界增加的水量大于路面所能接收的水量，雨水在面層頂部發(fā)生積滯，產(chǎn)生大量積水嚴重影響行車安全.

圖4 不同降雨強度下面層的孔壓變化對比

相比傳統(tǒng)道路，無論大雨還是小雨條件下透水路面面層的孔隙水壓力響應(yīng)更加快速，大雨狀態(tài)下僅用時0.3 h既達孔隙水壓力零點，這是由于透水路面面層的滲透系數(shù)高，雨水入滲的速率快，使得孔隙水壓力更快發(fā)生響應(yīng).當孔隙水壓力達到零點，面層的滲透系數(shù)也達到最大值，此時有利于雨水向路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲透.以上說明透水路面可快速接收雨水，防止雨水無法被道路接收而出現(xiàn)水分積滯.降雨停止階段，透水路面面層的孔壓下降速率和幅度均大于傳統(tǒng)道路面層，這是由于透水路面的基層和底基層滲透系數(shù)較大，雨停后積滯于面層的水分可順利下滲.

綜上所訴，無論大雨還是小雨條件下傳統(tǒng)道路面層均難以接收水分，降雨強度大時將出現(xiàn)路表積水和徑流，不利于出行的安全.透水路面面層孔壓始終在零點附近波動，未出現(xiàn)繼續(xù)增加至更高孔隙水壓力，也未出現(xiàn)積水.

3.2.2 基層的孔壓變化分析

小雨條件下，傳統(tǒng)道路基層孔壓僅有小幅度的增長，僅有小部分水入滲，未出現(xiàn)飽和狀態(tài).而大雨條件下，傳統(tǒng)道路基層降雨0.5 h后達到孔隙水壓力最大值6.5 kPa，之后孔隙水壓力繼續(xù)回落至0 kPa，此時基層處于飽和狀態(tài).

小雨條件下，透水路面基層孔壓不斷增長，在0.5 h后，孔隙水壓力達到0 kPa，基層處于飽和狀態(tài).說明小雨條件下透水路面仍可接受大量雨水.而大雨條件下，透水路面基層快速響應(yīng)，僅用時0.2 h孔隙水壓力達到0 kPa，基層處于飽和狀態(tài).降雨停止階段，透水路面基層的孔壓下降速率和幅度均更大，這說明降雨停止后積滯于基層的水分可順利排出.

綜上所訴，無論大雨還是小雨條件下，雨水均能順利到達基層，使得透水路面基層達到飽和狀態(tài).同時大雨條件下透水路面基層的響應(yīng)更快，比小雨強度下的基層飽和時間提前了0.3 h.而傳統(tǒng)道路基層只有在大雨條件下才能達到飽和狀態(tài)，大部分時間處于非飽和狀態(tài).見圖5.

圖5 不同降雨強度下基層的孔壓變化對比

3.2.3 底基層的孔壓變化分析

大雨條件下，透水路面在水分從面層入滲過程中伴隨少量水分入滲至底基層，在0.1 h時孔隙水壓力開始增長，在0.7 h時大量水分進入至底基層，使得底基層達到飽和狀態(tài).傳統(tǒng)道路底基層的孔隙水壓力在降雨后0.5 h才開始快速增加，相比透水路面底基層，傳統(tǒng)道路底基層的孔隙水壓力開始增長時間點較晚.小雨狀態(tài)下無論是透水路面還是傳統(tǒng)道路其孔隙水壓力均不變，說明小雨狀態(tài)下水分未入滲至底基層.傳統(tǒng)道路主要依靠面層的低滲透性，降低了水分的入滲率，從而讓水分未抵達底基層.而透水路面則依靠面層和基層的高滲透性將水分及時排出，從而出現(xiàn)水分到達底基層.降雨停止階段，透水路面底基層的孔壓下降速率和幅度均更大，這是由于透水路面透系數(shù)較大，雨停后積滯于底基面的水分可順利排出.見圖6.

圖6 不同降雨強度下底基層的孔壓變化對比

4 結(jié) 論

本文研究了在降雨條件下透水路面的孔隙水壓力變化規(guī)律，利用數(shù)值分析方法建立有限元分析模型，基于非飽和滲流理論研究在不同降雨強度下道路各位置的孔隙水壓力變化規(guī)律.得出以下結(jié)論：

1) 透水路面的面層和基層可快速參與道路內(nèi)部排水，孔壓數(shù)據(jù)表明在降雨開始后0.15 h水分，大量雨水進入透水路面面層和基層，隨后進入底基層并使該層達到飽和狀態(tài)；降雨結(jié)束后，面層的孔壓最先快速下降，底基層孔壓下降幅度則最大.

2)無論在大雨還是小雨條件下，傳統(tǒng)道路面層均難以接收水分，降雨強度大時將傳統(tǒng)道路出現(xiàn)路表積水和徑流，不利于出行的安全.透水路面面層孔壓始終在零點附近波動，未出現(xiàn)積水現(xiàn)象.

3)透水路面在不同降雨強度下，雨水均能順利到達基層，使得透水路面基層達到飽和狀態(tài)，從而保證基層快速參與道路排水.同時大雨條件下透水路面的基層響應(yīng)更快，比小雨強度下基層的飽和時間提前了0.3 h.而傳統(tǒng)道路基層只有在大雨條件下才能達到飽和狀態(tài)，大部分時間處于非飽和狀態(tài)，未能有效幫助道路排水.