吴 梁 ，唐建超，尚成厂

(1.遵义道路桥梁建设投资(集团)有限公司，贵州 遵义 563000; 2.遵义交通建设投资(集团)有限公司， 贵州 遵义 563000； 3.西安卫星测控中心，陕西 西安 710043)

0 引 言

海绵城市作为新一代的雨洪管理理念已为人所熟知，其总体构想是使雨水具有良好的弹性从而更好地适应环境的变化，所以也被称为水弹性城市。国际上对海绵城市的称呼统一为“低影响开发雨水系统构建”，在下雨时能够对雨水进行吸收、渗透、净化，并在需要时将存储的水进行排出与利用，节约水资源[1-3]。

海绵城市在道路中的具体应用就是采用透水性路面替代原有的密级配路面。这种路面具有较大的空隙，使雨水可以竖向进入道路结构，并通过内部相互连通的孔隙横向排入雨水管网中[4-6]。

最早使用透水路面技术的国家是美国，其研发之初的目的在于应对雨水等恶劣天气，起到改善路面抗滑性能的作用[7-8]。欧洲各个国家为了更好地减小路面行车产生的噪音以及排出路面范围内的雨水，也很早就进行了透水路面的研究。日本是亚洲地区首先研究透水沥青路面的国家，并颁布了《排水性铺装设计施工要领》和《排水性路面铺装技术指南》。

与国外对透水沥青路面的研究相比，中国的研究相对较晚，技术还比较落后，而且仅集中在改善热岛效应和降噪方面，在工程中的应用也比较有限[9-12]。

本文拟以透水沥青混合料和透水沥青稳定碎石的渗透性能为研究对象，从宏观角度研究透水沥青混合料和沥青稳定碎石组成对渗透性能的影响，并利用数值模型进一步阐述雨水在路面结构内部的渗流过程。

1 透水沥青混合料试件的制备

1.1 透水沥青混凝土

沥青采用改性后的高黏沥青，粗集料采用玄武岩，其他材料符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)的要求。

1.1.1 目标空隙率的确定

对于透水沥青混凝土，当空隙率低于15%时，达不到透水降噪的效果，且水流在路面内部流动缓慢，在车辆荷载的作用下会形成动水压力，对路面结构造成非常大的危害；而当空隙率大于25%时，虽然路面会具有优异的透水能力，但混合料主要依靠集料之间的嵌挤作用形成强度，在长期路面荷载和水作用下，耐久性会较差。因此，透水沥青混合料的空隙率一般采用15%～25%[13]。本研究取18%、20%和22%三个目标空隙率。

1.1.2 级配的选择

当制备的混合料空隙率在18%～25%范围内时，空隙率始终与2.36 mm筛孔的通过率存在着线性关系[14]。本试验先拟定级配A、级配B和级配C三组级配，得到空隙率与2.36 mm筛孔通过率的关系曲线；再经马歇尔试验等确定最终级配，如图1所示。

图1 目标空隙率对应的级配曲线

1.1.3 最佳沥青用量的确定

对高黏改性沥青进行析漏试验，得到最大沥青用量，同时采用飞散试验得到最小沥青用量，通过最大沥青用量与最小沥青用量得到最佳沥青用量，如表1所示。

表1 最佳沥青用量

1.2 透水沥青稳定碎石混合料

沥青稳定碎石排水基层(ATPB)混合料由砂石材料和较少量的沥青组成。由于ATPB空隙率较大，因此属于骨架-空隙结构[15]。为了保证沥青与集料的黏附性，透水沥青稳定碎石基层仍采用高黏改性沥青和玄武岩。玄武岩分为0～5 mm、5～11 mm、11～17 mm、17～26.5 mm四档集料。

1.2.1 ATPB-25级配设计

由于ATPB-25的细集料较少，若采取规范中的级配往往耐久性较差。本文参考国内已经实施的项目采用的级配，另外选取几条合适的级配曲线，以获得满足路用性能要求的4条矿料级配曲线，结果如图2所示。

图2 四组级配曲线

1.2.2 最佳沥青用量

根据析漏飞散试验结果，可以确定各级配的最佳沥青用量，如表2所示。

表2 最佳沥青用量

2 透水沥青混合料试件的性能

2.1 透水沥青混凝土

2.1.1 连通空隙率

连通空隙是与外界连通的空隙，既能排水又可吸声，是满足海绵城市道路性能所必须的要素。连通空隙率采用网篮法测试，结果如表3所示。

表3 连通空隙率计算结果

分析表3可知：连通空隙率随混合料空隙率的増大而增大，两者存在着线性关系：Y=0.594 9X+2.628 8，R2=0.999 2；同时连通空隙率达到目标空隙率的70%以上。由于两者之间线性关系显著，因此对于相同原材料下的连通空隙率，一般可以通过空隙率计算出来。

2.1.2 高温稳定性

透水沥青混合料与一般的沥青混合料均使用车辙试验高温性能进行评价，60 min的动稳定度结果如图3所示。

图3 空隙率与动稳定度的关系曲线

分析图3可知，在60 ℃试验温度下，透水沥青混合料的动稳定度随空隙率的变化出现逐渐下降的趋势。当目标空隙率增大，对应的配合比设计中粗集料也相应增多(目标空隙率为18%时粗集料占76.7%，空隙率为20%时粗集料占77.4%，空隙率为22%时粗集料占78.5%)，同时细集料相应减少，无法很好地起到填充作用，导致沥青与粗骨料之间的黏结性能降低，在高温荷载作用下易产生变形而使动稳定度下降[16]。

2.1.3 水稳定性

制作目标空隙率下的马歇尔试件，在60 ℃水中养生48 h，室温下静置24 h后进行飞散试验和马歇尔稳定度试验，结果如图4、5所示。

图4 空隙率与浸水飞散损失率的关系曲线

图5 空隙率与马歇尔稳定度的关系曲线

从图4、5可以看出：透水沥青混合料的浸水马歇尔飞散损失率随着混合料空隙率的增大而增大，且增加的量也逐渐变大，空隙率从18.6%增大到20.5%和21.1%时，浸水损失率分别增加了21.1%和25.5%；而残留稳定度随着空隙率的增大而减小，且空隙率越大残留稳定度减小得越明显，分别减小了0.65%和3.25%。这表明，空隙率越大，透水沥青路面发生水损害的概率越大。在空隙率为22%时，浸水飞散损失率接近20%。因此采用此种高黏沥青和集料时，混合料的空隙率不应超过22%。

2.1.4 渗水性能

透水沥青路面最重要的作用是排水，其排水特性一般用渗水系数来表示，渗水系数的大小与混合料的空隙率密切相关，如图6所示。

图6 空隙率与渗水系数的关系曲线

从图6可以发现：当空隙率为18.6%时，渗水系数为0.323；当空隙率为20.5%时，渗水系数为0.514；当空隙率为21.1%时，渗水系数为0.781。空隙率、连通空隙率与渗水系数均具有明显的相关性，随着空隙率、连通空隙率的增大，渗水系数也相应增大。渗水系数与空隙率的线性关系为Y=0.163 2X-2.735 9，R2=0.857 4，表明随着空隙率的增大，路面的透水性逐渐变好。在工程应用中，确定路面的渗水系数比较麻烦，因此可以采用空隙率代替渗水系数来表征透水能力。

2.2 透水沥青稳定碎石

2.2.1 力学强度

采用旋转压实法成型试件，测试混合料的抗压强度，试验结果如表4所示。

表4 抗压试验结果

由表4可以看出：级配A细集料较多，粗集料相对较少，因此其抗压强度和抗压回弹模量均较高；而级配C细集料较少，粗集料较多，集料之间嵌挤接触点相对减少，因而抗压强度和抗压回弹模量较小。

2.2.2 空隙率与渗透系数的关系

根据试验得出不同空隙率透水沥青稳定碎石的渗水系数，绘制空隙率与渗水系数的关系曲线，如图7所示。

图7 空隙率与渗水系数的关系曲线

从图7可以看出，空隙率与渗水系数呈很好的正相关，它们的线性关系用公式表示为Y=0.097 6X-1.346 3。通过这个公式可以计算出空隙率为18%、20%、22%时沥青稳定碎石的渗水系数。

3 沥青路面整体透水能力的数值模拟

在前述研究内容的基础上，利用ABAQUS软件构建路面结构模型，研究降雨在路面结构内部的渗流情况，分析路面结构的蓄排水能力。所采用的路面结构如图8所示。

图8 路面结构

考虑到路基、路面结构具有对称性，本文采用半幅路的路面结构作为研究对象。路面半幅路宽度采用2个车道的宽度，取7.5 m，道路横坡为2%。透水路面通过透水式沥青稳定碎石基层排水，基层底部设定为无法透水的边界；所建模型的左侧不存在流量，因此设置为无法过水的边界；透水式沥青面层的上方存在降雨，所以设定为降雨边界；透水式沥青面层的右侧为排水断面，因此设定为零压力面。

以重庆市暴雨重现期为5年、历时为24 h的降雨条件为例，按照路面宽度为7.5 m，利用ABAQUS软件进行有限元模拟，如图9、10所示。

图9 586.9 min浸润线第一次与路表面相切

图10 611.9 min浸润线第二次与路表面相切

由图9、10可以看出，当设计暴雨重现期为5年、降雨历时为1 440 min的整个降雨过程中，路面结构内的水位随着降雨强度的变化和降雨历时的推移，呈现出先上升后下降的曲线形态。

降雨331.9 min时，降雨强度为1.494 mm·h-1，累计降雨量为8.346 mm，达到浸润线最低线，可以理解为降雨0～331.9 min为路面结构内部浸润的过程。降雨586.9 min时浸润线第一次与路表面相切，此时降雨强度为48.465 mm·h-1，累计降雨量为74.662 mm，说明在331.9～586.9 min路面结构内蓄积的雨水量在不断增大，路面结构中的水位线不断上升，雨水即将渗出透水沥青路面结构，此时降雨强度等于路面结构内部排水能力。降雨611.9 min时浸润线第二次与路表面相切，此时降雨强度为45.620 mm·h-1，说明在586.9～611.9 min，随着降雨强度的增加，路面结构表面将形成路表径流。在降雨611.9 min后，透水沥青路面结构能够承担之后的降雨，路面结构中的水位线不断下降。

透水沥青路面最重要的作用为降低路表的径流量，缓解强降雨下城市雨水管道的压力。通过图9、10可以得出，在24 h暴雨中，586.9～611.9 min时间段内由于降雨强度增大，将形成地表径流，而在0～586.9 min与611.9～1 440 min时间段，透水沥青路面结构未形成地表径流。因此，透水沥青路面的储水功能相当于一个排水系统缓冲，有效降低了暴雨时城市雨水管道的排水负担，通过延长高峰流量的时间，能够大大降低城市道路在暴雨时出现积水和内涝的概率。

4 结 语

由于城市的快速发展，大量的建筑和地面硬化形成“铁壳城市”，导致雨水无法渗透到地下。市政工程“海绵化”的核心思想是摒弃原有的雨水“快排”思路，致力于结合绿色设施和灰色设施，将雨水的收集、输送、净化、利用、排放等环节有机地统一起来并协调运作，最大程度发挥城市自身的排水和用水功能。据统计，普通城市中道路的覆盖率己经达8%～16%，大城市已经超过了22%，如将传统的密级配路面改为透水路面，可有效实现海绵城市的建设。由以上研究可知，采用透水性沥青路面结构可有效缓解暴雨季节所带来的城市内涝问题。文中只研究了路幅宽度为7.5 m的情况，且选用的是雨量相对较大的重庆市的降雨资料，当雨量增大，可通过增加路幅宽度的方法来增加排水能力，而现在大部分城市主干路的半幅宽度均在7.5 m以上，因此此种路面结构对大多数的海绵城市建设都是可用的。