降雨入渗下透水路面渗流特性研究

缪宏杰, 郑宣恭, 黄若鹏

(1.福建农林大学 金山学院， 福州 350002 ；2. 厦门华岩勘测设计有限公司，福建 厦门361000)

传统路面透水性能差，在大雨情况下常引起道路积水问题，极大程度影响出行的舒适性和安全性.透水路面作为一种兼具交通和城市水资源控制功能的基础设施，具有快速吸收雨水，减少道路径流，降低城市热岛效应，保证车辆舒适性以及行人的安全性等优点[1-2].因此近年来，透水路面被广泛应用于城市的道路改善工程，同时透水路面也成为国家城市建设主推的方向之一.相比国外，我国透水路面起步较晚，从20世纪90年代起关注透水路面，先后在浙江、北京等多地试验透水路面.2015年由北京市市政工程设计研究总院有限公司等编制的《城市道路与开放空间低影响开发雨水设施》为我国透水路面的设计和施工提供了参考标准，对透水路面的推广使用和标准化提供有力支撑.

近年来随着透水路面推广使用，关于透水路面水力特性及机理方面的研究逐步取得了许多有价值的研究结论[3-4].陈伟等[5]建立降雨模型进行不同降雨强度下的模拟研究，并通过现场透水路面区域的水监测数据修正模型，研究表明，无论是大、中、小型的降雨，透水路面均可有效降低地面径流，同时在暴雨条件下，出口洪峰甚至可减少60%以上.郭效琛等[6]提出采用监测数据+数值模拟的方法对透水路面的效果进行预测，通过数据不仅可以计算径流控制率，还可以提高模型的准确性，研究结果表明该方法提高了分析模型的科学性，有利于海绵城市效果的定量评价.姜成等[7]通过实验方法对骨料粒径、孔隙率、堵塞物三个因素开展研究.研究结果表明：4.75～9.50 mm单级配骨料的透水混凝土的综合性能最好；透水系数和孔隙率呈现正相关，并且服从幂函数关系；0～2.36 mm范围全粒径级配的砂砾产生堵塞效应，从而造成透水性大幅度下降.肖鑫等[8]提出目标孔隙率应满足耐久性要求前提下，防止或减少路表径流.目标孔隙率通过渗透系数、降雨强度、路面参数综合确定.同时通过建立数值分析模型，研究得出面层厚度、坡度、渗流路径长度可降低路表径流的结论.魏汉林等[9]为了分析透水路面的淤堵规律，自主研发淤堵渗透测试仪，开展室内试验研究，研究表明随着时间推移，渗透系数不断下降，与时间呈现指数关系.下降过程为先快速下降，下降速率放缓，最终趋于稳定.同时通过对比清洗前后的渗透系数，表明采用吸力或机械打扫后的透水路面其淤堵现象得以缓解，渗透系数回升明显.

纵观现阶段的研究虽取得一定成果，初步解决材料选择问题[10-11]，但研究主要集中于材料孔隙率与渗透系数之间关系[12-13]，对整个透水路面的非饱和渗流研究甚少.鉴于此，开展不同降雨强度下的透水路面的渗流分析研究，可明确透水路面的非饱和渗流规律，同时为透水路面设计和雨水控制的效果评价提供理论依据.

1 多孔介质非饱和渗流理论

多孔介质非饱和状态下包含空气和雨水，可以体积含水量和饱和度表示其内部空隙情况.

(1)

(2)

其中：V为多孔介质表征体元体(Representative Elementary Volume,简称REV)的总体积;Vw为多孔介质表征体元体内水的体积;V为多孔介质表征体元体内空隙的体积;n为孔隙率.

由此可知体积含水量与饱和度两者之间关系为

θ=nSw

(3)

水在多孔介质的流动符合达西定律，在非稳态流中渗透系数随时间变化，数值模拟降雨入渗透水路面的过程是饱和-非饱和的渗流过程，其控制方程为

(4)

其中：H为模型单元内总水头;kx为x方向的渗透系数;ky为y方向的渗透系数;Q为外部流量边界条件(例如降雨等)，Θ为体积含水量.

从此方程可知，进入和流出单元的流量差等于此单元内含水量的变化.在非饱和渗流过程其体积含水量以及渗透系数均随着基质吸力的变化而变化，本文计算模拟的材料的土水特性曲线主要依靠Van Genuchten模型[14]，其主要计算方程如下：

(5)

其中：Θw为体积含水量;Θs为饱和体积含水量;Ψ为负孔隙水压力;a,n,m为曲线拟合参数(注意:a的单位是压力单位，在这个方程中并不是水头压力的倒数).N为改变函数斜率的轴点.m为影响函数曲线进入平缓段的斜率.

2 数值分析模型的建立

2.1 数值模型

有限元分析模型如图1 所示，采用透水路面常用路面结构形式[15]，路表横向坡度为2%，路面结构从上至下为透水面层(10 cm)，透水基层(10 cm)、底基层(20 cm)、路基(4.6 m).透水路面面层采用厚度为10 cm透水沥青混凝土；透水基层采用厚度为10 cm的大孔隙沥青稳定碎石；底基层采厚度为20 cm的级配碎石；路基采用粉质砂土，厚度为4.6m.有限元分析模型的地下水位位于地下5 m处，与模型的路基底部齐平.

图1 透水路面数值分析模型

2.2 边界及材料特性

本文数值分析的降雨强度为每小时25 mm并且持续1 h，降雨停止后继续监测各结构层孔压变化3 h.在路表施加流量边界，大小为降雨强度，模型底部和左侧则采用零流量边界，其余为不透水边界.本文数值模拟分析瞬态情况下路面结构内部的饱和-非饱和渗流情况.在材料处于非饱和状态下，材料的水力性质不再为常数而是与基质吸力相关，因此数值模拟过程需要输入非饱和参数曲线即材料的土水特征曲线以及渗透系数函数.严格的非饱和参数曲线测试试验需要耗费大量时间并产生大量的费用，本文土水特征曲线以及渗透系数函数的获取均采用上文所介绍的Van-Genuchten法.具体有限元分析采用的材料参数如表1所示.

表1 各结构层材料参数

3 数值分析结果

3.1 透水路面孔压变化规律

分别取面层、基层、底基层的中点作为分析参考点，路基的分析参考点则取在距离底基层底部30 cm处.降雨阶段孔隙水压力变化如图2所示，降雨开始后透水路面面层和基层快速响应，仅用0.15 h孔隙水压力接近为0，此时面层和基层的接近饱和渗透系数接近最大，排水能力最强.这是由于透水路面的面层和基层的渗透系数大于降雨强度，透水路面可快速接受水分.在水分入渗至基层过程，有少量水分入渗至底基层，因此在底基层达到饱和状态前，出现两次小幅度的增长.在0.7 h时大量水分进入至底基层，底基层的孔隙水压力短时间内升高至零点，使得底基层达到饱和状态.由于透水路面的排水性能强，路基的分析参考点在整个降雨过程中未受到雨水入侵，因此路基的分析参考点孔隙水压力未发生变化.

图2 降雨过程透水路面孔隙水压力变化

排水阶段孔隙水压力变化如图3所示，降雨停止的0.3 h内透水面层孔隙水压力首先快速下降至-10 kPa，之后下降速度变缓.基层在降雨后0.3 h内孔隙水压力才出现小幅度下降，这可能是由于在降雨后0.3 h内上部面层水分下渗至基层的速率与基层往下下渗的速率相当造成.之后0.45 h基层孔隙较大幅度下降，其原因在于面层下渗至基层的水分大幅度减少，而基层本身水分继续下渗至底基层.底基层在降雨停止后的0.8 h内仍保持高孔隙水压力，接受来自上部结构传递下的水分.降雨停止0.8 h后，底基层孔隙水压力大幅度下降，其下降幅度大于面层和基层，其原因在于底基层的孔隙率大于其他两层，使得其积滞于内部的水分较少，更多的水分通过侧向排水排出路面结构.

图3 停止降雨后透水路面孔隙水压力变化

3.2 不同降雨强度下孔压分析

本文对比分析传统道路和透水路面，在大雨和小雨条件下的渗流规律.大雨条件下的降雨强度为25 mm/h，小雨条件下的降雨强度为5 mm/h.大雨和小雨条件的降雨持续时间均为1 h.传统路面自上而下为面层、基层、底基层、路基.面层采用厚度为10 cm的密级配沥青混凝土；基层采用厚度为10 cm的3%水泥稳定碎石；底基层、路基与透水路面一致.

3.2.1 面层的孔压变化分析

如图4所示，小雨条件下，传统道路面层孔压仅有小幅度的增长，这是由于传统面层由于渗透系数低，只有少量的雨水进入的路面结构内部.而大雨条件下，传统道路面层降雨0.4 h后达到孔隙水压力零点，之后孔隙水压力继续上升在0.5 h达到最大值12 kPa，之后略微下降保持在8 kPa左右.说明在0.4 h后路面出现积水并一直保持至降雨结束.这是由于传统道路面层渗透系数低雨水无法快速进入路面结构，当降雨强度大时,外界增加的水量大于路面所能接收的水量，雨水在面层顶部发生积滞，产生大量积水严重影响行车安全.

图4 不同降雨强度下面层的孔压变化对比

相比传统道路，无论大雨还是小雨条件下透水路面面层的孔隙水压力响应更加快速，大雨状态下仅用时0.3 h既达孔隙水压力零点，这是由于透水路面面层的渗透系数高，雨水入渗的速率快，使得孔隙水压力更快发生响应.当孔隙水压力达到零点，面层的渗透系数也达到最大值，此时有利于雨水向路面结构内部渗透.以上说明透水路面可快速接收雨水，防止雨水无法被道路接收而出现水分积滞.降雨停止阶段，透水路面面层的孔压下降速率和幅度均大于传统道路面层，这是由于透水路面的基层和底基层渗透系数较大，雨停后积滞于面层的水分可顺利下渗.

综上所诉，无论大雨还是小雨条件下传统道路面层均难以接收水分，降雨强度大时将出现路表积水和径流，不利于出行的安全.透水路面面层孔压始终在零点附近波动，未出现继续增加至更高孔隙水压力，也未出现积水.

3.2.2 基层的孔压变化分析

小雨条件下，传统道路基层孔压仅有小幅度的增长，仅有小部分水入渗，未出现饱和状态.而大雨条件下，传统道路基层降雨0.5 h后达到孔隙水压力最大值6.5 kPa，之后孔隙水压力继续回落至0 kPa，此时基层处于饱和状态.

小雨条件下，透水路面基层孔压不断增长，在0.5 h后，孔隙水压力达到0 kPa，基层处于饱和状态.说明小雨条件下透水路面仍可接受大量雨水.而大雨条件下，透水路面基层快速响应，仅用时0.2 h孔隙水压力达到0 kPa，基层处于饱和状态.降雨停止阶段，透水路面基层的孔压下降速率和幅度均更大，这说明降雨停止后积滞于基层的水分可顺利排出.

综上所诉，无论大雨还是小雨条件下，雨水均能顺利到达基层，使得透水路面基层达到饱和状态.同时大雨条件下透水路面基层的响应更快，比小雨强度下的基层饱和时间提前了0.3 h.而传统道路基层只有在大雨条件下才能达到饱和状态，大部分时间处于非饱和状态.见图5.

图5 不同降雨强度下基层的孔压变化对比

3.2.3 底基层的孔压变化分析

大雨条件下，透水路面在水分从面层入渗过程中伴随少量水分入渗至底基层，在0.1 h时孔隙水压力开始增长，在0.7 h时大量水分进入至底基层，使得底基层达到饱和状态.传统道路底基层的孔隙水压力在降雨后0.5 h才开始快速增加，相比透水路面底基层，传统道路底基层的孔隙水压力开始增长时间点较晚.小雨状态下无论是透水路面还是传统道路其孔隙水压力均不变，说明小雨状态下水分未入渗至底基层.传统道路主要依靠面层的低渗透性，降低了水分的入渗率，从而让水分未抵达底基层.而透水路面则依靠面层和基层的高渗透性将水分及时排出，从而出现水分到达底基层.降雨停止阶段，透水路面底基层的孔压下降速率和幅度均更大，这是由于透水路面透系数较大，雨停后积滞于底基面的水分可顺利排出.见图6.

图6 不同降雨强度下底基层的孔压变化对比

4 结 论

本文研究了在降雨条件下透水路面的孔隙水压力变化规律，利用数值分析方法建立有限元分析模型，基于非饱和渗流理论研究在不同降雨强度下道路各位置的孔隙水压力变化规律.得出以下结论：

1) 透水路面的面层和基层可快速参与道路内部排水，孔压数据表明在降雨开始后0.15 h水分，大量雨水进入透水路面面层和基层，随后进入底基层并使该层达到饱和状态；降雨结束后，面层的孔压最先快速下降，底基层孔压下降幅度则最大.

2)无论在大雨还是小雨条件下，传统道路面层均难以接收水分，降雨强度大时将传统道路出现路表积水和径流，不利于出行的安全.透水路面面层孔压始终在零点附近波动，未出现积水现象.

3)透水路面在不同降雨强度下，雨水均能顺利到达基层，使得透水路面基层达到饱和状态，从而保证基层快速参与道路排水.同时大雨条件下透水路面的基层响应更快，比小雨强度下基层的饱和时间提前了0.3 h.而传统道路基层只有在大雨条件下才能达到饱和状态，大部分时间处于非饱和状态，未能有效帮助道路排水.