海绵城市透水路面渗水仪改进设计

崔咏军，陈满军

（昆山市建设工程质量检测中心，江苏 昆山 215337）

0 引 言

海绵城市于《2012 低碳城市与区域发展科技论坛》中被首次提出。2013年12月，中央城镇化工作会议要求，“建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”。海绵城市作为新一代城市雨洪管理概念，是指城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，良好的路面透水性能对建设海绵城市至关重要。透水路面由于其较好的渗水能力，可有效提高雨水利用效率及有效缓解城市热岛效应而得到广泛使用［1-2］。

透水路面的渗透性能以渗透系数表征。目前国内外针对透水路面现场渗透系数测定提出了规范化的测定方法，日本采用道路协会《铺装试验法便览》中的现场透水量试验，美国采用单环或双环渗透变水头试验，我国采用 JTGE 20－2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的渗水试验。张逆［3］对以上几种试验方法进行了比较，发现单环法存在较为明显的尺寸效应，推荐使用现场渗水仪进行渗水量测定的试验方法。我国规范中所推荐的渗水仪全过程需人为操作，在利用秒表计算渗水时间时存在人为误差，并且无法保证测量用水完全通过密封区内圈，测量结果难以真实反映路面的实际渗透系数。因此，本文在研究已有路面渗水仪的原理基础上，通过对其下部结构进行改进，并借助光电液压与单片机技术，实现透水路面渗透系数的快速、准确测定，具有较大的实际应用价值。

1 现有实验装置

1.1 国内规范渗水仪

规范中路面渗水仪形状及尺寸如图1所示。该装置分为上部结构与下部结构，上部为透明有机玻璃制成的具有刻度的盛水量筒，容积为 600 ml，并在 100 ml 及 500 ml 处有粗标线，下方通过 10 mm 的细管与底座相接，中间有一开关。

图1 渗水仪（单位：mm）

该渗水仪需人为操作全过程，肉眼判断水面下降的同时手动开启秒表，此时产生了接收与反应的时间差，导致渗水量与渗水时间的测定存在偏差，渗水系数计算不准确，同时操作过程也较复杂，往往需多人合作。

1.2 日本道路协会现场渗水仪

日本道路协会的现场渗水仪依据的是质量守恒定律。日本的路面渗水仪与我国的大体相似，差别在于日本的盛水量筒高度为 324 mm，下部结构的高度为 263 mm。即在测定时，日本的渗水仪水头差更大。

日本渗水仪放水阀门推荐直径为 7 mm 以上，而在《铺装试验法便览》中，则直接规定为 8 mm。根据文献［4］的研究，似 8 mm 更为合理些。

1.3 ASTM-C1701 单环渗水仪器

美国单环渗水仪基于变水头理论，单环渗水仪可选用直径为 30 cm 的钢、铝或者 PVC 等圆桶材料，具体尺寸要求如图2所示。

试验前先以 3.6 kg 的水进行 30 s 的渗透速度测试，若水完全渗入路面，则采用 18 kg，否则采用 3.6 kg 水量。试验时将水头高度维持在 1～1.5 cm，纪录使用水的质量M和所经过的时间t，渗透系数计算见式（1）。

图2 徐陆军［5］渗水试验时的单环渗水仪

式中：k为透水路面的渗透系数，mm/h；M为水的质量，kg；D为环的内径，mm；t为试验过程中经历的时间，s；I为常数，4 586 666 000。

2 改进后渗水仪

本文对渗水仪下部结构进行改进，通过增加金属圈和凸榫等结构，确保测量结果能够准确反映透水路面的渗透性能，并通过光电液压系统与单片机技术实现透水路面渗透系数的全自动测定，在提高测定准确性的同时，节省大量的人力。

2.1 装置组成

图3 全自动计时路面渗水仪

改进后全自动计时路面渗水仪由量筒、连接圆盘、底座、光电液位开关、电磁阀、下接管和控制器组成，如图3所示。控制器包括单片机、屏幕、自动计时模块和按键模块。圆盘上、下表面分别开有与量筒和下接管匹配的孔。量筒为上、下开口的中空柱体，并在 100 ml 与 500 ml 处设置了两个光电液位开关，下接管上设置有电磁阀，光电液位开关和电磁阀均与控制器相连。

2.2 改进方案

2.2.1 底座底面处结构改进

如图4所示，在支座底部增设两个圆环形凸榫，先使得连接座下端面嵌入在密封层内，通过改变密封层的结构，增大凸榫与粘结材料以及粘结材料与路面间的压力，使得密封层和连接腔的内壁之间紧密结合，从而使连接座和密封层之间具有良好的密封性。

图4 渗水仪底部图

2.2.2 底座内部加金属圈

制作一个如图4所示的金属圈，放入底座内部，金属圈的外径略小于底座下方开口内径；在使用时将塑料圈置于试件中央或路面表面的测点上，用粉笔分别沿塑料圈的内侧和外侧画上圈，在外环和内环之间的部分用密封材料进行密封。

此金属圈作用如下：①防止粘结材料受压挤入底座内部及粘结材料变形对渗水面积的影响。②利于仪器放置时的对中操作。

2.2.3 自动测量

将路面渗水仪底座密封压在路面上，并加上压重圈。向量筒中注水后，点击按键模块，单片机下达打开电磁阀的命令并开启自动计时模块，在液位下降到 100 ml 时触发光电液位开关，单片机接收信号自动开始计时，液位下降到 500 ml 时，光电液位开关再次被触发，单片机停止计时，并在屏幕上显示渗水时间，从而实现渗水时间的自动测定。

2.3 试验原理与步骤

2.3.1 试验原理

渗透系数的测定分为变水头试验和常水头试验，两种方法皆基于达西定律。研究表明［5］，渗透系数处于 10-1～10-2cm/s 的介质既可以用常水头也可以用变水头。透水沥青混合料的渗透系数处于 10-1～10-2cm/s 范围之内，即两种测定方法皆可选用，但考虑到在路面铺筑过程中，由于施工工艺、人员、机械等原因，经常导致实际路面的渗水系数要小于设计渗水系数。且随着时间的推移，路面渗水系数呈现出衰减状态，此时更适宜用变水头试验进行渗水系数的检测。因此本文设计的透水路面渗水仪基于变水头原理。

2.3.2 测试步骤

1）将塑料圈置于路面表面的测点上，用粉笔分别沿塑料圈的内侧和外侧画上圈，用密封材料对外环和内环之间的区域进行密封。

2）将金属圈与粉笔所画内圈对中放置，用密封材料对环状密封区域进行密封处理并与金属圈紧密粘结。如果密封材料不小心进入内圈，须用刮刀将其刮走。将搓成拇指粗细的条状密封材料摞在环状密封区域的中央，并且摞成一圈。

3）将渗水仪与金属圈对中放在路面表面的测点上，将渗水仪压在条状密封材料表面，加配重，以防压力水从底座与路面间流出。

4）电磁阀处于关闭状态时，向量筒中注满水，点击按键模块，读取屏幕显示时间并记录。

5）测试过程中，如水从底座与密封材料间渗出，说明底座与路面密封不好，应移至附近干燥路面处重新操作。若水面下降至一定程度后基本保持不动，说明基本不透水或根本不透水。

6）按以上步骤在同一个检测路段选择5个测点测定渗水系数，取其平均值作为检测结果。

透水路面渗透系数计算见式（2）。

式中：k为透水路面的渗透系数；V1为第一次计时时的水量，ml，100 ml；V2为第二次计时时的水量，ml，500 ml；t1为第一次计时时的时间，s；t2为第二次计时时的时间，s。

3 结 语

改进后的全自动透水路面渗水仪装置，更便于现场测定透水路面的渗透系数，对新建透水路面和旧路面的渗水能力均能做出较好的评估，改进后的装置具有以下几方面优点。

1）通过在支座底部增设两个圆环及凸榫，改变密封层的结构，使得连接座和密封层之间具有良好的密封性，提高测定结果的精确性。同时，可减小仪器上部所需压重铁圈的质量，使仪器更加轻巧、便携。

2）利用光电液压系统及单片机技术可全自动测定透水路面的渗透系数，避免了人为操作所引起的误差，提高了测量结果的准确性。