王俊岭，宋健，张玉玉，张雅君，李俊奇

（1.北京建筑大学 城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京　100044；2.北京建工建筑设计研究院，北京　100044）



具有导渗导排管的透水混凝土铺装对径流削减试验研究

王俊岭1，宋健1，张玉玉2，张雅君1，李俊奇1

（1.北京建筑大学 城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京100044；2.北京建工建筑设计研究院，北京100044）

摘要：具有导渗导排管的透水混凝土铺装是在传统透水混凝土铺装基础上的一种新型的透水铺装形式。对具有导渗导排管的透水混凝土铺装的径流控制作用进行了试验。结果表明，当降雨重现期为1年时，具有导渗导排管的透水混凝土道路比普通道路、常规透水混凝土道路径流产生时刻分别晚55min、43min，峰现时刻时间分别晚80min、30min，洪峰流量削减率分别高70%、10%；随着降雨重现期的延长，产流时间和峰现时间呈现缩短趋势。具有导渗导排管的透水混凝土比常规透水路面对延迟产流时间和峰现时刻、削减洪峰水量具有更好的作用，可以为该创新型低影响开发技术的国内应用设计提供参考。

关键词：透水混凝土；导渗导排管；低影响开发；暴雨管理；洪峰削减

0　引言

随着城市建设的发展，不透水硬化地面比例越来越大，导致城市在降雨后雨水难以快速排放，产生积水内涝。同时，城市规模的扩大，使热岛效应加剧，强对流天气引发的局部暴雨有加强的趋势［1-2］。越来越多的国家开始应用透水混凝土铺装路面，以实现雨水还原［3-6］，维持城市水循环。2009年大明宫国家遗址公园御道广场采用露骨料透水混凝土，广场铺装面积达15万m3，取得了非凡的效果［7］。透水路面在一定程度上解决了不透水地表带来的问题，能够在维持城市水循环的基础上，加大雨水渗透量［8-9］，削减径流量，削减洪峰，净化雨水污染物［10-12］，有效防止城市内涝，缓解河道及城市水处理厂的污染负荷［6，13］。渡边会弘（Watanabe S）在日本横滨进行透水性道路铺装径流控制研究试验中发现，透水性道路铺装设施的使用有效削减了15%～20%的径流洪峰量［14］。有研究发现［15］，透水铺装对于小型降雨或大暴雨的初期冲刷的径流和污染物的削减有着良好的效果。现有的透水铺装一般储水容量小［16］，内部渗透速度较慢，所以在大暴雨情况下，对径流的削减作用也有限。

具有导渗导排管的透水混凝土铺装技术是一种新型的透水铺装形式。此技术有效地提高了透水铺装孔隙率，提高了铺装系统内储水量，在遭遇大暴雨时可储存更多雨水，减少地表径流。具有导渗导排管的透水混凝土铺装技术的应用，可有效地缓解道路积水问题，延迟道路径流形成，减小道路洪峰流量。但其水文功能方面尚缺乏相应实验数据支撑。因此，对导渗导排管的透水混凝土铺装的产流时间、峰现时间及洪峰延迟时间和削减率等方面的特性进行试验研究，为“海绵城市”建设提供设计依据。

1　试验装置与试验方法

1.1人工模拟降雨装置

试验中采用人工模拟降雨装置，如图1所示，其有效规格为12m×18m，共分为4个区域。人工模拟降雨装置降雨高度为15m，降雨连续变化范围为25～250mm/h，降雨均匀度系数大于0.9；雨滴大小范围为1.5～5.0mm，其降雨调节精度可达7mm/h。试验中，可根据不同的试验要求，自行设置相应的降雨过程。

图1　人工模拟降雨装置

1.2具有导渗导排管的透水混凝土试验装置

具有导渗导排管的透水水泥混凝土路面试验装置由0.6 m×0.6m×0.85m的试验槽组成，试验槽内按照实际道路铺装方式进行敷设，面层采用200mm厚的透水混凝土铺装，透水混凝土根据CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》的相关规定混合搅拌均匀，利用静压成型方式铺装成型，面层孔隙率≥30%。导渗导排管置于面层底部，采用DN100的玻璃钢夹砂管，导管横向铺设，表面穿孔，管表面敷设土工布，导管间孔隙填充透水混凝土。装置中，各层底部敷设穿孔管，用于试验取水。穿孔管直径为20mm，导渗导排管和穿孔管上开孔直径均为2mm，开孔间距10mm。穿孔管表面敷设土工布。同时，装置一侧设置水位计，各层取水口及排水口设置阀门，阀门后安装软管，如图2、图3所示。另外，本研究同时制作了常规透水混凝土铺装及普通混凝土道路铺装装置，以便进行试验结果的对比。

图2　具有导渗导排管的透水混凝土铺装系统

图3　路面试验装置

2　试验结果与分析

2.1不同降雨条件下的产汇流特征

利用人工模拟降雨装置和铺装装置，模拟在不同降雨条件下具有导渗导排管的透水混凝土道路、常规透水混凝土道路、普通道路的汇流过程，并记录产流时间和峰现时间。试验在设计降雨强度下，分别对普通道路及常规透水混凝土道路各选择了5种不同降雨条件进行了试验，具有导渗导排管的透水混凝土道路选了9种。

2.1.1不同降雨条件下的产流特征（见图4）

图4　不同降雨条件下不同铺装道路产流时刻特征曲线

图5　不同降雨条件下不同铺装道路峰现时刻特征曲线

从图5可见，在降雨重现期为1年的条件下，普通道路洪峰出现在降雨后70min左右，其次是常规透水混凝土道路，洪峰出现在降雨后120min左右，最后是具有导渗导排管的透水混凝土道路，降雨后150min后出现洪峰。随着降雨重现期的延长，3种铺装道路峰现时刻均表现为缩短。具有导渗导排管的透水混凝土峰现时刻约晚于常规透水混凝土道路30 min左右。究其原因，导渗导排管的存在增加了道路面层内部存储能力，使其总储水量增加，延长了其饱和时间，致其峰现时刻晚于常规透水混凝土道路。

2.2对洪峰流量的影响

2.2.13种路面的产流特征

选取1年重现期，研究不同铺装道路类型产流量的变化。测试具有导渗导排管的透水混凝土路面、常规透水混凝土道路、普通道路的产流特征，结果如图6所示。

图6　1年重现期下不同铺装道路的产流量曲线

由图6可知，普通道路在降雨时，径流迅速增加，70min后，产流量趋于平稳，此时最大流量为1.23L/min。透水混凝土与具有底部导渗导排管的透水混凝土道路产流量曲线趋势基本相同，当产流时间小于100min时，具有导渗导排管的透水混凝土道路产流量小于普通透水混凝土产流量；当产流时间大于100 min时，具有导渗导排管的透水混凝土道路产流量大于普通透水混凝土产流量，但远小于普通路面的产流量。降雨时间在120min后，透水混凝土铺装道路最大流量为0.45 L/min，具有导渗导排管的透水混凝土道路最大流量为0.56L/min。可知普通透水混凝土洪峰流量较普通道路最大流量削减了63.4%，具有导渗导排管的较普通道路最大流量削减了54.5%。

图7　稳定降雨强度下的下渗过程

图7可以解释某一稳定的降雨强度下，一次降雨过程中各种路面的产流及入渗情况。由图4可知，普通道路、常规透水混凝土道路和具有导渗导排管的透水混凝土道路的产流时刻均随着重现期的延长而缩短，即重现期越久，产流时刻越早。当重现期为1年时，具有导渗导排管的透水混凝土道路在65min左右出现产流，而当重现期为100年时，在25min左右就出现产流。具有导渗导排管的透水混凝土道路产流时间是传统透水混凝土道路的2倍多，与普通道路与传统透水混凝土道路相比，具有导渗导排管的透水混凝土道路在延缓产流时间方面具有较为明显的优势。在试验过程中，当雨强不断增大，透水铺装达到饱和时间会越短，产流时间随之缩短。具有导渗导排管的透水混凝土道路与传统透水混凝土道路相比，在相同降雨条件下，由于面层内有导渗导排管，增加了其整体的储水能力，所以减缓了其饱和时间，延迟了径流产生时间。

2.1.2不同降雨条件下的峰现特征（见图5）

图7中显示R为稳定的降雨强度，a-h为水力传导度曲线。随着降雨历时的延长，传导水的能力慢慢变小，直至趋于饱和水力传导度Ks；a-b-e为普通混凝土路面的入渗曲线；ac-f为透水水泥混凝土路面的入渗曲线；a-d-g为具有导渗导排管的透水混凝土道路的入渗曲线。如对于a-b-e普通混凝土路面来讲，降雨初期，水力传导能力比降雨强度R大，降落的雨水全部能够渗入到透路面内部，t1时刻后，随着水力传导能力的减弱，渗透速率逐渐小于降雨强度R，此时由于路面的不平整性，在路面形成径流前，路面先出现一定厚度的水膜，故当水力传导度小于降雨强度时，并不会立即出现地表径流，而出现了一定时间的滞后现象。当经过时刻t2以后，进入混凝土路面入渗控制阶段，此时，地表径流开始形成，渗透能力逐渐减弱，直至趋近于Ks。

2.2.2对洪峰流量削减率的影响

常规透水混凝土道路及具有导渗导排管的透水混凝土道路相对普通道路的洪峰流量削减率如图8所示。

图8　不同道路铺装类型洪峰流量削减率

由图8可知，常规透水混凝土道路对洪峰流量的削减效果与具有导渗导排管的透水混凝土道路相差不大，且均随着重现期的延长，洪峰流量削减率缓慢降低。当重现期≥20年时，具有导渗导排管的透水混凝土道路的洪峰流量削减率出现低于常规透水混凝土道路的现象。这是因为，当重现期为20年时，具有导渗导排管的透水混凝土道路的水力传导度开始小于常规透水混凝土道路的水力传导度，导致其雨水下渗速度小于常规透水混凝土路面的下渗速度，其产流增加量大于常规透水混凝土道路产流增加量，具有导渗导排管的透水混凝土道路洪峰流量削减率小于常规透水混凝土路面的洪峰流量削减率。

3　结语

（1）在试验条件下，具有导渗导排管的透水混凝土道路在水量存储方面，较常规透水混凝土道路多存储30%的水量。

（2）3种铺装类型的产流时刻及峰现时刻为：普通道路＜常规透水混凝土道路＜具有导渗导排管的透水混凝土道路。

（3）当重现期为1年时，具有导渗导排管的透水混凝土道路比普通道路、常规透水混凝土道路产流时刻分别晚55min、 43min，峰现时刻分别晚80min、30min；随着降雨重现期的延长，产流时间和峰现时间都在缩短。当重现期为100年时，具有导渗导排管的透水混凝土道路产流时刻为25min，峰现时刻为60min。

（4）与普通道路相比，具有导渗导排管的透水混凝土道路对洪峰流量的削减最大可达70%，但随着重现期的延长洪峰流量削减效果越差，最低削减率仍可达56%。

（5）具有导渗导排管的透水混凝土道路作为一种创新型LID措施，在未来城市建设发展中有良好的应用前景，本研究可以为其应用于海绵城市建设提供设计依据。

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（2011ZX07301-004-01）

中图分类号：TU528

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）05-0041-0411211

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项

收稿日期：2015-11-22

作者简介：王俊岭，男，1973年生，河南长葛人，博士，副教授，主要从事透水铺装研究。

Experiment on the runoff reduction of the permeable concrete pavement with built-in perforated pipes

WANG Junling，SONG Jian，ZHANG Yuyu，ZHANG Yajun，LI Junqi
（1.Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment，Ministry of Education，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；2.Beijing Jiangong Architectural Design and Research Institute，Beijing 100044，China）

Abstract：The permeable concrete pavement with built-in perforated pipes is a new form of permeable pavement.In this paper，the effect on runoff control of permeable concrete pavement with built-in perforated pipes was tested.Compared with the ordinary roads and conventional permeable concrete pavement，the results showed that when rainfall return period was 1 year，the runoff-yielding time of the new type of pavement delayed 55min、43min respectively；the time of peak flow delayed 80min，30min respectively；peak flow reduction rates were 70%，10%respectively.Moreover，with the rainfall return period increasing，the time of runoff-yielding and peak flow gradually decreased.Compared with the traditional permeable concrete pavement，the results showed that the permeable concrete pavement with built-in perforated pipes had a better effect on the delay of runoff-yielding and peak flow，reduction rate of peak flow.This can provide a reference for the design and application of this innovative low impact development technique in China.

Keywords：permeable concrete，built-in perforated pipes，low impact development，stromwatermanagement，reduction of peak flow