透水砖模拟降雨动态堵塞行为测试装置设计与应用

金雪莉 廖仕乐 朱俊炫 卢任机 李淑晶

（广州番禺职业技术学院建筑工程学院）

1 引言

随着人们对城市生态环境认识的提升，结合国情，我国提出了海绵城市建设的发展思路，2016 年我国海绵城市试点城市达到30 个，海绵城市建设进入快速推进阶段。硬质透水铺装作为海绵城市建设的关键技术，广泛应用于城市轻型荷载道路、广场、步行街、露天停车场等场所，是实现雨水自然渗透到地下的重要手段之一，同时新的绿色建筑评价标准规定硬质铺装地面中透水铺装面积的比例要达到50%，这些要求都促进了城市建设对各类透水砖的需求。

经过几年的大力建设，人们发现透水铺装在使用过程中出现不同情况的堵塞，大大降低了渗透速率，严重影响透水效果。国内外一些研究团队做了相关透水材料堵塞的研究。澳大利亚研究团队T er r y Luc k e[1]用＜300μm 和＜1.18mm的实际雨水沉积物通过透水性路面做了18 个不同降雨速率的试验，研究初始渗透速率与最终渗透速率之间的关系，得出不同粒径的沉积物在不同降雨强度的作用下堵塞程度，该实验测试对象为多块透水砖拼装的透水路面样品，实验结果受透水砖缝隙的干扰。浙江大学崔新壮教授[2]研究极端气候暴雨作用下透水混凝土路面的致命堵塞过程，研发了一种与电导率测试相结合的实时渗透性测试系统，基于该测试系统开展了一系列透水混凝土路面快速堵塞模拟实验。2018年12 月《海绵城市评价标准》发布，要求对关键技术的实效进行严格的验证。对透水砖堵塞行为的研究越来越受到人们的关注。

现有表征材料堵塞行为的方式只有渗透系数的测定，表征方式单一。针对这一问题，本文研究设计了透水砖模拟降雨动态堵塞行为测试装置，一方面，因地制宜，考虑到当地降雨强度和地表雨水中颗粒含量，模拟雨水径流；另一方面，设计实验装置实时记录渗透系数变化过程，并将模拟透水砖堵塞过程的渗透系数变化通过曲线描绘直观呈现，动态分析透水砖堵塞行为。

2 装置设计

2.1 雨水径流模拟

透水砖的堵塞主要由雨水中夹带的细颗粒物形成地面径流渗入透水砖的孔隙导致。本文以硅砂作为堵塞材料进行试验研究。硅砂具有稳定的物化性质，对实验的误差影响较小，是研究粒径堵塞过程非常优良的材料[3]。试验中水与硅砂混合物经水泵增压恒压通过多孔喷头均匀洒于试件表面，用于模拟降雨过程所造成的雨水径流。实验采用增压泵（型号Q R S25-10，最大流量90L/min，最高扬程10m），同时配合着闸阀控制出水口流量，达到模拟要求的降雨量。为了能模拟雨水及所选级配硅砂能均匀洒在透水砖面，本实验采用300mm×300mm 的淋浴喷头，淋雨喷头正面有144 个小孔，小孔直径为3mm，满足硅砂顺利通过喷头小孔而不造成堵塞。

2.2 测试装置设计

如图1 所示，设计的模拟降雨动态堵塞试验装置由圆桶、搅拌机、增压泵、多孔喷头、阀门、多种管径的P V C水管和载物台等共同组成。

图1 模拟降雨动态堵塞试验装置示意图

2.3 测试原理

基于质量守恒定律的计算标准，渗透系数的计算公

式为：

K=αV/A t

式中，

K——渗透系数；

α——纠正系数（因流量计产生的误差，根据试水

实验提出经验值）；

V——累积流量，即从实验开始至测试时流过砖的

总水量；

A——试件断面面积；

t——试验持续时间，即从实验开始至测试时的时间。

2.4 测试方法

透水砖堵塞实验的测试方法及流程如下：

⑴实验前将透水砖试件的侧面涂抹上凡士林，将透水砖试件放置在滴水收集装置的架空架子上，在透水砖试件与滴水收集装置的缝隙中使用耐候密封胶密封。

⑵使用调节阀调整流速至符合实验要求，在储水圆筒中加入实验所需降雨量，开启搅拌机，再往水中加入本次实验使用的沉积物制成合成雨水。将流量计连接上电脑，确保正常工作。

⑶开启增压泵，打开开关阀门，合成雨水通过模拟降雨喷头均匀落下到透水砖试件的表面，使用电脑对实验产生的数据进行记录。实验一直持续到合成雨水全部通过透水砖试件。

⑷实验结束后，取出透水砖试件，对透水砖试件再次进行定水头法测定渗透系数。收集实验中记录的所有数据，使用自主研发的智能测试系统对数据进行处理。

图2 实验流程示意图

2.5 动态智能数据处理

为了连续实时地记录堵塞过程中渗透系数的变化，在试验装置出水管上安装了一对微型超声波传感器，其通过模数转换器连接电脑。通过微型超声波传感器可测得水的瞬时流速、瞬时流量与累计量并保存在t x t 文档。自主研发的智能数据处理软件可实时处理数据，将渗透系数的变化过程通过曲线描绘呈现出来，对比多组测试结果，并实现和多种设备端的兼容性。

3 实测案例

3.1 测试对象——陶瓷透水砖

图3 陶瓷透水砖样品

表1 细小颗粒物含量测试结果

陶瓷透水砖具有抗压性能好、耐风化、防火好、耐久及色彩丰富，透水性能好等特点，在广州各大广场有大量的铺设。陶瓷透水砖由陶瓷原材料烧结而成，由于其材料和制作工艺的特点，多连通孔隙的结构使得路面具有良好的透水性能。本实验用陶瓷透水砖样品的规格为300mm×300mm×55mm。

3.2 应用区域——广州市

3.2.1 广州市雨水颗粒物分析

⑴样品细小颗粒物粒径分布测试。

参考G B/T 19077-2016，用水相湿法分析细小颗粒物粒径。将选定样品倒入液体石蜡中，在超声波清洗器中振荡分散10min，置于铜网上，用马尔文激光粒度仪（Mast er si z er 3000）进行细小颗粒物粒径分析。

图4 细小颗粒物粒径分布

图5 雨水样品

图4 是三个雨水样品的细小颗粒物粒径检测报告，三份检测报告的颗粒粒径分布非常接近。约10%颗粒尺寸小于13μm（D10=13μm），颗粒尺寸中值约为38μm（D50=38μm），颗粒尺寸大于114μm（D90=114μm）约占10%。

⑵样品细小颗粒物含量测试。

将雨水细小颗粒物样品摇匀倒入干燥后的烧杯，用湿润的滤纸盖住不规则的烧杯口，防止干燥时微小颗粒物随水蒸气跑出烧杯外，影响实验精度。干燥箱采用电热鼓风干燥箱X M TD-2100，调节恒温温度105℃，直至肉眼判断水分被烘干，打开干燥箱自然降温，待干燥箱温度接近室温即可取出称量，称量完毕，再次将装有细小颗粒物的烧杯放入干燥箱干燥30min 后称量，多次操作直至质量数值不再变化。细小颗粒物含量测试结果见表1，由于样品取自不同的广场，地面洁净程度不同，因此总细小颗粒物含量有差别，根据现场判断广场的清洁程度，本次实验研究选择雨水细小颗粒物含量为0.484g/L。

3.2.2 人工雨水径流

根据尺寸分布将硅砂筛分法筛分为细砂、粗砂和全级配砂。3 种不同颗粒砂级配如表2 所示，本文中级配砂为质量百分比；根据干燥恒重法将地表雨水样品置入电热鼓风干燥箱X M TD-2100 干燥，确定出一年沉积物在样品中的浓度为0.484g/L(在237L 水中含114.7g 悬浮沉积物)。

表2 人工雨水径流颗粒级配

3.3 测试结果及分析

3.3.1 重复实验的误差分析

图6 是对三个陶瓷透水砖样品T C1、T C2 和T C3 分别做三次无雨水杂质状态下的渗透系数实验后的数据对比。根据图中数据计算，三块样品渗透系数测试结果平均值分别为0.0766、0.0638、0.0607cm·s-1，三个样品三次测试的数据均有不同，测试结果的重复性误差和变异性误差分别为4.1227 和10.8041。结果表明：重复性实验数据有差异，但是差异较小，在可接受范围内；测试样品有差异，这是由于渗透系数受孔隙迂回度、孔径尺寸及开放孔隙率等多种因素影响[4]，且透水材料实际制作过程较粗糙，造成了材料孔隙特征参数离散性较大。

图6 陶瓷透水砖渗透实验结果

3.3.2 不同级配硅砂对透水砖堵塞行为的影响

使用变水头法测量三块透水砖的动态堵塞过程，其渗透系数有相似的变化之处。编号不同的砖对应不同级配硅砂模拟的降雨加速实验：T C4 对应全级配砂堵塞，T C5 对应细砂堵塞，T C6 对应粗砂堵塞。以T C4 模拟加速降雨实验的曲线特性为例（全级配砂），水从砖体连通孔隙穿过并通过超声波流量探测仪时可以发现，陶瓷透水砖渗透系数先是快速降低（第一阶段），然后缓慢降低（第二阶段），继而渐进降低（第三阶段）。以T C5 模拟降雨加速实验的曲线（细级配砂）和T C6 模拟加速降雨实验的曲线（粗级配砂）相比较，细级配砂进入快速堵塞过程要比粗砂快，而全级配砂要比细级配砂更快进入渐进堵塞阶段；反观粗级配砂发展快速堵塞过程要比细级配砂与全级配砂所需的时间相对较长，并且更慢进入渐进堵塞阶段。

由此，可以得到以下结论：在模拟加速降雨实验时，全级配砂随水更容易进入实验砖体内部，造成孔隙填空式堵塞，水形成较小紊流状态，细砂粒径≤75μm，含有一定量的粘土颗粒，在受潮时会产生相互吸引力，颗粒物聚集在一起，填补了粗砂堵塞的孔隙，因此全级配砂堵塞模型曲线快速堵塞过程发展迅速；同理，粗砂虽没粘聚性，但是粗级配砂最大粒径颗粒物仍然能穿过透水砖表面进入透水砖内部造成堵塞，因此粗级配砂堵塞模型曲线中快速堵塞过程发展时间相对较长。

3.3.3 降雨强度对透水砖堵塞行为的影响

图7 不同级配硅砂对渗透系数的影响

图8 不同降雨强度对渗透系数的影响

编号不同的砖对应不同降雨强度的模拟降雨加速实验：T C7 对应4h 的降雨强度，T C8 对应2h 的降雨强度。图8 表明：随着实验持续时间的延长，表面渗透率变化的幅度减缓。实验进行2h 降雨强度，观察到初始渗透速率和最终渗透速率之间的变化为56%，完成了等效渗透速率为1317mm/h 的降雨强度等，最终水头升高至4cm，堵塞过程分为快速堵塞，缓慢堵塞，渐进堵塞三个阶段；随着试验持续降雨时间增加到4h 左右，观察到初始渗透速率和最终渗透速率之间的变化为35%，完成了等效渗透速率为658.5mm/h 的降雨强度，最终水头升高至6.5cm，堵塞过程分为快速堵塞，缓慢堵塞，堵塞恢复，渐进堵塞四个阶段。

图8 可以清楚表明：两块实验砖本身渗透系数都在0.38～0.5cm/s 范围，但在不同降雨强度下透水系数变化截然不同。2h 虽然经历了快速堵塞，但是透水砖性能只是减半；而4h 降雨强度不大，但降雨时间长，透水砖性能损失严重。因此得出以下结论：在2h 较短时间里，施加较大降雨强度可能会在透水砖内形成较大的紊流状态，这可能使硅砂更容易通过透水砖内部连通孔隙，达到透水砖自清理的效果；而4h 较长时间里，施加较小降雨量可能因积水时间较长，硅砂更充分地附着在透水砖内部连通孔隙，从而改变了透水砖的堵塞机理，在做完2h 降雨强度实验后清理模拟降雨动态堵塞试验装置承载台排水口发现残留一定量的硅砂，这一现象也证明了这一点。

4 总结

⑴本文针对海绵城市建设的关键技术--透水铺装材料的实效验证，研究设计了透水砖模拟降雨动态堵塞行为测试装置，用于表征含颗粒物雨水径流作用下透水砖的渗透系数变化曲线，动态分析透水砖堵塞行为。

⑵以陶瓷透水砖为实测样本，进行了重复实验误差分析、不同级配硅砂和降雨强度对陶瓷透水砖堵塞行为的影响分析。结果发现全级配砂堵塞是造成透水砖堵塞的主要原因，同时发现透水砖表面长期沉积的颗粒物是造成透水砖严重堵塞的重要原因，说明定期对透水砖表面进行清洁的重要性。●