基于人工降雨的透水装置透水性能的研究

姚 晨，顾乐瑶，罗 洋，贺 勤，周昱含

(西南石油大学 土木工程与测绘学院，四川 成都 610500)

0 前 言

随着城镇化的迅猛推进，城市内涝防治成为了防灾减灾的重要课题，以成都为例，2020年以来受强降雨的影响，金堂县等15个区(市、县)不同程度受灾，以城镇内涝、城市积水等灾害为主全市直接经济损失达37亿元。停车场作为城市地表的一部分，是现代社会城市中缺一不可的交通设施之一，然而传统的停车场透水能力较差，因此，对透水停车场的研究迫在眉睫，本项目主要针对此问题展开研究，对原有普通透水停车场进行改进。

虽然现在国内外对透水铺装的研究很多，比如美国北卡罗莱纳州立大学研究发现透水铺装的水纹特征受多方面因素影响；科罗拉多大学研究发现透水混凝土在一定程度上可控制路面积水，但地基入渗速度也会影响其效果；等等。但仍存在很多问题，现有研究表明当前对透水铺装的研究大多注重于排水路面的研究，涉及透水停车场的较少，城市各部分透水能力的提升需求依然迫切，且透水停车场随着城市的发展，对城市发展至关重要，在排水路面的研究基础上进行透水停车场的研究将获得更大的更远的应用。

“透水停车场”实验项目在大量的理论分析和实验基础上，实验选出在不同的降雨强度、降雨时间、降雨方式下，通过不同的透水结构、面层基层的材料厚度、透水材料，得出铺装的最佳配比和透水结构，为实际修建停车场提供重要的理论依据，在理论创新方面，本实验考虑了降雨时长以及降雨强度对降雨实验的影响，在技术创新方面，相较于普通停车场，本实验在面层增加植草空腔，在美化环境的同时利用植物的根部含水透水，在材料方面，引入了新的透水材料增加其排水能力和储水能力，在安装方面，也选择了新的导排管安装方式，以达到更好的效果。本实验不仅考虑了透水性能的相关功能，也在最大程度上提高了雨水的利用率，降低了城市开发建设对生态环境的影响，在减少不透水地表面积的同时提高城市绿化面积，平衡城市建筑用地和绿化之间的矛盾。

1 实验设计理论

1.1 透水混凝土设计原理

透水混凝土相较之于普通混凝土的最大区别便为其孔隙率，多孔且空穴均匀分布则是其关键，然而过度的孔隙率便会对混凝土本身结构强度造成影响和约束，把握好适当充分的孔隙率才能平衡好透水性能和透水混凝土自身强度的关系。一般而言，透水混凝土的连续孔隙率为20%～30%，而普通混凝土在没有加外加剂的情况下为1%左右，混合加入引气剂后孔隙率为4%～7%。普通混凝土除加入改善性能的外加剂和掺合料外由水泥、砂、石和水所组成，透水混凝土为保持其特殊的透水功能，是由骨料、增强剂、水泥和水拌制而成的一种多孔混凝土,一般不含或少量细骨料。

透水混凝土经过配合比方案的设计，采用以孔隙率为关键的体积法，透水混凝土的骨架为其内部孔隙，其强度由粗集料和包裹在外边的水泥砂浆之间形成的具有粘附力和摩擦力所组成。

1.2 径流削弱效果分析

对于透水停车场的透水性能可用径流总值削弱率来进行量化，从而进一步更加具体地来判别一个透水停车场的更加贴近实际运用价值如何。

径流总值削弱率用下述公式计算：

(1)

式中，μ为径流总值削弱率，%；Vt为透水停车场结构产生的径流总量，mL；Vp为普通停车场结构产生的径流总量，mL。

1.3 产流延迟效果分析

停车场路面产生对日常生活有影响的积水即产生径流，停车场结构路面未产生径流总时长与降雨总时长的之比即为产流延迟，产流延迟对停车场的实际应用有着重要影响。

产流延迟率用下述公式计算：

(2)

式中，γ为产流延迟率，%；Tc为产流时间，min；T为降雨总时长，min。

1.4 下渗与降雨强度的关系分析

在实际降雨情况下很难保证雨水按照某一强度均匀降雨，其强度变化难以预测。降雨和下渗能力的关系直接影响了雨水下渗的变化。在正常条件下，由于降雨的不确定性雨水不可能均能按下渗容量下渗。在下渗容量的概念中，当降雨强度小于下渗能力，雨水进入透水铺装后可以完全下渗，此时下渗过程受降雨强度变化的影响，当降雨强度大于下渗能力时部分雨水下渗、部分雨水溢流下渗过程受下渗能力变化影响。

2 实验过程

2.1 人工降雨实验装置

人工降雨实验装置，装置长630 mm、宽630 mm、高600 mm，整体为钢化玻璃，底部打孔12个直径2 cm，侧面开孔3个20 mm孔，上部布置5个流量在3.5 L/min的喷头，模拟不同的降雨强度的降雨，侧面通过PC管收集地表径流量和渗流量。

2.2 透水混凝土和普通混凝土制作

本实验分别制作C25型普通混凝土砖与透水混凝土砖，从而进行对比。

普通混凝土的原料有42.5普通硅酸水泥，3～8 mm碎石，砂和清洁用水。配合比1∶ 3.17∶ 1.42∶ 0.44。在实验制作过程中，先将水泥均匀铺开，将砂子倒入混凝土搅拌机中进行搅拌，在水泥和沙子混合均匀后加水并搅拌，最后投入碎石再搅拌3～5 min，使石子与灰浆全部调匀。再将拌制好的混凝土填入模具中并振平。最后将塑料薄膜覆盖在上面放入养护箱中进行养护10 d。

透水混凝土采用与普通混凝土相同的水泥与碎石，在此基础上增加了新型透水混凝土增强剂专用SR型，配合比为1∶ 5.5∶ 0.05∶ 0.43。水泥量为5%搅拌时先投入水泥、碎石与50%的水搅拌30 s，然后投入增强剂搅拌60 s，再加入剩余的水搅拌120 s。出料后将其填入模具中并轻微振平，避免影响其孔隙率。最后放入养护箱中进行养护。其中透水混凝土拆模时间要短于普通混凝土，为避免水分大量蒸发，因此在拆模后还要对其进行洒水养护，实验中用压力较小的喷头对其洒水养护7 d。

2.3 普通停车场和透水停车场的结构设计

停车场模拟结构装置各结构层按照实际容器结构大小，按规范要求铺设，混凝土面层侧面设有1个直径为15 mm均匀出水口，钢模底部有9个直径为15 mm均匀出水口，底部出水口上方铺有透水土工布防止透水停车场基层材料从孔中掉落。

停车场底层为还原现实情况中底层土壤情况，最底层为100 mm厚度的实土基层、其上为300 mm级配碎石底基层，级配碎石中均匀插入9根长为300 mm、直径为15 mm的PC塑料管，再上一层为30 mm粗砂找平层，各层之间设有透水土工布。包括实土基层、级配碎石基层，透水停车场透水面层由16块120 mm ×120 mm×120 mm透水混凝土块相隔均匀铺设组成，间隔部分由天然土壤掺加40%人工砂的人工改良土填充，土壤上种植常见植被，植草率约为41.95%。普通停车场路面改由普通混凝土块紧挨均匀铺设组成，其余结构一致。透水停车场底层纵向剖面见图1。

图1 透水停车场底层纵向剖面示意图

2.4 试验方法

通过自行设计的人工模拟降雨装置，控制降雨强度为小雨(1.85 L/min)、中雨(2.2 L/min)、大雨(3.3/min)，模拟降雨时长分别为30、45、60 min时的透水停车场和普通停车场的工作情况。

调试好模拟降雨器后，首先测定人工降雨装置的喷淋雨量是否为设计雨强，其后启动模拟降雨器。

记录如下数据：①记录透水铺装开始产生路面径流的时间，即产流时间；②收集整个降雨过程中由装置上方出水口出流的水，并测量该部分水的总体积，即径流总量；③分别计算出透水停车场和普通停车场的渗透率，实验思路如图2所示。

图2 实验方案设计思路图

2.5 实验结果及分析(见表1)

表1 实验数据

通过表1可以发现，在相同的降雨时间下，透水停车场的产流时间远大于普通停车场，并且在大雨情况下尤为显著。这一结论可以延长人们应对突发暴雨所采取措施的时间，从而减少此类自然灾害所造成的损失。

从总体分析两种面层在不同降雨时间下的径流总量,可以得到透水面层在各个降雨情况下大大减少了停车场的径流总量。这不仅可以更好地解决路面积水问题，而且可以加速雨水的循环利用，从而达到更环保的效果。

对比两种面层材料的渗透率可知，透水面层的渗透率远大于普通面层,并且这类透水材料在制作工艺上相对简单，成本较其他新型材料低，这对于城市停车场建设提供了一个新的方向：可以考虑利用该面层的材料来增加其防灾能力。

3 实验优化

在设计实验结构中没有测试土壤的承重性，应加入钢筋等材料提高结构的承重能力，或可以将放入面层下的钢筋替换为环保型材料钢纤维作为优化，同时，在可承载的情况下可以改变PC管的数量以及直径继续实验，从而进一步完善实验结论。

在进行对比实验时本应通过控制变量法进行，但由于实验结构复杂，在时间有限的情况下只对比了最普通的结构设计。对实验进行优化时，可以从面层材料和管道铺设等方面继续实验，在材料方面可以调查目前地面停车场的面层材料，从而增加对照实验，寻找更好的透水材料。

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