透水路面渗透及降温效果研究进展

摘要：指出了随着城市化的不断扩张，传统硬质地面加剧城市热岛效应、城市洪涝也随之频发，透水路面因其可以增加城市可渗透下垫面面积、削减雨水径流、缓解城市热岛效应而成为当今的研究热点。以透水路面为研究对象，综述了近年来国内外研究学者关于透水路面渗透及蒸发降温效果影响的研究现状，并展望了未来的研究方向。

关键词：透水路面;渗透排水;蒸发降温;降雨强度

中图分类号：U416.2

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（ 2019） 24-0225-02

1 引言

随着城市化不断发展，城市绿地面积减少和不可渗透下垫面面积增加，这一定程度上破坏了自然生态，造成了城市热岛效应和洪涝灾害。透水路面对降雨具有吸纳、渗透和滞蓄的海绵效应[1]，在此基础上对传统硬质道路进行改造使其更适应城市户外建设的要求，在增加城市可渗透下垫面面积、削减雨水径流峰值、缓解城市热岛效应等方面发挥着重要作用。

2 透水路面概述

透水路面是指利用透水材料和透水结构让一部分雨水渗透至土壤和地下水中，另一部分保留在材料基体或径流通过管网系统排放的铺筑材料，可有效提高路面渗透率，减小排水管网的压力，削弱路面径流峰值。本文参考常见的透水路面代表类型，根据其透水原理形式，主要分为以下四类：渗透路面、保水路面、缝隙型透水路面和格栅型透水路面[2，3]。

3 研究现状

早在1970年初.美国佛罗里达州和东南部各州就最先应用上了透水路面，同一时期的日本也设立了透水铺装试验区[4]。国外学者，对于透水铺装和透水路面的研究开展得较早，其成果也较为丰富，我国学者们更多关注透水路面的结构设计、机理与性能研究方面。

3.1 影响渗透效果研究现状

合理设置透水材料配比和路面結构可以有效提高路面渗透率，削弱地表径流峰值从而达到海绵城市建设目标。透水路面的面层材料和路面结构是影响渗透效果的最主要因素。Jennifer Faleyeux等[5]对不同透水铺装产品进行了透水特性测试，结果显示在路面试件饱水情况下，对比8 cm厚多孔混凝土自透水路面砖、10 cm厚混凝土路面砖和10 cm厚混凝土植草砖，10 cm厚混凝土路面砖的平均透水率最佳。Neithalath，Lian C等[6，7]提出透水混凝土的透水系数与孔隙率两者趋于正相关。

利用不同的雨强反映不同地区的降雨条件特点，在不同地域条件下学者们设置不同降雨强度进行透水路面的渗透效果测试。汪鸿山[8]建立了透水性沥青路面的雨水渗流模拟模型，采用模拟方法研究了降雨强度对透水性沥青路面雨水渗流的影响规律。研究结果表明，雨型对透水性沥青路面渗透性能的影响比较明显，并且I型雨型（降雨强度为18.8 mm/h）时透水性沥青路面渗透速率明显大于其他雨型的。张阳维等[9]对3种透水条件、3种降雨强度（0.8 mm/min、1.3 mm/min、2.9mm/min）及系列坡度组合下进行人工降雨径流过程试验，结果发现雨强与稳渗率之间仍可用幂函数加以描述，雨强越大稳渗率增加越快。

3.2 影响降温效果研究现状

不同的面层材料主要通过孔隙率和光反射率来影响透水路面的降温效果，而与普通传统密实级配路面相比有明显的降温效果。蒋甫[10]采用ANSYS研究了热传导和热对流共同作用下的透水性沥青路面的降温效果，研究结果表明透水性沥青路面降温效果与其空隙率呈正线性关系。Junsong Wang等[11]对烧结陶瓷多孔砖（CB）和开级配透水混凝土（PC）做成的人行道模块进行蒸发冷却效果研究发现材料的吸水能力对透水材料的蒸发冷却效果有重要影响，日间喷淋后CB-W的表面温度降低了10℃，而PC-W降低了5℃。Starke P等[12]通过一系列的不同石料级配和基层厚度的透水路面进行蒸发率的实验分析，发现使用相同材料的不同级配对蒸发率没有显著影响，而双层基层厚度的透水路面比均质单基层厚度的透水路面减少了16%的蒸发率。

针对透水路面的降温原理分析，路面孔隙内水分蒸发是最主要的降温机理之一。透水路面的降温效果主要通过孔隙热对流和孔隙含水蒸发吸热进行的。YongLiu等[13]比较了蒸发增强透水路面和常规透水路面的蒸发降温效果，结果表明毛细管柱对提高水从底部到表面的蒸发具有重要作用，蒸发增强透水路面比常规透水

3.3 数值模拟步骤

模型模拟的施工阶段主要包括以下5个阶段，即地下车库基坑开挖、通道明挖段基坑开挖、通道暗挖段开挖、通道明挖部分主体结构浇筑和车库基础施工及施加车库荷载。

模型具体实施步骤分以下8步进行：第一步：初始应力分析，再位移清零，计算得到模型的初始应力场;第二步：区间隧道开挖及区间结构施工，应力、位移场计算;第三步：位移清零，实现已建隧道模拟;第四步：地下车库基坑开挖，位移、应力场计算;第五步：通道明挖段基坑开挖，位移、应力场计算;第六步：通道暗挖段开挖，位移、应力场计算;第七步：通道明挖部分主体结构浇注，应力、位移场计算。第八步：车库基础施工及施加车库荷载，应力、位移场计算。

4 模拟结果

数值模拟的结果主要分析基坑开挖及地下车库等建构筑的修建对已建隧道衬砌纵向位移、横向位移和竖向位移的影响。

4.1 隧道衬砌竖向位移

项目各个施工阶段引起的隧道衬砌竖向位移见表2。

由表2中得知，项目的前3个施工阶段，即（a）、（b）和（c）阶段，随着岩土体的不断开挖，基坑会发生不断卸荷，引起基坑回弹，进而引起下方隧道衬砌发生回弹，但由于通道暗挖段_[程量远小于通道明挖段工程量，所以前者开挖引起的位移相比于后者无明显变化。（d）、（e）阶段，由于结构荷载的施加，隧道衬砌竖向位移有明显减小。根据规范[5]轨道交通隧道的竖向位移控制值不得大于20 mm，而项目中隧道衬砌最大竖向位移仅达到4. 34 mm，所以竖向位移远满足规范要求。

4.2 隧道衬砌横向位移

项目各个施工阶段情况下所引起的隧道衬砌横向位移见表3。

由表3中得知，项目的前三个施工阶段，即（a）、（b）和（c）阶段，随着岩土体的不断开挖，引起下方隧道衬砌的横向位移增加，但由于通道暗挖段工程量远小于通道明挖段工程量，所以前者开挖引起的位移相比于后者无明显变化。（d）、（e）阶段，由于结构荷载的施加，隧道衬砌横向位移有明显减小。根据规范[5]轨道交通隧道的横向位移控制值不得大于20 mm，而项目中隧道衬砌最大横向位移仅为1. 03 mm，所以横向位移远满足规范要求。

4.3 隧道衬砌纵向位移

项目各个施工阶段所引起的隧道衬砌纵向位移见表4。

由表4中得知，项目的前3个施工阶段，即（a）、（b）和（c）阶段，随着岩土体的不断开挖，基坑会发生不断卸荷，引起基坑回弹的同时，进而引起下方隧道衬砌产生纵向位移，但由于通道暗挖段工程量远小于通道明挖段工程量，所以前者开挖引起的位移相比于后者无明显变化。（d）、（e）階段，由于结构荷载的施加，隧道衬砌纵向位移有明显减小。根据规范[5]轨道交通隧道的变形相对曲率控制值不得大于1/2500，该处发生的最大纵向位移仅为1. 835 mm，其对应的变形相对曲率无限小，所以满足该要求。

通过前面对隧道衬砌发生的最大竖向位移、最大横向位移和最大纵向位移的分析，可以看出，项目施工对隧道产生最大位移的阶段都是在项目的通道暗挖段基坑开挖阶段，并且所产生的位移均满足相关规范的要求，所以基坑开挖不会影响下方临近轨道的正常运行。

5 结论及建议

通过对该项目在实施前进行三维数值模拟，得出以下结论。

（1）项目施工过程中，理论上在通道暗挖段基坑开挖阶段引起隧道衬砌产生最大位移，但由于通道暗挖段的工程量相比于通道明挖段的工程量较小，所以在位移的数值上，前者无明显变化。

（2）基坑开挖及建构筑物荷载施加对隧道产生的位移，均满足现行规范要求，所以项目施工过程中，对隧道产生的影响不会影响到隧道的正常运行;但为了安全起见，建议在项目施工过程中，应采取对隧道保护的安全施工措施。

（3）模拟过程中，没有考虑基坑开挖抽取地下水对隧道衬砌的影响，后期的研究可以对其予以考虑。

参考文献：

[l]戚科骏，王旭东，蒋 刚，等.临近地铁隧道的深基坑开挖分析[J].岩石力学与工程学报，2005，24（S2）：5485-5489.

[2]姜向红，乔恒昌，在运营的地铁隧道上方进行大面积基坑施工[J].上海建设科技，2007（6）：29～31，37.

[3]刘国彬，黄院雄，侯学渊，基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践[J].岩石力学与工程学报，2001（2）.

[4]张玉成，杨光华，姚捷，等.基坑开挖卸荷对下方既有地铁隧道影响的数值仿真分析[J].岩土工程学报，2010（SI）：109-115.

[5]中华人民共和国行业标准.CJJ/T 202 - 2013城市轨道交通结构安全保护技术规范[S].北京：中国建筑工业版社，2014.

收稿日期：2019-11-21

作者简介：梁凯云（1994-）.女，硕士研究生，研究方向为透水路面的雨洪管理及降温节能。