Control Effect of Different Types of Permeable Pavement Base Structure on Rainwater Runoff

Yun-jin HU, Peng YING, Hui-cai GAO

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China Rural Water and Hydropower ›› 2021 ›› (6) : 69-72,77.

Control Effect of Different Types of Permeable Pavement Base Structure on Rainwater Runoff

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Abstract

In order to study the rainfall infiltration effect of different types of permeable pavement base structures， two kinds of physical models of permeable pavement are constructed in this paper. Recycled aggregate and ordinary graded gravel are used as base structure of these two different types of permeable pavement. The experiments of rainwater infiltration process of permeable pavement under three different rainfall intensities are carried out. The results show that under three different rainfall intensities， the peak time for the flow of recycled aggregate permeable pavement lags behind that of ordinary graded gravel permeable pavement， and the surface runoff generated is smaller， and the drainage time at the bottom of recycled aggregate permeable pavement is earlier than that of ordinary graded gravel permeable pavement. Therefore， recycled aggregate permeable pavement can increase the rainfall infiltration rate and reduce the surface runoff. The research results have important reference significance for the realization of rainwater resource utilization and the recycling of building demolition materials.

Key words

permeable pavement / base structure / recycled aggregate / rainfall infiltration

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Yun-jin HU , Peng YING , Hui-cai GAO. Control Effect of Different Types of Permeable Pavement Base Structure on Rainwater Runoff. China Rural Water and Hydropower. 2021, 0(6): 69-72,77
伴随季风气候影响，我国夏季多发暴雨，洪涝灾害异常严峻［1，2］；随着城市化进程的推进，不透水地面不断增加，给城市水环境带来许多不利影响，如雨水不能快速下渗导致城市地下水位下降，不透水地面不易排水增加了市政管网排水压力。为了应对这一系列水环境问题，透水铺装作为一种经典的低影响开发措施被广泛应用［3］，它既能有效削减地表径流、增加雨水入渗速率，又能调节城市与自然水环境之间的平衡［4］。Bean等［5］对北卡罗来纳州四种不同类型的透水铺装进行了径流控制研究，发现渗透性路面可有效削减地表径流。Fassman等［6］对渗透性路面和不透水路面进行了降雨监测，结果表明透水性路面地表径流开始时间平均滞后2.4 h，地表峰值流量平均降低83%，高强度降雨时地表峰值流量也能降低70%。我国对透水铺装的研究虽迟于国外，但也有一些研究成果。龚应安等［7］的研究表明，采用透水铺装能有效地增加下渗雨水量。王丹绮等［8］的研究表明，当降雨量小于35 mm时，透水铺装可削减80%以上的雨水。张佳炜等［9］的研究表明，基层采用水泥稳定碎石结构对年径流总量控制率可达37.8%，且在地表径流削减和峰现延迟方面的效果略优于普通碎石结构基层。透水铺装结构的渗透性远大于硬化地面，因此能及时快速地处理雨水，保护水资源［10，11］。
目前我国正在推行“无废城市”建设，从源头削减固体废物和实现资源的二次利用，最大程度减少填埋量，降低固体废物对环境的负面影响［12］。Ossa等［13］的试验研究表明，在道路基层和次基层中使用建筑拆除再生材料是天然骨料的绝佳替代品，并且不会显著降低透水铺装的力学性能。薛冬杰等［14］的研究表明，掺入硅粉的水泥浆体改性粗骨料制备再生透水混凝土的透水系数在10 mm/s左右，可以满足工程需要。李秋实等［15］的研究表明，再生骨料透水混凝土的总孔隙率比天然骨料透水混凝土高。薛如政等［16］和徐亦东等［17］的研究表明，再生骨料渗透性与吸水性方面均优于天然骨料。
综上所述，目前对采用普通碎石结构和水泥稳定碎石结构作为基层的透水铺装地表径流削减效果已有较多研究，对再生骨料制成的透水混凝土和透水砖的强度、渗透性能等也有较多研究［18］，但将再生骨料直接应用于透水铺装基层结构对提高雨水入渗速率和削减地表径流量的效果方面的研究未见报道。为研究再生骨料作为透水铺装基层对提高雨水入渗速率和削减地表径流量的效果，本文拟构造两种基层结构不同的透水铺装物理模型，通过降雨入渗模型试验，研究这两种不同类型基层结构的透水铺装在不同降雨强度下的雨水入渗效果。研究结果对实现雨水资源化利用、建筑拆除材料循环利用等具有重要的参考意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

试验装置主要包括降雨槽、试验槽、钢支座、给水管、量筒等。降雨槽和试验槽均由五面透明有机玻璃板围合而成。降雨槽长100 cm、宽100 cm、高20 cm，槽底对称地开有25个（5×5）针孔（针孔内径0.1 cm）。槽一侧开一个溢流口，高5 cm、宽20 cm，目的是保持降雨槽内水位恒定，形成恒定均匀降雨。溢流口处做两个插拔，一个高3 cm、一个高6 cm，用来控制不同的水位，形成不同强度的降雨。试验槽长100 cm、宽100 cm、高100 cm，槽底开5个直径为1 cm的圆孔，用来收集渗出水量。在箱体四面设直径0.6 cm的溢流口，用于收集地表径流，溢流口位置与透水砖面层齐平。钢支座用于支撑试验槽与降雨槽。透水铺装降雨流程图见图1。
Fig.1 Rainfall flow chart for permeable pavement

图1 透水铺装降雨流程图

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1.2 试验材料

（1）土基层：土基层的渗透能力远小于基层与面层，因此土基层的渗透性能是影响透水铺装整体透水速率的主要因素，本试验土基层材料选用渗透性较好的砂壤土。
（2）基层：采用两种不同材料，普通级配碎石和再生骨料；普通级配碎石基层、再生骨料基层均按相对密度0.7进行摊铺。基层上部的找平层采用透水性较好的中砂，与面层紧贴。透水铺装的基层除了具备需要的承载能力和强度外，还需具备良好的排水能力。试验所用的两种基层材料为普通级配碎石和再生骨料。再生骨料采用机械破碎法，即使用机械力碾压破碎建筑拆除材料，去除砂浆获得再生骨料。再生骨料表面附着一部分水泥砂浆且在破碎过程中内部产生较多裂纹，因此再生骨料的孔隙率较大、吸水性较强、堆积密度与表观密度较低。两种透水铺装结构模型的基层均分为两层，厚度统一设为15 cm（下层）和10 cm（上层）；一方面利于积存，排出经面层入渗到基层的雨水，另一方面便于比较不同材料的基层结构对雨水处理的效果。
（3）面层：采用透水砖。透水砖面层除了具有一定承载能力，还需具有一定的渗透性和保水能力，透水砖规格为20 cm×10 cm×5 cm，渗透系数为0.86 mm/s。
（4）透水铺装各层组成及材料配置见表1。
Tab.1 Composition and material configuration of each layer of permeable pavement

表1 透水铺装各层组成及材料配置

设施名称 构造 深度/mm 结构材料

模型一

普通级配碎石基层

透水铺装

 面层 50 普通透水砖
找平层 20 粒径0.5~1 mm粗砂
上基层 100 粒径8~20 mm级配碎石
下基层 150 粒径25~40 mm级配碎石
土基层 500 砂壤土

模型二

再生骨料基层

透水铺装

 面层 50 普通透水砖
找平层 20 粒径0.5~1 mm粗砂
上基层 100 粒径8~20 mm再生骨料
下基层 150 粒径25~40 mm再生骨料
土基层 500 砂壤土

1.3 试验方法

试验采用人工模拟降雨，选择芝加哥雨型、降雨历时1 h，绍兴市暴雨强度如公式（1）所示。计算不同降雨强度下的透水铺装径流削减量及雨水入渗量。不同类型透水铺装结构的降雨入渗试验结果见表2。
i=17.635+13.479lgΡt+12.8820.811     
式中：i为设计降雨强度，mm/min；P为设计降雨重现期，a；t为降雨历时，min。
Tab.2 Rainfall infiltration test results of different types of permeable pavement structures

表2 不同类型透水铺装结构降雨入渗试验结果

编号 降雨量/mm 降雨历时/h 峰现时间/min 5 min峰值径流量/mm 地表总径流量/mm 排水开始时刻/min 排水结束时间/h 排水量/mm 径流系数/%
模型一 50 1 - - - 90 49.3 19.69 -
模型二 50 1 - - - 60 38.6 16.78 -
模型一 80 1 65 0.98 1.10 60 73.5 56.83 1.38
模型二 80 1 - - - 41 60.5 49.95 -
模型一 110 1 54 1.35 2.67 30 125.6 64.63 2.43
模型二 110 1 66 0.9 1.58 21 100.3 56.74 1.44

2 试验结果及分析

2.1 不同透水铺装结构对地表径流的影响

110 mm/h的高强度降雨下，模型一和模型二的5 min地表径流量如图2所示。3种不同降雨强度下，模型一的5 min地表径流量如图3所示。
Fig.2 Surface runoff every 5 minutes of different permeable pavement structure models under rainfall intensity 110 mm/h

图2 110 mm/h降雨下不同透水铺装结构模型5 min地表径流量

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Fig.3 Surface runoff every 5 minutes under different rainfall intensities for model 1

图3 模型一不同降雨强度下5 min地表径流量

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由表2可看出，模型一和模型二这两种透水铺装的总体渗透性良好。80 mm/h的中强度降雨下，模型一才出现地表径流；110 mm/h的高强度降雨下，模型二才出现地表径流。这是由于本文透水铺装的基层材料采用普通级配碎石和再生骨料，透水铺装基层孔隙连通性较好，雨水能够快速入渗，因此能有效控制地表径流的发生。
从图2可看出，基层结构的差异对地表径流有显著影响。在110 mm/h的高强度降雨下，模型二的地表径流量小于模型一，径流系数减少40.7%；模型二峰现时刻比模型一延迟12 min，5 min峰值径流量削减33.3%。可见模型二的再生骨料基层结构比模型一的普通级配碎石基层结构能够更好的下渗雨水。透水铺装控制雨水径流量的主要途径为：透水铺装各层材料对雨水的吸附；基层结构对雨水的蓄滞；通过土基层排出的雨水。模型一与模型二的基层厚度相同，材料粒径尺寸也相同，但模型二基层结构材料采用的再生骨料，因其内部含有较多的微细孔及微裂缝，致使基层结构的连通孔隙率增加，而连通孔隙率与渗透系数呈正比例关系；此外基层结构连通孔隙率与有效储水层厚度的关系如式（2）和（3）所示［19］，可见再生骨料基层结构的连通孔隙率大，可以储存更多的雨水；所以再生骨料基层结构一方面增加了雨水渗透量，另一方面蓄积更多雨水于其孔隙中，加之再生骨料本身吸水性强，导致模型二的峰现时刻滞后于模型一，且峰值径流量小于模型一。以上对比表明采用再生骨料基层透水铺装对提高雨水入渗速率、削减地表径流的效果更为显著。
h'=h νa'
htotal'=Σh'
式中：h为基层实际厚度；h′为基层有效厚度；va ′为基层连通孔隙率；h′ total 为基层有效储水层总厚度。

2.2 降雨强度对透水铺装结构地表径流的影响

由图3和表2可看出，当降雨历时较短时，降雨强度的大小是影响地表径流量的主要因素。模型一80 mm/h降雨下的径流系数为1.38%，110 mm/h降雨下的径流系数为2.43%，径流系数增大76.1%，且峰现时间提前9 min，5 min峰值径流量增加37.8%。这是由于土基层的渗透能力比上层结构弱，随着降雨强度的增大，渗入透水铺装内的雨水量持续增加，雨水不能及时下渗，致使基层蓄水深度不断提高，当超过基层最大蓄容量时，雨水上升到面层并漫出面层表面形成地表径流，导致地表径流时刻提前、地表径流量增加。但在降雨强度较小时，模型一、二的整体雨水渗透速率大于降雨速率，因此能充分下渗雨水，所以50 mm/h的降雨下，模型一、二均未出现地表径流。
以上结果表明随着降雨强度的增大地表径流的峰现时间提前、峰值径流量随之增加。但模型二的再生骨料基层结构的导水率与雨水蓄滞能力均较强，因此在高强度降雨下也能有效削减峰值径流量，延迟地表径流峰现时间。虽然模型一的普通级配碎石基层透水铺装渗透性低于模型二，但在降雨强度一定时，模型一的雨水消纳能力也能有效削减地表径流。

2.3 不同透水铺装结构对箱底排水状况的影响

3种不同降雨强度下，降雨开始后不同透水铺装结构模型箱底排水状况分别如图4~图6所示。
Fig.4 Drainage conditions of box bottoms of different permeable pavement structure models after the start of 50 mm/h rainfall

图4 50 mm/h降雨开始后不同透水铺装结构模型箱底排水状况

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Fig.5 Drainage conditions of box bottoms of different permeable pavement structure models after the start of 80 mm/h rainfall

图5 80 mm/h降雨开始后不同透水铺装结构模型箱底排水状况

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Fig.6 Drainage conditions of box bottoms of different permeable pavement structure models after the start of 110 mm/h rainfall

图6 110 mm/h降雨开始后不同透水铺装结构模型箱底排水状况

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由表2和图4~6可看出，在50、80、110 mm/h 3种降雨强度下，降雨结束后5 h内，模型二的箱底排水时刻早于模型一，且峰值排水量大于模型一，这主要是由于模型二基层结构材料采用的再生骨料，与普通级配碎石相比，由于生产过程中损伤累积，再生骨料内部出现大量的裂纹，本身内部孔隙率增加，因此模型二的再生骨料基层结构整体有效孔隙率增大、渗透流速加快、吸附能力加强，雨水能够较为快速、集中的下渗至土基中，因此峰值排水量增大，排水时间提前，分别提前了30、19、9 min；基层的有效孔隙率越大，其下渗速度越快。由此可见，水分下渗的速率与基层结构材料有很大的关联性。
从表2和图4~6还可看出，降雨结束后5 h后，模型二的排水量小于模型一，且模型二的箱底排水总量平均减少13.03%。这是由于再生骨料表面附着旧水泥砂浆且疏松多孔，使其孔隙率增加、吸水性加强，因此在雨水入渗的过程中，模型二的再生骨料基层结构相对于模型一的普通级配碎石基层结构吸收更多水分，相当于提高了基层结构的蓄水容量，致使入渗到土基中的水分相对减少。
综上所述，采用再生骨料作为基层的透水铺装的导水率和吸水性均优于普通级配碎石作为基层的透水铺装，因此其雨水入渗效果更好，对提高雨水入渗速率、削减地表径流的效果更为显著。

3 结 论

（1）基层材料的不同对雨水入渗效果有着明显的影响，80 mm/h的中强度降雨下，模型一产生地表径流，而模型二无地表径流；110 mm/h的高强度降雨下，模型二的径流系数比模型一减少40.7%，峰现时间延迟12 min，且5 min峰值径流量削减33.3%。对比两种模型的雨水入渗试验结果，采用再生骨料作为基层的透水铺装（模型二）对提高雨水下渗速率和削减地表径流量效果更好。
（2）在3种不同降雨强度下，再生骨料基层透水铺装相较于普通级配碎石基层透水铺装排水时间提前、峰值排水量增加，因此在雨水削减效果方面更适用于实际应用。
（3）两种透水铺装均能够有效地削减地表径流，提高雨水入渗速率，补充地下水，实现水资源的二次利用。但再生骨料的渗透性与蓄水量相对较大，能快速地消纳雨水，有较好的雨水径流控制效果，因此再生骨料在透水铺装中具有较好的应用前景。

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