透水路面滲透及降溫效果研究進展

摘要：指出了隨著城市化的不斷擴張，傳統硬質地面加劇城市熱島效應、城市洪澇也隨之頻發，透水路面因其可以增加城市可滲透下墊面面積、削減雨水徑流、緩解城市熱島效應而成為當今的研究熱點。以透水路面為研究對象，綜述了近年來國內外研究學者關于透水路面滲透及蒸發降溫效果影響的研究現狀，并展望了未來的研究方向。

關鍵詞：透水路面;滲透排水;蒸發降溫;降雨強度

中圖分類號：U416.2

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（ 2019） 24-0225-02

1 引言

隨著城市化不斷發展，城市綠地面積減少和不可滲透下墊面面積增加，這一定程度上破壞了自然生態，造成了城市熱島效應和洪澇災害。透水路面對降雨具有吸納、滲透和滯蓄的海綿效應[1]，在此基礎上對傳統硬質道路進行改造使其更適應城市戶外建設的要求，在增加城市可滲透下墊面面積、削減雨水徑流峰值、緩解城市熱島效應等方面發揮著重要作用。

2 透水路面概述

透水路面是指利用透水材料和透水結構讓一部分雨水滲透至土壤和地下水中，另一部分保留在材料基體或徑流通過管網系統排放的鋪筑材料，可有效提高路面滲透率，減小排水管網的壓力，削弱路面徑流峰值。本文參考常見的透水路面代表類型，根據其透水原理形式，主要分為以下四類：滲透路面、保水路面、縫隙型透水路面和格柵型透水路面[2，3]。

3 研究現狀

早在1970年初.美國佛羅里達州和東南部各州就最先應用上了透水路面，同一時期的日本也設立了透水鋪裝試驗區[4]。國外學者，對于透水鋪裝和透水路面的研究開展得較早，其成果也較為豐富，我國學者們更多關注透水路面的結構設計、機理與性能研究方面。

3.1 影響滲透效果研究現狀

合理設置透水材料配比和路面結構可以有效提高路面滲透率，削弱地表徑流峰值從而達到海綿城市建設目標。透水路面的面層材料和路面結構是影響滲透效果的最主要因素。Jennifer Faleyeux等[5]對不同透水鋪裝產品進行了透水特性測試，結果顯示在路面試件飽水情況下，對比8 cm厚多孔混凝土自透水路面磚、10 cm厚混凝土路面磚和10 cm厚混凝土植草磚，10 cm厚混凝土路面磚的平均透水率最佳。Neithalath，Lian C等[6，7]提出透水混凝土的透水系數與孔隙率兩者趨于正相關。

利用不同的雨強反映不同地區的降雨條件特點，在不同地域條件下學者們設置不同降雨強度進行透水路面的滲透效果測試。汪鴻山[8]建立了透水性瀝青路面的雨水滲流模擬模型，采用模擬方法研究了降雨強度對透水性瀝青路面雨水滲流的影響規律。研究結果表明，雨型對透水性瀝青路面滲透性能的影響比較明顯，并且I型雨型（降雨強度為18.8 mm/h）時透水性瀝青路面滲透速率明顯大于其他雨型的。張陽維等[9]對3種透水條件、3種降雨強度（0.8 mm/min、1.3 mm/min、2.9mm/min）及系列坡度組合下進行人工降雨徑流過程試驗，結果發現雨強與穩滲率之間仍可用冪函數加以描述，雨強越大穩滲率增加越快。

3.2 影響降溫效果研究現狀

不同的面層材料主要通過孔隙率和光反射率來影響透水路面的降溫效果，而與普通傳統密實級配路面相比有明顯的降溫效果。蔣甫[10]采用ANSYS研究了熱傳導和熱對流共同作用下的透水性瀝青路面的降溫效果，研究結果表明透水性瀝青路面降溫效果與其空隙率呈正線性關系。Junsong Wang等[11]對燒結陶瓷多孔磚（CB）和開級配透水混凝土（PC）做成的人行道模塊進行蒸發冷卻效果研究發現材料的吸水能力對透水材料的蒸發冷卻效果有重要影響，日間噴淋后CB-W的表面溫度降低了10℃，而PC-W降低了5℃。Starke P等[12]通過一系列的不同石料級配和基層厚度的透水路面進行蒸發率的實驗分析，發現使用相同材料的不同級配對蒸發率沒有顯著影響，而雙層基層厚度的透水路面比均質單基層厚度的透水路面減少了16%的蒸發率。

針對透水路面的降溫原理分析，路面孔隙內水分蒸發是最主要的降溫機理之一。透水路面的降溫效果主要通過孔隙熱對流和孔隙含水蒸發吸熱進行的。YongLiu等[13]比較了蒸發增強透水路面和常規透水路面的蒸發降溫效果，結果表明毛細管柱對提高水從底部到表面的蒸發具有重要作用，蒸發增強透水路面比常規透水

3.3 數值模擬步驟

模型模擬的施工階段主要包括以下5個階段，即地下車庫基坑開挖、通道明挖段基坑開挖、通道暗挖段開挖、通道明挖部分主體結構澆筑和車庫基礎施工及施加車庫荷載。

模型具體實施步驟分以下8步進行：第一步：初始應力分析，再位移清零，計算得到模型的初始應力場;第二步：區間隧道開挖及區間結構施工，應力、位移場計算;第三步：位移清零，實現已建隧道模擬;第四步：地下車庫基坑開挖，位移、應力場計算;第五步：通道明挖段基坑開挖，位移、應力場計算;第六步：通道暗挖段開挖，位移、應力場計算;第七步：通道明挖部分主體結構澆注，應力、位移場計算。第八步：車庫基礎施工及施加車庫荷載，應力、位移場計算。

4 模擬結果

數值模擬的結果主要分析基坑開挖及地下車庫等建構筑的修建對已建隧道襯砌縱向位移、橫向位移和豎向位移的影響。

4.1 隧道襯砌豎向位移

項目各個施工階段引起的隧道襯砌豎向位移見表2。

由表2中得知，項目的前3個施工階段，即（a）、（b）和（c）階段，隨著巖土體的不斷開挖，基坑會發生不斷卸荷，引起基坑回彈，進而引起下方隧道襯砌發生回彈，但由于通道暗挖段_[程量遠小于通道明挖段工程量，所以前者開挖引起的位移相比于后者無明顯變化。（d）、（e）階段，由于結構荷載的施加，隧道襯砌豎向位移有明顯減小。根據規范[5]軌道交通隧道的豎向位移控制值不得大于20 mm，而項目中隧道襯砌最大豎向位移僅達到4. 34 mm，所以豎向位移遠滿足規范要求。

4.2 隧道襯砌橫向位移

項目各個施工階段情況下所引起的隧道襯砌橫向位移見表3。

由表3中得知，項目的前三個施工階段，即（a）、（b）和（c）階段，隨著巖土體的不斷開挖，引起下方隧道襯砌的橫向位移增加，但由于通道暗挖段工程量遠小于通道明挖段工程量，所以前者開挖引起的位移相比于后者無明顯變化。（d）、（e）階段，由于結構荷載的施加，隧道襯砌橫向位移有明顯減小。根據規范[5]軌道交通隧道的橫向位移控制值不得大于20 mm，而項目中隧道襯砌最大橫向位移僅為1. 03 mm，所以橫向位移遠滿足規范要求。

4.3 隧道襯砌縱向位移

項目各個施工階段所引起的隧道襯砌縱向位移見表4。

由表4中得知，項目的前3個施工階段，即（a）、（b）和（c）階段，隨著巖土體的不斷開挖，基坑會發生不斷卸荷，引起基坑回彈的同時，進而引起下方隧道襯砌產生縱向位移，但由于通道暗挖段工程量遠小于通道明挖段工程量，所以前者開挖引起的位移相比于后者無明顯變化。（d）、（e）階段，由于結構荷載的施加，隧道襯砌縱向位移有明顯減小。根據規范[5]軌道交通隧道的變形相對曲率控制值不得大于1/2500，該處發生的最大縱向位移僅為1. 835 mm，其對應的變形相對曲率無限小，所以滿足該要求。

通過前面對隧道襯砌發生的最大豎向位移、最大橫向位移和最大縱向位移的分析，可以看出，項目施工對隧道產生最大位移的階段都是在項目的通道暗挖段基坑開挖階段，并且所產生的位移均滿足相關規范的要求，所以基坑開挖不會影響下方臨近軌道的正常運行。

5 結論及建議

通過對該項目在實施前進行三維數值模擬，得出以下結論。

（1）項目施工過程中，理論上在通道暗挖段基坑開挖階段引起隧道襯砌產生最大位移，但由于通道暗挖段的工程量相比于通道明挖段的工程量較小，所以在位移的數值上，前者無明顯變化。

（2）基坑開挖及建構筑物荷載施加對隧道產生的位移，均滿足現行規范要求，所以項目施工過程中，對隧道產生的影響不會影響到隧道的正常運行;但為了安全起見，建議在項目施工過程中，應采取對隧道保護的安全施工措施。

（3）模擬過程中，沒有考慮基坑開挖抽取地下水對隧道襯砌的影響，后期的研究可以對其予以考慮。

參考文獻：

[l]戚科駿，王旭東，蔣 剛，等.臨近地鐵隧道的深基坑開挖分析[J].巖石力學與工程學報，2005，24（S2）：5485-5489.

[2]姜向紅，喬恒昌，在運營的地鐵隧道上方進行大面積基坑施工[J].上海建設科技，2007（6）：29～31，37.

[3]劉國彬，黃院雄，侯學淵，基坑工程下已運行地鐵區間隧道上抬變形的控制研究與實踐[J].巖石力學與工程學報，2001（2）.

[4]張玉成，楊光華，姚捷，等.基坑開挖卸荷對下方既有地鐵隧道影響的數值仿真分析[J].巖土工程學報，2010（SI）：109-115.

[5]中華人民共和國行業標準.CJJ/T 202 - 2013城市軌道交通結構安全保護技術規范[S].北京：中國建筑工業版社，2014.

收稿日期：2019-11-21

作者簡介：梁凱云（1994-）.女，碩士研究生，研究方向為透水路面的雨洪管理及降溫節能。