张 伟

1 概述

在城市建设中,我国的大多数城市都喜欢选择整齐漂亮的石板材或水泥等不透水路面,包括人行道、自行车道、郊区道路、露天停车场、庭院和街巷的地面以及公共广场等[1]。这样的硬化路面虽然整齐耐用,但其最大的缺点就是不透水,会给城市环境带来许多危害。

针对目前硬质路面存在的问题,采用透水性铺装是解决硬化路面各种问题的最根本手段。而生态混凝土由于其优点,非常适于作为透水性铺装替代某些硬化路面。生态混凝土又称为环境友好混凝土[2-4](Environmentally Friendly Concrete/Eco-concrete)。生态混凝土透水路面与普通的水泥混凝土路面相比,因为其具有较大的空隙率,能够使雨水迅速地渗入地表,还原成地下水,使地下水资源得到及时补充。保持土壤湿度,改善城市地表植物和土壤微生物的生存条件,同时能与土壤相通,蓄积较多的热量,有利于调节城市空间的温度和湿度,消除热岛现象。当集中降雨时,能够减轻排水设施的负担,防止路面积水和夜间反光,提高车辆、行人的通行舒适性与安全性。本文主要研究生态混凝土透水特性及其对径流的削减作用。

2 材料与方法

2.1 生态混凝土特性

所选用生态混凝土的基本特性见表1。

表1 生态混凝土基本特性

2.2 实验方法

实验区生态混凝土面积2 m2(1 m×2 m),厚度为5 cm,底部铺有5 cm厚砂土。人工降雨装置采用侧喷式模拟降雨系统,人工降雨强度范围为0.1 mm/min～4.0 mm/min,用积水控制器控制表层积水深度不超过1 cm。记录积水深度以及漫流水体积,用以计算不同时刻的下渗率。

3 结果及分析

3.1 生态混凝土透水特性

整个过程中下渗率随时间的变化如图1所示。整个系统的初始下渗率非常高,这主要是由于生态混凝土具有很高的透水率,在降雨的初期生态混凝土孔隙内以及下层砂土中的含水率很低,不致成为限制因素,其饱和浸润相对于不透水路面要经历很长的时间过程。

经过一段时间后,下渗率有一个较明显的下降过程,也就是径流开始产生的过程。这说明系统的含水率已经迅速上升,开始成为制约因素。这一过程经历的时间相对较短。

最终下渗率趋于稳定,降雨的很大一部分转变为径流。稳定下渗率与初始下渗率相差很大,比较接近砂土的下渗率。这说明在稳定下渗过程中影响下渗率的主要制约因素是下层土壤的渗滤情况。

3.2 生态混凝土下渗方程

根据所得的实验数据,采用霍顿方程描述下渗曲线[5],方程形式为:

其中,ft为 t时刻的入渗率,mm/min;f0为初始入渗率,mm/min;fc为稳定入渗率,mm/min;k为入渗衰减指数,min-1。

根据实验数据以及上述方程,综合考虑土壤的雨前持水条件,通过曲线拟合,得到下渗方程:

3.3 对城市地表径流的削减作用

根据某市暴雨强度公式[6]结合Keifer和Chu提出的芝加哥下水道设计雨型的原理,可以求得瞬时雨强公式为[7]:

雨峰前:

雨峰后:

其中,I1,I2分别为雨峰前t1时刻和雨峰后t2时刻的瞬时雨强。

降雨过程中,当仅考虑下渗损失时,历时 t内降雨量Q所产生的地表径流为:

实际过程中,由于雨强在某些时段有可能小于下渗率,因此应结合下渗强度计算实际径流强度(I-f),最终可得径流系数为:

不考虑初损,按照上述公式和方法,计算得到某市各降雨历时t和重现期P下,生态混凝土透水路面的径流系数(见表2)。

表2 生态混凝土路面径流系数计算结果

结果表明,透水路面替代传统的不透水路面(径流系数一般为0.9)对地表径流具有明显的削减作用。暴雨重现期越小,下渗量占降雨量的比例越大,地表径流系数越小,对地表径流削减的程度越显著;降雨历时越长,地表径流系数越小,地表径流削减比例越大。

4 结语

不透水路面给城市环境带来许多危害,采用生态混凝土透水性路面是解决硬化路面各种问题的有效手段。生态混凝土雨水入渗实验、城市地表径流的削减实验表明生态混凝土具有较高的透水率,并对地表径流具有明显的削减作用。

[1]王立久,汪振双,赵善宇.绿色生态混凝土技术的研究现状与发展[J].混凝土,2009(7):1-3,10.

[2]石从黎,王 智,张 思.生态混凝土在城市建设中的应用[J].科学咨询,2009(3):67-68.

[3]李庆刚.生态混凝土的研究现状与发展趋势[J].山西建筑,2007,33(4):183-184.

[4]张开猛,蒋友新,谭克锋.生态混凝土研究现状及展望[J].四川建筑科学研究,2008,34(1):152-155.

[5]仝玉才,延跃兴.霍顿入渗方程参数的直接拟合法[J].山西水利科技,1997(2):26-29.

[6]谢五三,程 智.暴雨强度公式推求研究[J].安徽农业科学,2007,35(25):7750-7751,7766.

[7]Gupta K.,Saul A.J.Specific relationships for the first flush loadin combined sewer flows[J].Wat.Res,1996(30):1244-1252.