马昱斐，谢昊文，高成
(河海大学水文与水资源学院，江苏南京210098)
摘要：城市不透水地面面积的增加，使得城市内涝灾害愈加严重，而道路透水铺装对缓解这一问题具有显著的改善作用。设计了一种新型透水铺装导水结构，采用实验室试验与ABAQUS模拟相结合的研究方法，对新型透水铺装导水结构的渗透系数进行测定。结果表明，40 mm的新型透水铺装导水结构的下渗速率最大；ABAQUS模拟得，进流速度为0.005 09 m/s时，40 mm的新型透水铺装导水结构的最大渗透流速为0.036 74 m/s；在相同的实验条件下，新型透水铺装导水结构的渗透系数为0.006 36 m/s，同体积碎石透水铺装的渗透系数为0.004 56 m/s。因而该新型导水结构下渗速率大，渗透效果优于传统透水铺装。该成果为削减地面径流提供了新方法，对道路透水铺装的研究具有借鉴作用。
关键词：透水铺装；导水结构；地面径流；ABAQUS
随着城市化进程的加剧，不透水面积快速增加，导致内涝风险显著增加。透水铺装作为海绵城市建设的技术之一，对缓解这一问题具有显著的改善作用[1]。
目前国内对透水铺装的研究大体分为半透水性铺装(透水面层、透水基层、不透水基层、土基)、全透水性铺装(透水面层、透水基层、土基)两种结构形式，根据铺装区域的地质条件、地下空间情况等的变化，采用不同的铺装材料[2]。2014年10月颁布的《海绵城市建设技术指南》给出了透水混凝土路面、透水沥青路面、透水砖路面的相应规范要求。
国外研究人员对透水铺装研究的侧重点一方面在于透水铺面对地表径流的抑制和增加雨水下渗率的作用，对于透水铺装的分类、常用结构、设计要素及关键点、施工程序、护养等都给出了较为详细的说明；另一方面在于透水装置对地表径流引起的污染物扩散的抑制作用，如对碳氢化合物、重金属等对下层土壤、地下水、排水口下游自然水体污染的抑制。美国在2007年针对透水铺装的类型做出实验，4种铺面分别为：透水混凝土铺面、两种不同表面空隙面积的透水联锁块铺面、填砂的镂空砖铺面和镂空砖铺面，通过实验观测其在地表径流量、总流出水量、洪峰流速、洪峰延时等方面的水文差异，并分析了影响他们透水效果的因素[3]。而这些研究都是在传统的透水铺面(图1)上进行的，仍存在渗透效果差，铺装工序复杂等问题[4]。图1中各结构为：进水口1、顶部支撑2、底部支撑3、过水管4。
图1 传统导水结构
针对目前道路透水铺装材料消耗较多、修建道路工序较复杂的现状，本文对铺面内导水管架构[5]提出了一种新的设想(图2)：采用放射状导水管组合，增加了球型滞洪器，采用分段式排水管组合，减少导水管的原材料使用，用较少的成本获得相同甚至更高效的排水效果，同时减少了铺设路面的实际工作量，节约人力成本。图2中各结构为：放射状导水管组合1、支撑结构2、滞洪结构3、分段式排水管组合4。使用时，在施工地段挖深地面至合适深度后放入该导水结构，填上碎石直到滞洪结构被填埋，形成碎石蓄水层，然后在碎石蓄水层上端的导水结构部分浇注水泥后，形成成品铺面。
当强降水来临时，水流从露出地面的排水孔流入放射状导水管组合，再进入到滞洪结构，减缓流速进入分段式排水管组合，从不同深度的排水管道排出整个管道组合，进入不同深度的砂石中，以此达到排涝的目的。通过实验室试验与ABAQUS模拟相结合的研究方法，对新型针状导水结构的透水性进行测试，以期为道路透水铺装的研究提供既不影响降雨下渗、又能节约成本的新方案。
图2 新型导水结构
为更加准确地得到结果，采用实验室试验与ABAQUS软件模拟相结合的方法对新型导水结构进行测试，技术路线见图3。
图3 技术路线
实验室试验分为“球型滞洪器最佳滞洪能力的尺寸确定试验”和“新型透水铺装导水结构渗透系数的测定试验”两部分，“球型滞洪器最佳滞洪能力的尺寸确定试验”分别对球型直径为30、35、40、45、50 mm的模具进行测试，通过模拟降雨条件下的地面积水情况，测定降雨过程中渗水量为总雨量的25%、50%、75%、100%时的下渗速率，利用MATLAB拟合出下渗速率过程线，从而得出最佳滞洪能力的模具尺寸。“新型透水铺装导水结构渗透系数的测定试验”采用常水头测试法，分别对含有新型导水结构和不含导水结构的透水铺装进行透水性测试，通过比较其渗透系数，定量地对新型透水铺装导水结构进行评价。
ABAQUS软件模拟对不同尺寸的模具进行透水性测试，用以验证实验室试验结果，该模拟以有限元分析法为基础，通过Abaqus/CFD[6]计算流体运动方程,建立不可压缩流体动量守恒方程，其不可压缩流体求解器采用守恒方程的积分形式。采用投影方法计算非定常流动，采用SIMPLE method计算定常流动。在离散化模型时，Abaqus/CFD对流体压力采用node-centered的有限元方法，而对其他变量(流速、温度、湍流等)采用cell-centered的有限体积方法。这种混合离散方法既能保证求解的精确度，又能在保留与传统有限体积法相关的局部守恒属性的基础上，消除伪压力模式(spurious pressure modes)。
3.1 球型滞洪器最佳滞洪能力的尺寸确定试验
本试验通过模拟降雨后的地面径流，对5个尺寸的模具进行滞洪能力的测试，分别测定降雨过程中渗水量为总雨量的25%、50%、75%、100%时的下渗速率，利用MATLAB拟合出每个模具的下渗流量过程曲线，见图4，相同的下渗量百分比(下渗量比总雨量)下，流量越大，则相同时间内的下渗量越大，从而滞留洪水的效果越好。通过比较不同尺寸的模具在相同下渗百分比下的流量，确定最佳滞洪能力的模具尺寸。
图4 下渗流量过程曲线
由图4可以看出，在相同的下渗量百分比下，40 mm模具的流量最大，所以40 mm模具的下渗效果最好，从而得出相同出流量下所需时间也最短，因而40 mm模具的滞洪能力最好。据此，在接下来的新型透水铺装导水结构透水性能的验证试验中，将选用40 mm的模具进行试验。
3.2 新型透水铺装导水结构渗透系数的测定试验
3.2.1 试验目的
本试验按照JCT 945—2005《透水砖行业标准》中的试验仪器要求，采用常水头测试法[7]，通过比较新型导水结构断面与无导水结构的透水铺装断面的渗透系数，对新型透水铺装导水结构断面进行透水性能测试。
3.2.2 试验装置
本试验的试验装置，见图5。该实验装置图中各结构分别为：供水系统1、溢流口2、溢流水槽3、支架4、试样5、量筒6、水位差7、水圆筒8。
图5 实验装置
a) 供水系统与溢流水槽。供水系统为长软水管直接联通水龙头供水，溢流水槽为45 cm×45 cm×45 cm，厚6 mm的钢化玻璃箱，在38 cm(底部到溢流口的高度)处，有直径3 cm的排水口。图6为供水系统，通过软管提供试验用水。图7为溢流水槽。
图6 供水系统
图7 溢流水槽
b) 水圆筒与支架。水圆筒(图8)为20 cm×20 cm×50 cm，厚6 mm的钢化玻璃箱。底部有直径8 mm的21个小孔(图9)。在44 cm(底部到溢流口的高度)处有直径3 cm的溢流口。支架为两条厚2 cm的钢化玻璃条。
图8 水圆筒
图9 水圆筒底部
3.2.3 试验对象
选取试验对象为带有新型的透水铺装导水结构的铺装，与不带有导水结构的两种铺装结构，铺装结构按照《透水人行道施工技术要求》在实验室中制备，大小为20 cm×20 cm，厚度和结构见表1。
表1 两种铺装结构的结构形式
3.2.4 试验过程
将装有铺装结构一的水圆筒置于溢流水槽中，底部垫有支架。打开进水阀门，向水圆筒供水。保持水圆筒水位高度恒定于刻度处，观察溢流槽溢流口和水圆筒出水口的水流量情况，待二者的流量较为稳定后，便可以在出水口用准备好的量筒接水。读取量筒中溢流5 min的渗水量。铺装结构二的试验过程与上述步骤相同。
3.2.5 试验结果
根据达西定律，计算渗透系数k。具体试验结果见表2。
k=
(1)
式中 q——渗透流量，m3/s；L——试样长度，m；A——试样的横断面面积，m2；H——入水口与出水口过水断面水头差，m。
表2 试验记录
试验对象时间/s水头差/mm断面面积/mm2试件长度/cm渗透水量/mL平均渗透水量/mL300200400003444390300200400003445400铺装一30020040000344450030020040000344558030020040000344466044906300200400003432200300200400003434600铺装二30020040000343220030020040000343360030020040000343240032160
将表2中每种铺装的渗透水量取平均值，再将平均渗透水量带入式(1)，得到两种铺装的渗透系数k，结果见表3。
表3 试验结果
试验对象时间/s水头差/mm断面面积/mm2试件长度/cm渗透水量/mL渗透系数/(m·s-1)铺装一3002004000034449060.00636铺装二3002004000034321600.00456
由表3知，新型透水铺装导水结构的渗透系数为0.006 36 m/s，而同体积的碎石透水铺装的渗透系数为0.004 56 m/s，因而新型的导水结构的渗透系数更大。
4.1 模拟过程
将材料属性设为均质流体；定义分析部，时间长度为1 s，不应用湍流模型；设置边界条件，将导水结构上部孔口设置为入水口，进流速度设为0.005 09 m/s，这里的进流速度是由球型滞洪器滞洪能力的验证试验中的平均进流量得来的，使模拟结果与试验结果具有可比性。下部孔口设置压强为0 Pa，外部设置为流体壁，引用无滑动模型。之后再引用四面体单位进行网格划分，最后进行有限元分析，运行得到可视化结果[8](图10为40 mm的运行结果)。最终得出不同尺寸(30、35、40、45、50 mm)导水结构在入流速度为0.005 09 m/s时的最大出流速度，见表4。
表4 ABAQUS模拟结果
试件尺寸/mm3035404550最大流速/(m·s-1)0.029570.030310.036740.030160.02978
4.2 模拟结果分析
本次模拟测试的优化目标为确定最大流速最大模具尺寸。由表4知，40 mm模具的最大流速最大，为0.036 74 m/s。
由流速测试结果知，流速最大，即下渗效果最好的模具尺寸为40 mm，该结果与实验室试验的结果相吻合。下渗速率决定着该新型导水结构对地面径流削减的效果，故将最大流速最大作为优化的主要目标，模拟结果说明新型透水铺装导水结构具有较大的下渗速率，能在一定程度上削减地表径流，对道路透水铺装的研究具有借鉴作用。
图10 40 mm模具流速测试
a) 实验室试验结果表明，40 mm导水结构的下渗速率最大，相同时间内的下渗量最大。
b) 通过与传统碎石透水铺装比较，新型导水结构的渗透系数更大，对地面径流的削减作用更强。
c) 通过ABAQUS分析知，40 mm导水结构的最大流速最大，验证了实验室试验的结果。
d) 实验室试验与ABAQUS模拟相结合，定量地说明新型透水铺装导水结构下渗速率大，渗透效果优于传统透水铺装。
参考文献：
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[2] 张书函,陈建刚,赵飞,等.透水砖铺装地面的技术指标和设计方法分析[J].中国给水排水,2011(27):15-17.
[3] 赵飞,陈建刚,张书函，等.透水铺装地面降雨产流模型研究[J].给水排水,2010,36(5):154-159.
[4] 王波,霍亮,高建明,透水性地砖蒸发试验研究[J].四川建筑科学研究,2004(3):102-104.
[5] 陈瑞文.结构性空调导水铺面对陆生圈生态环境之贡献[C]//第三届海峡两岸土木建筑学术研讨会论文集,2007:80-87.
[6] 王福军.计算流体力学分析——CFD软件原理和应用[M].清华大学出版社,2004.
[7] 韩理亚.城市道路透水铺装透水功能设计计算与应用研究[D].青岛：青岛理工大学,2014.
[8] 费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.
(责任编辑：程茜)
A Study on Hydraulic Conductivity of a New-style Water Structure of Permeable Pavement
MA Yufei，XIE Haowen，GAO Cheng
(School of Hydrology and Water Recourses Hohai University，Nanjing 210098，China)
Abstract：Increasing use of impermeable pavement in urban surface caused serious waterlogging disasters. Permeable pavement has a significant effect to alleviate this problem. This paper designed a new-style water structure of permeable pavement, and used a combined method of bench-scale experiment and ABAQUS simulation for the hydraulic conductivity test. The results show that the infiltration velocity of?the new permeable pavement structure of 40 millimeters is the largest. In ABAQUS simulation, when the rate of inflow is 0.005 09 meters per second, the maximum infiltration velocity of the new permeable pavement structure of 40 millimeters is 0.036 74meters per second. Under the same experimental conditions, the hydraulic conductivity of the new permeable pavement is 0.006 36 meters per second, when the same volume of macadam permeable pavement is 0.004 56 meters per second. Therefore, the infiltration effect of the new permeable pavement structure is superior to the traditional permeable pavement. The achievements provide a new method to reduce surface runoff and have a referential role for the study of permeable pavement .
Keywords：permeable pavement; water structure; surface runoff; ABAQUS
基金项目：国家自然科学基金青年项目(41301016)；中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室开放研究基金(IWHR-SKL-201210)
收稿日期：2017-02-08
作者简介：马昱斐，女，从事低影响开发措施研究。E-mail：hhuhydro@163.com
通讯作者：高成，男，主要从事低影响开发措施研究。E-mail：gchohai@163.com
中图分类号：TV997
文献标识码：B
文章编号：1001-9235(2017)6-0024-05
马昱斐，谢昊文，高成.新型透水铺装导水结构渗透系数的研究[J].人民珠江，2017,38(6)：24-28.
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