透水铺装, 也称为多孔或透水铺面, 其孔隙结构及其储水层对中小降雨事件的径流体积削减、峰值流量削减和峰现时间延缓等方面的控制效果显著^[1～3]。作为低影响开发的重要技术之一, 在人行道、广场、停车场等场所得到广泛应用。但是对于透水铺装的设计及建成后的维护管理缺乏比较系统的方法, 相关的规范标准也不尽完善。因此对透水铺装设计和维护管理中的关键问题进行分析研究, 旨在提高透水铺装的设计及应用水平。

透水铺装的设计至少应重点做好以下3部分:承载能力设计、渗透能力设计和滞蓄能力设计。以透水砖铺装为例分析其设计要点。

透水铺装首先要满足其承载能力。透水砖路面结构层的组合设计, 应根据路面荷载、地基承载力、土基的均匀性、地下水的分布以及季节冻胀等情况进行。《透水砖路面技术规程》 (CJJ/T 188-2012) 给出的设计方法和参数如下:透水砖路面一般按其承载能力大小分为轻型荷载路面和普通人行道 (无停车) 两类。设计轻型荷载的透水砖路面可采用汽车标准轴承Bzz40、机动车交通量不大于200veh/d的标准;普通人行道 (无停车) 可采用5kN/m²的荷载标准。透水砖的强度等级应通过设计确定, 可根据不同用途 (道路类型) 确定其应满足的抗压强度和抗折强度 (见表1) ^[4]。

但事实上, 工程应用中绝大多数透水砖的损坏是由于折断导致的^[5], 特别是在地基承载力不均匀、砖的平面尺寸较大时就更是如此。《透水路面砖和透水路面板》 (GB/T 25993-2010) 规定:块材长厚比≤4的为透水路面砖;长厚比>4则为透水路面板;同时给出了透水路面砖的劈裂抗拉强度等级值 (见表2) 和透水路面板的抗折强度等级值^[6]。在设计时, 应根据透水块材的规格, 结合地基承载力等条件, 合理选用其承载能力控制指标及等级。

当按荷载强度确定透水路面砖厚度时可采用等效厚度法计算。不同基层形式的透水砖厚度的计算方法不同^[4]。

(1) 对于半刚性基层和柔性基层的透水砖路面, 应采用沥青路面设计方法, 透水砖块体厚度可按式 (1) 计算:

式中h_t———透水砖块体厚度, mm;

h_m———沥青混凝土面层厚度, mm, 沙庆林^[7]总结了国内沥青混凝土面层的厚度多为15～16cm, 少部分为9～12cm;孟宪秋等^[8]建议面层设计为9～12cm;

α———换算系数, 可取0.7～0.9, 道路等级较高、交通量较大、透水砖规格尺寸较大时取较高值, 透水砖抗压强度大、规格尺寸小时取较低值。

(2) 对于刚性基层的透水砖路面, 可采用水泥混凝土路面设计方法, 透水砖块体厚度可按式 (2) 计算:

式中H_t———透水砖块体厚度, mm;

h_n———水泥混凝土面层厚度, mm, 根据交通荷载等级、道路等级确定面层厚度^[9], 常见的厚度为20～30cm;

β———换算系数, 可取0.50～0.65, 透水砖规格尺寸较小时取低值, 透水砖规格尺寸较大时取高值。

刚性基层的最小厚度为150 mm;柔性基层的最小厚度根据其具体材料不同一般为70～120mm^[10]。

透水铺装通过其特殊的孔隙结构对雨水起到渗透和滞蓄作用, 雨水通过铺装表层的孔隙进入内部, 穿过找平层、基层等结构层从土基渗入到地下或从铺设的排水系统排走。因此要保证透水铺装的良好渗滞效能, 就要使得其结构层的渗透能力和内部的滞蓄能力同时满足相应的要求: (1) 雨水能够顺利穿过透水铺装表层及以下各层; (2) 透水铺装的结构层内部有足够的孔隙空间来容纳未及时排除的雨水, 即满足式 (3) 和式 (4) :

式中k———透水铺装表层的透水系数, mm/s;

i_max———透水铺装的设计重现期下最大降雨强度, mm/s;

V———滞蓄容积, m³, 可由透水铺装各结构层的孔隙率和厚度等参数计算得出;

A———透水铺装面积, hm²;

i———设计重现期降雨持续时间内的平均降雨强度, mm/s;

k_n———土壤的平均透水系数或铺装结构底部排水系统的流量系数, mm/s;

t———降雨持续时间, s。

下面对透水铺装渗透能力和滞蓄能力设计的关键参数进行讨论:

(1) 透水铺装设计降雨重现期和降雨持续时间。透水铺装设计降雨重现期和降雨持续时间是透水铺装渗透能力和滞蓄能力设计的重要参数。《透水砖路面技术规程》 (CJJ/T 188-2012) ^[4]中规定“透水铺装的设计应满足当地2年一遇的暴雨强度下, 持续降雨60 min, 表面不产生径流的透水 (排水) 要求”, 从相应的条文说明中可知, 此处是指降雨历时为60min对应的平均降雨强度, 不是管渠系统设计时选取的5～15 min的降雨历时计算出的降雨强度, 二者在数值上相差很大, 以北京地区为例计算降雨历时60min和15 min对应的降雨强度分别是1.24×10^-2 mm/s和2.68×10^-2 mm/s。也就是说, 设计计算时要明确设计的降雨强度, 对于2年一遇的降雨强度下持续降雨60min, 式 (3) 中的最大降雨强度 (i_max) 可根据工程经验按照雨水管渠的设计标准选取5～15min对应的降雨强度, 而式 (4) 中平均降雨强度 (i) 则按照60min降雨历时对应的降雨强度计算。

(2) 透水系数。透水铺装的渗透能力主要取决于其透水系数, 当透水系数k大于其设计重现期下的最大降雨强度i_max时, 即可认为雨水能够实现完全下渗。一般来讲从透水铺装表层向下各结构层的透水系数是逐渐增大的, 只要表层满足渗透能力的要求, 透水铺装的整体渗透能力即可满足要求。

《透水路面砖和透水路面板》 (GB/T 25993-2010) 中规定了透水砖两个等级的透水系数, 即A级:>2×10^-1 mm/s;B级:>1×10^-1 mm/s。选取部分典型城市计算透水砖满足设计降雨2年重现期要求下的最大降雨强度i_max (见表3) , 其值比规范中的最小透水系数小很多, 因此, 若是砖体不堵塞的条件下, 其透水系数完全可以满足2年重现期的设计要求。

但是, 随着透水铺装的运行, 环境中的颗粒物和碎屑等沉积在表层或由表层进入结构层孔隙中, 导致其渗透能力下降。不同地区沉积物类型不同, 对透水铺装的堵塞情况也不同。Mata^[11]对砂土、黏土和砂质黏土3种典型沉积物对透水混凝土的堵塞试验表明, 砂土一般比透水铺装的孔隙大, 主要积累在透水铺装表层;而黏土因为粒径较小, 通过孔隙结构进入表层以下的结构层并不断积累。沉积物的积累堵塞导致透水铺装的渗透能力降低, 3种不同类型的沉积物对透水混凝土的透水系数的影响如表4所示^[11], 即透水铺装最终的透水系数为最初透水系数的1%～10%。可见, 当堵塞严重时就会出现式 (3) 不能满足的现象。事实上, 若式 (3) 不能满足要求, 式 (4) 的设计就会出现偏差。

因此, 应对式 (3) 进行修订, 即要保证透水铺装稳定状态下的透水系数k_稳能够满足其设计降雨强度, 见式 (5) :

式中k_稳———透水铺装被沉积物堵塞后最终稳定状态下的透水系数。

透水铺装的透水系数因堵塞而变化的规律应根据透水砖材质、所在地区的土质情况、清扫管养水平等因素综合确定, 有条件时可通过实测确定。

同时, 根据稳定透水系数k_稳及透水系数的变化规律确定透水铺装的最初透水系数k, 以此对透水铺装的最小孔隙率进行校核。

(3) 透水铺装滞蓄容积的计算。一般情况下, 透水铺装底层土壤的渗透性小于结构层的渗透性, 需要在透水铺装内部设计储存系统来滞蓄未及时下渗或排走的雨水。在计算透水铺装的滞蓄容积时一般只考虑下落至其相应区域面积的降水, 不考虑周边区域的客水。

由于环境中的颗粒物和碎屑等沉积物对其孔隙结构的堵塞影响, 在计算透水铺装的滞蓄容积时, 考虑堵塞造成初始总滞蓄容积的损失, 需要对其进行修正, 即在原来滞蓄容积计算公式的基础上增加修正系数K, 式 (4) 变为式 (6) :

式中K———修正系数, 可实测, 根据Mata和Deo等^[11,12]的研究, K值可取1.05。

确定了滞蓄容积后, 要保证透水铺装结构层中所有孔隙的体积和满足透水铺装滞蓄容积的要求。以透水砖典型铺装为例, 各层的孔隙率和厚度满足式 (7) :

式中h₀———面层厚度, mm;

h₁———找平层厚度, mm;

h₂———基层厚度, mm;

h₃———垫层厚度, mm;

n₀———面层平均孔隙率, %;

n₁———找平层平均孔隙率, %;

n₂———基层平均孔隙率, %;

n₃———垫层平均孔隙率, %。

根据相关规范和工程经验^[4,10,13], 各结构层常用的厚度、孔隙率和组成材料如表5。

相关试验表明, 孔隙率和结构的抗压强度成负相关^[14], 所以各层的孔隙率还要满足相应的强度对其的要求。根据以上条件确定各层的孔隙率和厚度。

(4) 结构层内部排空时间。透水铺装的设计中, 还应注意及时将渗入铺装结构的水排除, 使结构层材料尽快恢复干燥状态。因为水分长时间储存在铺装结构中不仅影响其良好的渗透和滞蓄能力, 还会造成材料强度和稳定性的下降, 使铺装整体的承载力恶化。因此需要以排空时间来作为校核指标来校核滞蓄容积是否满足要求, 当滞蓄水量通过下渗排除时, 排空时间按式 (8) 计算;当滞蓄水量通过内部排水系统排除时, 排空时间按式 (9) 计算:

式中T———排空时间, h;

H———蓄水高度, m;

Q———排水系统排水流量, m³/s。

排空时间T应满足T≤[T], [T]为雨水设施规定的排空时间。美国部分地区要求透水铺装土基的渗透速率应满足使透水铺装存储的水量能在72h内完全下渗, 以保证透水铺装良好的耐久性和使用性能^[15,16];《透水砖路面技术规程》 (CJJ/T 188-2012) 中要求土基的透水系数不应<1.0×10^-3mm/s, 且土基顶面距离地下水位宜>1.0m^[4]。因此在设计中当土基的土壤透水系数及地下水位高程条件不满足要求或水分在透水铺装内部的停留时间>72h时, 建议在透水铺装结构层增设排水系统 (一般在基层设置穿孔排水管) 。在应对更大负荷的雨水径流时, 除了考虑增设内部排水系统的设计外还要考虑表面的排水设计。

此外, 在寒冷地区还要求路面的结构层达到一定的厚度来防止发生冻胀破坏。透水铺装的最小防冻厚度 (h_kd) 指路基槽至路面的厚度, 可用道路冻结深度与土基容许冻深的差值来计算。道路冻结深度与道路的结构层材料的热物性系数、路基潮湿类型等有关;土基容许冻深则与路面结构冻融模量、地基土的冻胀率等有关;可参考《透水砖路面技术规程》 (CJJ/T 188-2012) 提供的方法进行计算^[4]。

透水铺装要保证其同时满足承载能力、渗透能力和滞蓄能力的要求。设计时应先进行透水铺装的承载能力设计, 然后进行渗透能力和滞蓄能力的设计, 最后以排空时间和防冻厚度作为校核指标验证得到的各层孔隙率和厚度是否满足要求。设计程序如图1所示。

透水铺装面临的最大问题是孔隙结构的堵塞, 运行期间如果缺乏维护管理, 短时间内累积的沉淀物会堵塞孔隙结构造成透水系数的降低, 影响其雨水控制效果。因此对透水铺装堵塞的检查和及时清洗, 对其正常发挥作用非常重要。

透水铺装的检查包括常规检查和应急检查。

常规检查:在透水铺装完工后的3个月内, 至少对其进行2次检查, 并且此后每年应进行1次检查, 包括检查其路面状况是否恶化或剥落。经常 (每月) 检查其表面, 确保没有碎片 (如树枝、树叶、垃圾等) 和沉积物。

应急检查:雨后及时进行检查, 以便确定是否存在局部因堵塞而形成的表面积水情况;没有降雨时, 可人工模拟降雨检查孔隙是否堵塞。检查高地和邻近的草坪、景观区是否存在裸露区域, 这些区域会给透水铺装带来沉积物。同时还应检查路面是否出现裂缝或坑洞。

对于一些粗糙的碎片、石头等容易去除的沉积物, 可以使用扫帚等人工进行清扫;对于透水铺装孔隙中的不易清除的沉积物, 主要有真空清扫和压力清洗2种机械清洗方法。

如图2所示为3种不同类型沉积物在透水砖铺装结构层中的沉积状态, 沉积在表面的砂土比较容易清除, 而黏土由于沉积在结构层当中, 不易清除。根据试验结果分析, 真空清扫和压力清洗的方法对孔隙率的恢复率都小于10%, 而2种方法结合使用后的孔隙率的恢复率在10%～20%^[17]。

(1) 透水铺装设计的主要内容包括承载能力、渗透能力和滞蓄能力等方面, 设计时应先进行透水铺装的承载能力设计, 然后进行渗透能力和滞蓄能力的设计, 最后以排空时间和防冻厚度作为校核指标验证各层孔隙率和总厚度是否满足要求。

(2) 透水铺装的承载能力设计时, 应根据透水砖 (或板) 的规格、结合地基承载力等条件合理选择抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度等控制指标及等级。当按照荷载强度确定透水路面砖厚度时可采用等效厚度法, 根据基层的不同类别, 选择相应的面层厚度计算方法。

(3) 透水铺装的渗透能力和滞蓄能力设计应同时满足: (1) 透水铺装堵塞后稳定的透水系数大于等于设计重现期下最大降雨强度, 即式 (5) ; (2) 透水铺装各结构层内部孔隙的滞蓄容积大于等于设计重现期下未及时排除的雨水体积, 即式 (6) 。设计降雨的重现期和持续时间要根据当地的设计要求确定, 但二者计算降雨强度时采用的降雨历时不同。根据对我国典型城市降雨强度的分析, 达到现行规范中透水系数要求的透水砖铺装均可满足2年重现期设计降雨顺利下渗的要求, 但当运行一段时间后若堵塞严重, 就会出现不能满足条件 (1) 的情况。透水铺装的渗透能力设计充分考虑堵塞给透水系数带来的影响, 用堵塞后的稳定状态下的透水系数k_稳代替初始的透水系数k来进行设计。透水铺装透水系数变化规律应根据透水砖材质、所在地区的土质情况、清扫管理水平等因素综合确定, 有条件时可通过实测确定。透水铺装的滞蓄能力设计, 依据水量平衡计算其滞蓄容积, 但应考虑堵塞对其造成的滞蓄容积的损失, 建议增加修正系数K对滞蓄容积的计算进行修正。

(4) 透水铺装的设计中要求土基具有一定的渗透性能以保证整体良好的渗透和滞蓄能力, 需要考虑其在规定的时间内排空内部滞蓄的雨水, 当土基的透水系数不满足要求时考虑在结构层内部增设排水系统;北方寒冷地区为防止路面铺装结构发生冻胀破坏还需考虑防冻厚度的设计。

(5) 透水铺装后期的维护管理决定着透水铺装能否长期保持良好渗透效果的关键, 因此要重视其维护管理, 尤其是针对其堵塞问题的检查和清洗, 需要制定相关的规范方法来操作, 推荐使用真空清扫和压力清洗相结合的方法。