透水性瀝青路面透水機理研究

崔飛濤

透水性瀝青路面(Porous Asphalt Pavement)所采用的透水性瀝青混合料具有孔隙率大和骨料含量較多的特點。因此，透水性瀝青路面具有良好的透水性能，可有效減少路表積水，避免因積水而引起的水霧、水濺、水漂及夜間眩光現(xiàn)象，提高了行車的安全性。由于透水性瀝青路面具有一系列的優(yōu)點，所以近年來在國內(nèi)得到大量的應(yīng)用。要進行透水性瀝青路面結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計，首先必須了解透水性瀝青路面結(jié)構(gòu)層的雨水滲透與排出情況，以確定對應(yīng)的透水性瀝青路面面層的孔隙率、厚度及排水方式的設(shè)計，并確定出相應(yīng)的透水性瀝青路面的透水能力。

1 透水性瀝青路面的產(chǎn)流機制和方式

1.1 透水性瀝青路面的產(chǎn)流機制

雨水從路表垂直向下滲入透水性瀝青路面由兩個階段組成。第一階段為外界控制階段，若外界給水速率不超過透水性瀝青路面的下滲能力，則入滲速率等于來水速率。第二階段為透水性瀝青路面控制階段，隨著透水性路面飽和程度的增加，透水路面?zhèn)鲗?dǎo)水的能力減弱，當(dāng)小于外界給水速率時，開始有一部分雨水通過路表綜合坡度排出路面，形成地表徑流。此時入滲速率等于透水性瀝青路面的下滲能力，下滲能力一直減小直至等于透水性瀝青路面的飽和水力傳導(dǎo)度(滲透能力)。

1.2 透水性瀝青路面的產(chǎn)流方式

圖1為在某一穩(wěn)定的降雨強度下一次降雨過程中透水性瀝青路面的入滲情況。在圖中，R為某一穩(wěn)定的降雨強度，d—e為水力傳導(dǎo)度曲線，隨著降雨歷時的延長而傳導(dǎo)水的能力逐漸變小最終趨于飽和水力傳導(dǎo)度Ks。a—b—c為透水性瀝青路面的入滲曲線，開始時由于透水性瀝青路面?zhèn)鲗?dǎo)能力大于降雨強度 R，降雨全部入滲到透水性瀝青路面內(nèi)部，t1時刻后透水性瀝青路面?zhèn)鲗?dǎo)能力小于降雨強度，但是由于透水性瀝青路面不可能絕對平整，存在低洼甚至有坑洞的地方，而且在形成地表徑流之前路面會允許一定的厚度的水膜存在，因此地表徑流不會在水力傳導(dǎo)度一開始低于降雨強度的情況下就出現(xiàn)，而是會有一個滯后的過程，這個過程就是填充路面坑洼不平處和形成臨界水膜的過程。當(dāng)進入透水性路面入滲能力控制階段 t2時刻以后，地表徑流開始形成，透水性瀝青路面滲透能力逐漸減弱趨近于Ks。

2 滲透計算模型研究

2.1 邊界條件分析

2.2 滲透計算模型

以透水性瀝青路面右邊緣路床層底的水平線為 x軸，并假設(shè)x軸是相對標(biāo)高為零的基準(zhǔn)面。在透水性瀝青路面端點 x處，將透水性瀝青路面連同路床一起切出寬度為dx的一個微分段，在這個微分段上，雨水通過透水性瀝青路面滲透到其下部路床中，設(shè)透水性瀝青路面上部的水頭為φ1，透水性瀝青路面下部的水頭為φ2，則雨水從這段透水性瀝青路面的頂面通過透水性瀝青路面滲透到其底面的水頭損失為Δφ=φ1-φ2，若該段透水性瀝青路面的厚度為H，那么在這一段透水性瀝青路面內(nèi)，滲透的水力坡降為J=(φ1-φ2)/H。因此通過這段透水性瀝青路面滲透到路床的滲透量為:

2.3 滲透量計算

透水性瀝青路面的蓄水量主要取決于路面結(jié)構(gòu)層孔隙率的大小、路面結(jié)構(gòu)的厚度、降雨歷時及透水性瀝青路面下部路床的滲透能力的大小，透水性瀝青路面的蓄水量可用下式計算:

其中，Q0為透水性瀝青路面的蓄水量，cm3/m2;i為降雨強度，mm/h;K0為路床平均滲透系數(shù)，cm/h;t為降雨的持續(xù)時間，min。

3 滲透系數(shù)分析

3.1 入滲強度

瞬時水力傳導(dǎo)度是一個變化的值，它隨透水性瀝青路面的初始狀態(tài)和降雨的持續(xù)而改變，而飽和水力傳導(dǎo)度Ks是一個相對穩(wěn)定的值，它與透水性瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的材料性質(zhì)與組成形式有關(guān)。因此采用Ks作為設(shè)計指標(biāo)，則入滲強度可以確定為:當(dāng)降雨強度 i大于飽和水力傳導(dǎo)度Ks時，入滲強度就是 Ks;當(dāng)降雨強度 i＜Ks時，入滲強度就是降雨強度 i。降雨強度按JTJ 018-97公路排水設(shè)計規(guī)范確定。

3.2 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)K(也稱水力傳導(dǎo)系數(shù))，是透水性瀝青混合料滲透能力的重要參數(shù)。滲透系數(shù)不僅取決于材料的性質(zhì)(如粒度、成分、顆粒排列、填充情況等)，而且與滲透液體的物理性質(zhì)(如容重、粘滯性等)有關(guān)。

用靜壓的方法將要試驗的混合料采用標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件成型，將成型的試件周向密封處理后放入滲水儀的套筒內(nèi)，調(diào)節(jié)出口處軟管的高度，可通過測壓管讀出進水口和出水口的水位差Δh，待出水口的出水穩(wěn)定后記錄 3 min內(nèi)透過試件的水量 Q，便可求出透水性瀝青混合料的飽和滲透系數(shù)K，其計算公式為:

其中，Q為t時間內(nèi)透過橫斷面為A的試件流量，cm3，A為試件的橫截面面積，cm2;I為水力坡降，I=h/L，h為水頭損失，cm，L為試件的有效長度，cm。

4 目標(biāo)空隙率的確定

由于透水性瀝青路面應(yīng)用場所和要實現(xiàn)功能的不同，透水性瀝青路面結(jié)構(gòu)形式和透水性瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的目標(biāo)空隙率會有較大差別。透水性瀝青混合料所需透水能力是保證控制由于降暴雨形成地表徑流的滲透系數(shù)，以此為目標(biāo)確定透水性瀝青混合料的目標(biāo)空隙率。

對長度為 L，單向車道寬度為B的透水性瀝青路面而言，實際滲透量為:

其中，Q實為透水性瀝青路面實際滲透量，m3;K實為試件實際滲透系數(shù)，cm/s;J為透水性瀝青路面的合成坡度;F為透水性瀝青路面面積，F(xiàn)=L×B;t為降雨歷時，min。

為了控制透水性瀝青路面地表徑流的產(chǎn)生，要求滿足下式:

將式(4)和式(5)代入式(6)可得透水性瀝青混合料控制地表徑流產(chǎn)生的目標(biāo)孔隙率表達式為:

其中，V有效為透水性瀝青混合料有效孔隙率;Q徑為地表徑流量，m3/s;其他參數(shù)同上。

5 結(jié)語

由于透水性瀝青路面的透水是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，是透水性瀝青路面結(jié)構(gòu)及土基的滲透能力相互作用的最終表現(xiàn)。本文首先在分析透水性瀝青路面的透水機理過程的基礎(chǔ)上，研究透水性瀝青路面滲透的計算模型，通過計算模型計算透水性瀝青路面的滲透量，通過對透水性瀝青混合料滲透試驗分析，最終確定透水性瀝青路面地表徑流量與目標(biāo)空隙率的關(guān)系，為透水性瀝青路面的推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

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