排水沥青路面极限排水强度

2020-12-22何兆益张从友

东南大学学报（自然科学版） 2020年6期

汪敏何兆益张从友

(1重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)(2重庆市市政设计研究院，重庆 400020)

目前国内外常用渗透系数作为表征排水沥青路面排水能力的评价指标，不同学者采用不同理论与方法，研究不同的渗透系数测试方法[1-15].总结这些研究发现，国内外尚无统一的渗透系数测试方法，测试原理大多是基于达西(Darcy)定律而研究得出的测试装置和计算公式，且渗透系数的测试均为通过室内试验成型的标准试件进行的相关实验，不能综合反映不同路面结构设计参数、路线设计参数和混合料设计参数下沥青混合料的排水能力.

渗透系数虽然能够说明多孔介质的透水性，但不能单独说明含水层的排水能力，相同渗透系数的多孔介质含水层在不同厚度条件下其排水能力存在很大差异.若含水层有较大渗透系数，但含水层的厚度较小，其排水能力也很有限.采用渗透系数的不足主要有2个方面：①室内、室外测量较难统一.②即使是室内试验，不同研究采用的测试方法(常水头/变水头)、水力梯度、试件尺寸都会对渗透系数的测量存在影响[7-8].为提高排水沥青路面设计可靠性并弥补渗透系数表征排水能力存在的不足，本文基于实际降雨特征和雨水在排水层中的实际渗透特点，自主研发测试设备(极限排水强度测试仪)，采用测试结果极限排水强度来表征排水沥青路面所能承受的瞬时降雨强度，用以反映排水沥青路面的排水能力.

1 极限排水强度测试仪

排水沥青路面出现表面径流临界状态时，雨水充分填充了排水面层内部所有空隙和路表坑槽孔洞，此时最大潜水面厚度与路面排水层厚度相等，排水表层水力传导度趋于饱和值，外界给水速率与排水层的入渗能力刚好相等.若外界给水速率增大，则路面将产生表面径流，出现水膜[10].

设定某一稳定降雨强度，排水路面在临界状态即将出现水膜的某一时刻的稳定降雨强度为排水表层所能承受的最大瞬时降雨强度，定义所对应的水流速度为极限排水强度，计算式为

(1)

式中，qmax为试件所能承受的最大瞬时降雨强度，mm/min；Qmax为试件的极限排水强度，mL/min；b为试件宽度，取b=300 mm；L为试件长度，取L=300 mm.

当给水速度小于路面的极限排水强度时，外界供水能被排水表层充分排出；当给水速度大于路面的极限排水强度时，外界供水的一部分由排水表层排出，多余水分不能及时排出时，将形成表面径流，沿着路面坡度从路表面排出.

雨水在渗流过程中竖向渗透和横向渗透同时存在，两者共同作用才能形成完整的排水路径周期，达到排水效果[4].因此，本文模拟实际路面边界条件，自主研发极限排水强度测试仪，已获国家专利，如图1 所示.

极限排水强度测试仪由水箱、水泵、阀门、流速表、降雨喷头、试件固定装置、液位探测仪、导电棒、承台和螺栓、铰链组成.其中，喷头用以模拟降雨，完全覆盖试件表面；实际排水沥青路面的边界条件则用试件固定装置来模拟，底板和侧板要求密封.试验可以模拟当路表出现径流临界状态时，路面水分在分子凝聚力的作用下形成具有一定厚度的水膜.由于水是导电介质，通过导电棒使液位探测仪形成闭合回路，从而开始工作，此时流速表上的读数即为极限排水强度Qmax，表示单位时间内排水的体积，与流速的单位一致，即mL/min.

图1 极限排水强度测试仪

对比极限排水强度测试仪和国内外学者研究的渗透系数测试仪发现[1-15]，室内试验通常采用基于常水头的竖向渗透系数测试仪和基于车辙板试件的横向渗透系数测试仪来表征排水沥青混合料的排水能力.竖向渗透系数测试仪采用的是标准马歇尔试件，所测试的结果是排水沥青路面整个面层的排水能力，而非排水表层的排水能力；且渗透系数测量时只能够改变试件的空隙率，而厚度和坡度指标无法根据试验需求变化.横向渗透系数测试仪的雨水入渗面与实际路面的雨水入渗面不同，不符合实际降雨特征.而本文研发仪器弥补了以上缺陷：① 能更客观模拟实际小范围雨水均匀分散降落在路表面的降雨特征，且降雨入渗面和水流输出面与实际路面相同；② 试验渗流特征与实际路面的渗流特征相同，不需要考虑水在路面结构内部空隙流动状态，可视为三维无压渗流；③ 将竖向渗透系数与横向渗透系数相结合，不再进行区分研究，且模拟实际渗流边界条件，还原实际降雨和渗水工况特性；④ 利用液位探测仪客观模拟量化路面出现表面径流的临界状态，减少试验误差；⑤ 所测得的极限排水强度与瞬时降雨强度密切相关，能更直接客观体现排水沥青路面所能承受的暴雨强度，反映其极限排水能力大小.

2 极限排水强度与空隙率关系

根据排水沥青路面与排水层厚度、排水横坡和空隙率的相关关系，假定因素与响应之间预测模型为多元高次多项式非线性回归模型，用DPS数据处理软件对模型进行多因子及平方项逐步回归，得到极限排水强度与影响因素的回归模型式[5]为

Qmax=18.037d+54.037ih+2.158V2-1 466.083
R2=0.946 4

(2)

式中，d为排水层厚度，mm；ih为排水横坡，%；V为排水沥青混合料空隙率，%.

结合回归模型(2)可以看出，极限排水强度Qmax与混合料空隙率呈指数递增关系，增加空隙率将显著增大路面排水能力.

根据式(2)选取排水沥青路面常见的空隙率指标19%、20%、21%、22%、23%作为研究对象，建立排水沥青路面在不同空隙率条件下的极限排水强度的3D模型，如图2所示.

图2 不同空隙率条件下极限排水强度3D模型

从图2可以看出，排水层厚度和排水横坡增大时，混合料试件极限排水强度随之增大；若仅考虑排水层厚变化影响，或只考虑排水横坡变化的影响，沥青混合料试件的极限排水强度均呈线性增长的趋势，这与研究排水层厚度和排水横坡单因素影响时变化趋势相同；当排水沥青路面的空隙率不变时，极限排水强度的3D模型为平面模型.同时也看到，空隙率越大，极限排水强度3D模型平面所对应的极限排水强度值越大，所能承受的最大瞬时降雨强度越大.

道路设计时，首先需从路面结构强度、稳定性、耐久性等方面设计路面各结构层和功能层之间厚度组合，以保证路面具有良好的稳定性和耐久性等路用性能；其次需从路线设计的合理性、驾驶安全性等方面设计路面的横坡，以保证驾驶安全可靠，因此需科学确定排水沥青路面坡度.在确定排水层厚度和排水横坡的基础上，利用极限排水强度3D模型可以预测路面所需空隙率大小.

同理，由极限排水强度3D模型可以对特定环境下的排水路面设计进行优化.

3 极限排水强度与渗透系数关系

目前室内渗透系数试验的假设前提是水在沥青混合料空隙中的流动是层流，但实际路面状况中的雨水则是无规则的流动，可见，当前渗透系数试验的结果与真实情况有一定差异.本文所研发的极限排水强度仪在设计时就综合考虑了水流的流动状态，所以结果更符合实际情况.

本文基于均匀试验设计法将排水层厚度与排水横坡相组合来进行极限排水强度与渗透系数的关系研究.空隙率设定为18%～25%，排水层厚度、排水横坡、空隙率即为均匀试验设计的三因素X1、X2、X3，按照每个因素的设计范围与公差数值，每个因素均设定为5个水平，选择三因素五水平U5(53)均匀试验设计，试验设计方案如表 1所示.

表1 均匀试验设计方案

通过在室内开展排水沥青混合料透水试验研究不同空隙率条件下渗透系数关系，得出渗透系数与空隙率的回归模型为[5]

K=0.004 8V2-0.162 0V+1.486 7
R2=0.912 0

(3)

式中，K为试件渗透系数，cm/s.

结合回归模型(2)和(3)，研究不同空隙率下极限排水强度Qmax与渗透系数K的关系，计算结果如表2所示.

对表 2中数据进行拟合，对不同的拟合方程进行优选，得到其关系式为

Qmax=505.80lnK+180.037 0d+54.037 2ih+
293.27R2=0.990 86

(4)

将渗透系数K用极限排水强度Qmax表征，即

表2 不同空隙率下渗透系数值和极限排水强度

(5)

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中沥青路面的渗水系数测试方法采用路面渗水仪，表征单位时间内路面内部结构空隙渗透水的总量.由于排水沥青混合料具有大空隙特征，文献[16]研究表明，大空隙沥青路面只适宜测试无压下的渗水系数，路面渗水仪在渗水系数测定中，水流速度快时间少，无法精准地记录每次测试所用的渗流时间，因此该试验方法所测得的数据离散性大，精确度不高.

通过式(5)可以看到，渗透系数与极限排水强度呈正相关，而与排水层厚度和排水横坡呈负相关.基于当前渗透系数测试方法精度不高的难题，可以利用测试其极限排水强度来换算得出更准确的渗透系数.

对表2中数据进行分析，建立渗透系数与极限排水强度规律直观图，如图3所示.由图可见，不同组合下极限排水强度与渗透系数K的关系变化规律和趋势相同，都随渗透系数增大而增大；在相同渗透系数时，排水层厚度对极限排水强度的影响更加显著，呈正相关；在厚度相差不大的情况下(±5 mm)，排水横坡的影响起主导作用，ih越大，极限排水强度则越大.

图3 极限排水强度与渗透系数关系

实际排水沥青路面的排水能力影响因素众多，路面几何尺寸方面，除路面厚度外，水流排出路面的最大距离也是重要的影响因素.但在暴雨状态下，整个路面都已经被雨水覆盖，排水路径已经不是主要考虑的因素，路面自身的极限排水能力是此时的重要评价指标.同时，极限排水能力可以用来描述降雨强度的大小，减少了排水路径长度和水头差的测量，结果更加稳定.由于室内试验的试件与实际路面尺寸存在一定的差异，模拟试验与真实路面排水能力之间仍会存在一定的差距，这就需要通过增加试件数量和试验次数来降低这种误差，提高准确度.