透水磚模擬降雨動態堵塞行為測試裝置設計與應用

金雪莉 廖仕樂 朱俊炫 盧任機 李淑晶

（廣州番禺職業技術學院建筑工程學院）

1 引言

隨著人們對城市生態環境認識的提升，結合國情，我國提出了海綿城市建設的發展思路，2016 年我國海綿城市試點城市達到30 個，海綿城市建設進入快速推進階段。硬質透水鋪裝作為海綿城市建設的關鍵技術，廣泛應用于城市輕型荷載道路、廣場、步行街、露天停車場等場所，是實現雨水自然滲透到地下的重要手段之一，同時新的綠色建筑評價標準規定硬質鋪裝地面中透水鋪裝面積的比例要達到50%，這些要求都促進了城市建設對各類透水磚的需求。

經過幾年的大力建設，人們發現透水鋪裝在使用過程中出現不同情況的堵塞，大大降低了滲透速率，嚴重影響透水效果。國內外一些研究團隊做了相關透水材料堵塞的研究。澳大利亞研究團隊T er r y Luc k e[1]用＜300μm 和＜1.18mm的實際雨水沉積物通過透水性路面做了18 個不同降雨速率的試驗，研究初始滲透速率與最終滲透速率之間的關系，得出不同粒徑的沉積物在不同降雨強度的作用下堵塞程度，該實驗測試對象為多塊透水磚拼裝的透水路面樣品，實驗結果受透水磚縫隙的干擾。浙江大學崔新壯教授[2]研究極端氣候暴雨作用下透水混凝土路面的致命堵塞過程，研發了一種與電導率測試相結合的實時滲透性測試系統，基于該測試系統開展了一系列透水混凝土路面快速堵塞模擬實驗。2018年12 月《海綿城市評價標準》發布，要求對關鍵技術的實效進行嚴格的驗證。對透水磚堵塞行為的研究越來越受到人們的關注。

現有表征材料堵塞行為的方式只有滲透系數的測定，表征方式單一。針對這一問題，本文研究設計了透水磚模擬降雨動態堵塞行為測試裝置，一方面，因地制宜，考慮到當地降雨強度和地表雨水中顆粒含量，模擬雨水徑流；另一方面，設計實驗裝置實時記錄滲透系數變化過程，并將模擬透水磚堵塞過程的滲透系數變化通過曲線描繪直觀呈現，動態分析透水磚堵塞行為。

2 裝置設計

2.1 雨水徑流模擬

透水磚的堵塞主要由雨水中夾帶的細顆粒物形成地面徑流滲入透水磚的孔隙導致。本文以硅砂作為堵塞材料進行試驗研究。硅砂具有穩定的物化性質，對實驗的誤差影響較小，是研究粒徑堵塞過程非常優良的材料[3]。試驗中水與硅砂混合物經水泵增壓恒壓通過多孔噴頭均勻灑于試件表面，用于模擬降雨過程所造成的雨水徑流。實驗采用增壓泵（型號Q R S25-10，最大流量90L/min，最高揚程10m），同時配合著閘閥控制出水口流量，達到模擬要求的降雨量。為了能模擬雨水及所選級配硅砂能均勻灑在透水磚面，本實驗采用300mm×300mm 的淋浴噴頭，淋雨噴頭正面有144 個小孔，小孔直徑為3mm，滿足硅砂順利通過噴頭小孔而不造成堵塞。

2.2 測試裝置設計

如圖1 所示，設計的模擬降雨動態堵塞試驗裝置由圓桶、攪拌機、增壓泵、多孔噴頭、閥門、多種管徑的P V C水管和載物臺等共同組成。

圖1 模擬降雨動態堵塞試驗裝置示意圖

2.3 測試原理

基于質量守恒定律的計算標準，滲透系數的計算公

式為：

K=αV/A t

式中，

K——滲透系數；

α——糾正系數（因流量計產生的誤差，根據試水

實驗提出經驗值）；

V——累積流量，即從實驗開始至測試時流過磚的

總水量；

A——試件斷面面積；

t——試驗持續時間，即從實驗開始至測試時的時間。

2.4 測試方法

透水磚堵塞實驗的測試方法及流程如下：

⑴實驗前將透水磚試件的側面涂抹上凡士林，將透水磚試件放置在滴水收集裝置的架空架子上，在透水磚試件與滴水收集裝置的縫隙中使用耐候密封膠密封。

⑵使用調節閥調整流速至符合實驗要求，在儲水圓筒中加入實驗所需降雨量，開啟攪拌機，再往水中加入本次實驗使用的沉積物制成合成雨水。將流量計連接上電腦，確保正常工作。

⑶開啟增壓泵，打開開關閥門，合成雨水通過模擬降雨噴頭均勻落下到透水磚試件的表面，使用電腦對實驗產生的數據進行記錄。實驗一直持續到合成雨水全部通過透水磚試件。

⑷實驗結束后，取出透水磚試件，對透水磚試件再次進行定水頭法測定滲透系數。收集實驗中記錄的所有數據，使用自主研發的智能測試系統對數據進行處理。

圖2 實驗流程示意圖

2.5 動態智能數據處理

為了連續實時地記錄堵塞過程中滲透系數的變化，在試驗裝置出水管上安裝了一對微型超聲波傳感器，其通過模數轉換器連接電腦。通過微型超聲波傳感器可測得水的瞬時流速、瞬時流量與累計量并保存在t x t 文檔。自主研發的智能數據處理軟件可實時處理數據，將滲透系數的變化過程通過曲線描繪呈現出來，對比多組測試結果，并實現和多種設備端的兼容性。

3 實測案例

3.1 測試對象——陶瓷透水磚

圖3 陶瓷透水磚樣品

表1 細小顆粒物含量測試結果

陶瓷透水磚具有抗壓性能好、耐風化、防火好、耐久及色彩豐富，透水性能好等特點，在廣州各大廣場有大量的鋪設。陶瓷透水磚由陶瓷原材料燒結而成，由于其材料和制作工藝的特點，多連通孔隙的結構使得路面具有良好的透水性能。本實驗用陶瓷透水磚樣品的規格為300mm×300mm×55mm。

3.2 應用區域——廣州市

3.2.1 廣州市雨水顆粒物分析

⑴樣品細小顆粒物粒徑分布測試。

參考G B/T 19077-2016，用水相濕法分析細小顆粒物粒徑。將選定樣品倒入液體石蠟中，在超聲波清洗器中振蕩分散10min，置于銅網上，用馬爾文激光粒度儀（Mast er si z er 3000）進行細小顆粒物粒徑分析。

圖4 細小顆粒物粒徑分布

圖5 雨水樣品

圖4 是三個雨水樣品的細小顆粒物粒徑檢測報告，三份檢測報告的顆粒粒徑分布非常接近。約10%顆粒尺寸小于13μm（D10=13μm），顆粒尺寸中值約為38μm（D50=38μm），顆粒尺寸大于114μm（D90=114μm）約占10%。

⑵樣品細小顆粒物含量測試。

將雨水細小顆粒物樣品搖勻倒入干燥后的燒杯，用濕潤的濾紙蓋住不規則的燒杯口，防止干燥時微小顆粒物隨水蒸氣跑出燒杯外，影響實驗精度。干燥箱采用電熱鼓風干燥箱X M TD-2100，調節恒溫溫度105℃，直至肉眼判斷水分被烘干，打開干燥箱自然降溫，待干燥箱溫度接近室溫即可取出稱量，稱量完畢，再次將裝有細小顆粒物的燒杯放入干燥箱干燥30min 后稱量，多次操作直至質量數值不再變化。細小顆粒物含量測試結果見表1，由于樣品取自不同的廣場，地面潔凈程度不同，因此總細小顆粒物含量有差別，根據現場判斷廣場的清潔程度，本次實驗研究選擇雨水細小顆粒物含量為0.484g/L。

3.2.2 人工雨水徑流

根據尺寸分布將硅砂篩分法篩分為細砂、粗砂和全級配砂。3 種不同顆粒砂級配如表2 所示，本文中級配砂為質量百分比；根據干燥恒重法將地表雨水樣品置入電熱鼓風干燥箱X M TD-2100 干燥，確定出一年沉積物在樣品中的濃度為0.484g/L(在237L 水中含114.7g 懸浮沉積物)。

表2 人工雨水徑流顆粒級配

3.3 測試結果及分析

3.3.1 重復實驗的誤差分析

圖6 是對三個陶瓷透水磚樣品T C1、T C2 和T C3 分別做三次無雨水雜質狀態下的滲透系數實驗后的數據對比。根據圖中數據計算，三塊樣品滲透系數測試結果平均值分別為0.0766、0.0638、0.0607cm·s-1，三個樣品三次測試的數據均有不同，測試結果的重復性誤差和變異性誤差分別為4.1227 和10.8041。結果表明：重復性實驗數據有差異，但是差異較小，在可接受范圍內；測試樣品有差異，這是由于滲透系數受孔隙迂回度、孔徑尺寸及開放孔隙率等多種因素影響[4]，且透水材料實際制作過程較粗糙，造成了材料孔隙特征參數離散性較大。

圖6 陶瓷透水磚滲透實驗結果

3.3.2 不同級配硅砂對透水磚堵塞行為的影響

使用變水頭法測量三塊透水磚的動態堵塞過程，其滲透系數有相似的變化之處。編號不同的磚對應不同級配硅砂模擬的降雨加速實驗：T C4 對應全級配砂堵塞，T C5 對應細砂堵塞，T C6 對應粗砂堵塞。以T C4 模擬加速降雨實驗的曲線特性為例（全級配砂），水從磚體連通孔隙穿過并通過超聲波流量探測儀時可以發現，陶瓷透水磚滲透系數先是快速降低（第一階段），然后緩慢降低（第二階段），繼而漸進降低（第三階段）。以T C5 模擬降雨加速實驗的曲線（細級配砂）和T C6 模擬加速降雨實驗的曲線（粗級配砂）相比較，細級配砂進入快速堵塞過程要比粗砂快，而全級配砂要比細級配砂更快進入漸進堵塞階段；反觀粗級配砂發展快速堵塞過程要比細級配砂與全級配砂所需的時間相對較長，并且更慢進入漸進堵塞階段。

由此，可以得到以下結論：在模擬加速降雨實驗時，全級配砂隨水更容易進入實驗磚體內部，造成孔隙填空式堵塞，水形成較小紊流狀態，細砂粒徑≤75μm，含有一定量的粘土顆粒，在受潮時會產生相互吸引力，顆粒物聚集在一起，填補了粗砂堵塞的孔隙，因此全級配砂堵塞模型曲線快速堵塞過程發展迅速；同理，粗砂雖沒粘聚性，但是粗級配砂最大粒徑顆粒物仍然能穿過透水磚表面進入透水磚內部造成堵塞，因此粗級配砂堵塞模型曲線中快速堵塞過程發展時間相對較長。

3.3.3 降雨強度對透水磚堵塞行為的影響

圖7 不同級配硅砂對滲透系數的影響

圖8 不同降雨強度對滲透系數的影響

編號不同的磚對應不同降雨強度的模擬降雨加速實驗：T C7 對應4h 的降雨強度，T C8 對應2h 的降雨強度。圖8 表明：隨著實驗持續時間的延長，表面滲透率變化的幅度減緩。實驗進行2h 降雨強度，觀察到初始滲透速率和最終滲透速率之間的變化為56%，完成了等效滲透速率為1317mm/h 的降雨強度等，最終水頭升高至4cm，堵塞過程分為快速堵塞，緩慢堵塞，漸進堵塞三個階段；隨著試驗持續降雨時間增加到4h 左右，觀察到初始滲透速率和最終滲透速率之間的變化為35%，完成了等效滲透速率為658.5mm/h 的降雨強度，最終水頭升高至6.5cm，堵塞過程分為快速堵塞，緩慢堵塞，堵塞恢復，漸進堵塞四個階段。

圖8 可以清楚表明：兩塊實驗磚本身滲透系數都在0.38～0.5cm/s 范圍，但在不同降雨強度下透水系數變化截然不同。2h 雖然經歷了快速堵塞，但是透水磚性能只是減半；而4h 降雨強度不大，但降雨時間長，透水磚性能損失嚴重。因此得出以下結論：在2h 較短時間里，施加較大降雨強度可能會在透水磚內形成較大的紊流狀態，這可能使硅砂更容易通過透水磚內部連通孔隙，達到透水磚自清理的效果；而4h 較長時間里，施加較小降雨量可能因積水時間較長，硅砂更充分地附著在透水磚內部連通孔隙，從而改變了透水磚的堵塞機理，在做完2h 降雨強度實驗后清理模擬降雨動態堵塞試驗裝置承載臺排水口發現殘留一定量的硅砂，這一現象也證明了這一點。

4 總結

⑴本文針對海綿城市建設的關鍵技術--透水鋪裝材料的實效驗證，研究設計了透水磚模擬降雨動態堵塞行為測試裝置，用于表征含顆粒物雨水徑流作用下透水磚的滲透系數變化曲線，動態分析透水磚堵塞行為。

⑵以陶瓷透水磚為實測樣本，進行了重復實驗誤差分析、不同級配硅砂和降雨強度對陶瓷透水磚堵塞行為的影響分析。結果發現全級配砂堵塞是造成透水磚堵塞的主要原因，同時發現透水磚表面長期沉積的顆粒物是造成透水磚嚴重堵塞的重要原因，說明定期對透水磚表面進行清潔的重要性。●