透水铺装系统“支撑体”结构及其功能*

罗 冰 唐 颂 郑文苗

(1 西南科技大学城市学院 四川 绵阳 621000)(2 西南科技大学固体废物处理与资源化教育部重点实验室 四川 绵阳 621010)

前言

城市中大面积的地表硬化是城市化的特征之一[1]，不透水铺装改变了土壤、植被和渗透层对水的天然循环属性，加速产生了洪涝灾害及城市热岛效应等一系列问题。另外过量的雨水径流带来的非点源污染，如果排入水体会引起水体危害[2～3]，如过量的营养成分如N、P元素会使水体发生富营养化，金属等污染物会危害水中生物，寻找新型雨洪管理方法和理念是解决这些问题的根本途径。“海绵城市”是通过建设各种生态排水设施，使城市开发建设后的水文特征尽量接近开发建设前，可以有效缓解城市内涝，削减城市径流污染负荷[4]。透水铺装系统属于“海绵城市”理念下的一种重要的源控制技术。透水铺装不仅能够提高雨水渗透到地下的能力，以此减少地表径流量；同时下渗的雨水可以还原大地，促进水的天然循环，对局部生态环境效益的改善和城市雨水利用发挥巨大作用。笔者从透水铺装系统结构形式对雨水径流滞蓄机理、主要功能和结构性能影响等角度出发，结合以往国内外研究成果和工程经验，对铺装系统进行深入总结分析，为其进一步研究提供参考。

1 透水铺装系统结构形式

1.1 常见路面铺装类型

透水铺装也称为渗透铺装，其结构是由一系列与外部空气相连通的多孔形结构组成的骨架，通过合理的铺装基层施工加上高强度的透水技术，具有透水性好、强度高、耐久性强等特点，可以在减少雨水径流的同时满足道路交通使用。对于不同城市路面的地质条件和对其抗压能力、透水性能等要求不同。常见路面铺装系统透水类型包括不透水型、半透水型和全透水型(如图1所示)，铺装结构的特点(如表1所示)。

图1 不透水型，半透水型和全透水型铺装结构图Fig.1 Structural diagram of Impervious type,semi-permeable type And full permeable type

从图1可以看出，不透水型铺装通常要求表面不渗水，其表层结构非常密实不存在孔隙；半透水型铺装结构整个面层含有孔隙结构允许雨水下渗，但是基层材料孔隙率很小，阻止了雨水进一步下渗；全透水型为从面层到路基都含有大量的孔隙结构，雨水可以完全通过并下渗到路基。

表1 常见路面铺装系统区别Tab.1 Differences among common system pavements

从表1可以看出，不同铺装类型的性能差异，在进行道路铺装时应该综合考虑，保证透水性和抗压性都满足要求。

1.2 透水铺装结构类型

目前，海绵城市道路建设铺装系统中结构包括透水性混凝土铺装、透水性沥青铺装和透水砖铺装[5]。

1.2.1 透水混凝土铺装

透水性混凝土也称多孔混凝土，属于全透水类型，由水泥、特殊添加料、骨料和水经特殊的比例混合而成，具有良好的透水性、蓄水性和通气性，比其他地面铺装材料更优良和生态。其在路面下的结构形式自上到下依次为面层、找平层、基层、底基层、垫层[6]。该铺装可将雨水渗透至路基或是周围的土壤中加以储存，多数应用于园林绿地、公园和球场等负载较小地方；另外，针对不同区域的降雨水平，可适当增加附属排水系统，联通市政管网或蓄水系统。其主要应用于道路、通道、人行道和广场等道路承载较大的地段。具体透水混凝土铺装示意图如图2所示。

(a)结构图 (b)示意图

图2透水混凝土铺装图
Fig.2Pervious concrete pavement

表2透水混凝土铺装各结构功能

Tab.2The function of every structure of pervious concrete pavement

结构层功 能面层直接承受荷载层, 透水, 主要的净水层, 抗磨, 抗滑基层主要承受荷载层, 渗水, 储水, 净水找平层平托面层、 粘结面层与基层以及保证雨水下渗底基层防止地下水或者深入路基的水因毛细现象上升, 承受荷载, 净水, 渗水,储水垫层防止地下水或者深入路基的水因毛细现象上升, 保持结构系统的稳定性

透水混凝土铺装结构层及其功能如表2所示。

1.2.2 透水沥青铺装

透水性沥青铺装(如图3所示)，透水性沥青属于半透水类型，其路面结构形式与普通的沥青路面相同，只在道路表面层采用透水沥青。该铺装需要在底面层两侧增加排水暗沟，以保证渗水通过路面底面层横向流入两侧的排水暗沟；同时必须在路边设置集水井，使下渗的雨水通过集水井渗透到路基以下，或者统一储存于蓄水池以便于综合利用；而且重点要求地面施工时控制道路的横向坡度，以保证道路的耐久性和安全性。透水性沥青铺装主要适用于园路、广场、人行道等[7]。

(a)结构图 (b)示意图

图3透水性沥青铺装图
Fig.3Porous asphalt pavement

1.2.3 透水砖铺装

透水砖铺装结构层自上而下为透水砖面层、找平层、基层、垫层，透水能力由砖体本身的渗透性和砖体之间的缝隙两部分构成。常用透水砖类型按制作工艺可分为水泥混凝土砖、陶瓷砖以及砂基砖。水泥混凝土砖是通过水泥胶结压制成形；陶瓷砖是通过高温煅烧成形；砂基砖是以天然硅砂为原料，通过高分子粘接剂在常温下固结成形[8]。透水砖铺装常用于小区人行道、景观道路、小区广场等对路面荷载要求较低路段。透水砖在使用过程中，应在满足道路抗压强的基础上，尽量选用透水性能良好的透水砖[9]。图4为透水砖铺装示意图。

(a)结构图 (b)示意图

图4透水砖铺装图
Fig.4Water Permeable Brick pavement

2 透水铺装的功能

2.1 对雨水径流的控制及滞蓄机理

根据以往资料[10]可知，自然生态系统中80% 的雨水能渗透到地下，20%的雨水以地表径流流走。然而随着城市化发展使得硬化地面增大，只有20% 的水能渗透到地下，80% 通过地表径流流走。硬化路面使得地表径流量增加，洪峰流量增加，易造成严重的城市内涝问题。2016年5月，持续数日的暴雨引起的洪涝灾害导致江西省7个市20个县(市、区)26.9万人受灾，2人因灾遇难，直接经济损失2.9亿元[11]。 和传统的硬化道路相比，透水铺装系统可以更有效地减少径流峰值和延长径流排放时间，并使蒸发和表面水溅显著减少。在透水铺装系统的实地检测中，Fassman等[12]发现在延迟径流上，其平均滞后时间达2.4 h，通过多组降雨实验测得其平均降低峰值流量83%。渡边会弘在日本横滨进行道路透水铺装径流控制研究实验中发现，透水性道路铺装可以削减15%～20%的径流洪峰流量[13]。综合国内外大量的研究成果和实践案例发现，透水铺装系统作为生态排水设施，在缓解地表径流方面具有很大的作用。

2.1.1 雨水下渗机理

透水铺装雨水下渗包括两个过程：吸湿过程和传递过程[14]。图5阐释了雨水下渗机理，首先为吸湿过程。因为铺装系统属于多孔结构，具有大量的孔隙，降雨落到地面湿润材料并在固相表面形成薄膜水和吸湿水，同时进入孔隙内形成毛管水；由于材料的毛管势作用，使得间隙内的少量雨水被吸附从而阻止其下渗。其次为传递过程。当持续降落雨水超过了材料的吸附能力后，孔隙中的水会堆积融合形成小水滴，这时雨水会在重力的作用下沿间隙传递到下层材料表面，如此作用完成雨水的下渗。

2.1.2 降雨产流模式

透水铺装降雨产流包括“蓄满产流”和“超渗产流”两种基本模式[15]。当铺装材料孔隙较大时，雨水能沿着孔隙源源不断地下渗到达地基，只有当结构内部孔隙被雨水填充满，后续的降雨才会形成径流，此降雨模式为“蓄满产流”，在这种模式下，地表径流量和次降雨量的关系与降雨强度无关。而当铺装材料的孔隙较小时，受到强降雨后，雨水下渗的速度小于降雨速度时即在雨水未将孔隙完全填充满就形成了径流，此模式为“超渗产流”，在该模式下，地表径流量次降雨量的关系与降雨的强度相关。在目前一般的铺装系统中，土基层以上部分孔隙较大，形成“蓄满产流”，土基层由于受挤压使得内部结构硬化，孔隙率和孔隙大小都很小，因此在此部分形成“超渗产流”。综上可得，透水铺装地面为垂直型产流模式。其产流模式关系如图6所示。

图5 雨水下渗机理Fig.5 Mechanism of rainwater infiltration

图6 降雨产流模式Fig.6 Model of rainfall runoff

2.2 对雨水径流污染物的去除

由于透水铺装孔隙率较大，使得其对下渗的雨水具有过滤吸附作用。有关实验表明，透水铺装系统对COD，TN，TSS，N和P都具有一定的去除能力[16]。除此之外，Kellems等[17]通过对铺装材料分析发现，使用有机过滤介质是一种有效的替代化学处理雨水污染物的方式，过滤通过特定的吸附剂有机介质可以去除95%溶解的铜和锌，因此可以降解大部分的金属污染物。但是并不是所有的混合掺料铺装都能捕获溶解的重金属，渗透路面必须要有一个合适的填缝，否则金属会穿过它并可能进入地下水资源，引起水源污染。

2.3 对城市气温的调节

随着城市化进程的推进，城市中大量密集建筑物涌现，绿色植被削减以及地表的硬化等问题使得城市具有高吸热量和低容热量的特点。太阳辐射使地表温度迅速升高并向大气中辐射热量，造成城市温度异常，诸如“城市热岛效应”等问题。透水铺装“支撑体”由于具有大孔隙率和蓄水能力，可以将一部分太阳辐射热吸收，同时系统内部水分以蒸发形式进入大气，起到调节气温的作用。

2.4 吸声降噪

有研究表明：透水铺装具有显著的吸声降噪作用。Bhutta，K Tsuruta等在对于透水铺装性能评价时提到，声能通过透水混凝土多孔结构时，由于摩擦和粘滞阻力会使一部分声能转化为热能，因此削弱了声波能量[18]。透水再生混凝土孔隙率与吸声特性存在联系，经过测量多组不同孔隙率铺装结构吸声量实验发现，铺装孔隙率为25%时，吸声效果较好[19～20]。

3 透水铺装性能的影响因素

3.1 骨料级配

级配，是将粗细不同的粒径按照一定的比例组合搭配在一起，以达到较高的密实程度，砂颗粒级配反映空隙率大小。根据搭配的不同，可以将砂颗粒碎石材料分为骨架空隙结构、骨架密实结构和悬浮密实结构[21]。

图7 碎石材料三种级配结构Fig.7 The internal pore structure of support system

如图7所示，骨架孔隙结构主要由粗集料相互接触，嵌入形成骨架，含有很少的细集料，其孔隙率大，透水性能好，但是由于缺乏细集料的润滑粘结作用，在施工过程中难以被压实；骨架密实结构有粗细集料混合接触镶嵌形成骨架，其孔隙率一般，透水性较好，施工中也易被压实；悬浮密实结构含有大量细集料和少许粗集料，大部分细集料相互接触使得其密实程度很高，导致孔隙率低，透水性较差，但施工中最易被压实。碎石材料有效孔隙率和抗压强度是一对对立性能，因而悬浮密实结构抗压性能很好；其次为骨架密实结构；最后为骨架空隙结构。在实际铺装中，应该综合考虑透水性和抗压性以及施工的难易程度等因素，选择合理的骨料级配方式。

3.2 梯度性能

梯度性能指功能梯度材料的化学构成、微观结构和原子排列由一侧向另一侧呈连续梯度变化，使材料力学特性向某一方向呈梯度变化。一般的透水铺装路面经过长时间的雨水冲刷，其携带的砂石、灰尘等细小异物会堆积并堵塞空隙，使透水铺装系统失去了透水能力。因此可以结合梯度性能理论对透水铺装系统进行设计，使其具有外部坚韧，内部疏松多孔特点，这样可以使透水铺装系统保持良好的透水性能。

3.3 土基结构

整个透水铺装“支撑体”系统底部的土基，在常年累月挤压作用下，其密度越来越大，透水性能随之降低。若铺装材料底部无雨水收集设施(穿孔管)，土基的渗水能力将直接决定整个系统的透水能力，因此在铺装施工前，应根据不同地理位置对道路抗压性能、透水性能的需求采取相应的铺装材料，如可以在土基中增加含沙量等孔隙多且不易受压力影响的稳定性材料。

4 总结与展望

透水铺装系统是一套对城市雨洪调控的重要技术，在城市强降雨情况下可起到吸收、过滤、储存作用，不仅可以通过缓慢渗透作用将雨水渗透到地底层，大大解决了因道路硬化而出现的无法下渗导致大流量地表径流等问题，而且对城市非点源污染起到很好控制作用。