海绵城市透水砖渗透试验研究

马金俊燃 1，付嘉文 1，张兆祥 1

（ 1.天津城建大学土木工程学院，天津西青 300384）

摘要：通过室内实验，测定透水砖在不同浓度条件下的渗透系数，并且分析其变化规律。由实验数据得出，模拟城市雨水中的含颗粒物，致使透水砖在使用一定的时间后出现明显的堵塞问题。再由实验分析出透水砖在的渗透系数，然后综合分析寻找方法对透水砖的透水性能。

关键词：海绵城市；透水砖；渗透系数；透水性能；堵塞问题

近年来，我国不少城市出现了“一雨即涝”的现象。针对这种现象，我国提出了建设“海绵城市”的对策，可以通过增加城市“海绵体”，使城市能够像海绵一样，下雨时渗水、蓄水、净水，需要时将蓄存的水释放并加以利用。在此的前提上是拥有一种设施，海绵城市建设中普遍采用透水砖铺设在道路上，从而达到上述的利用^[1-2]。

透水砖的寿命长达30年，但是其真实寿命却只有10年，时间久了透水性能就会变弱，部分学者研究表明雨水中携带的颗粒物在透水砖孔隙中的沉积是造成堵塞的主要原因。如果重新铺设透水砖，浪费资源，不经济而且对城市的正常运行也会造成很大影响，导致道路拥堵，行人出行不便。由此可见，透水砖的堵塞问题非常普遍，但目前没有引起广泛的关注，系统的研究成果也不多。本文通过透水砖为试验对象进行室内试验，研究其在不同地区的雨水渗透过程中的堵塞问题，提出堵塞预测方法，并对不同清理方法的效果展开，提出最优清理方法。

1 不同地区透水砖堵塞试验

1.1 试验原理及试验方案

透水砖的透水性能采用渗透系数来表达，其测量根据水文地质学中的达西定律，计算公式为

（1）

式中：k为试样的渗透系数，cm/s; Q 为渗水量，mL; L为试样的厚度，cm; A 为试样的过水断面面积，cm²; H为水位差，cm； t 为时间，s。

由于本试验针黏土地区的透水砖，利用不同浓度的泥水对透水砖进行冲刷，并计算冲刷后的渗透系数，泥水浓度为10.0 g/L、5.0 g/L、1.0 g/L和0.4 g/L。

1.2 试验装置与试验材料

试验装置主要包括电子秤、量筒、渗透性检测仪器等。用于试验的透水砖根据渗透系数测量仪内径的要求制作成半径为4.5cm高度为6cm的圆柱体。

1.3 模拟浑浊雨水配置

本次试验根据人行道上悬浮物的颗粒级配配置泥水。取天津市城区路面降雨后的黏土，烘干并筛除粒径小于 1mm 的颗粒物，最终获得的悬浮物粒径以1~0.5、0.5~0.25、0.25~0.075以及小于0.075的土样混合。根据前期监测资料可知，目前天津市雨水悬浊液质量浓度为0.4-10g/L，故本次试验选取浓度分别为10.0 g/L、5.0 g/L、1.0 g/L和0.4 g/L的泥水进行冲刷。

1.4 注水试验步骤

用凡士林将透水砖侧壁涂抹均匀，防止泥水从其侧壁渗流，然后放入渗透试验仪器中，先用清水冲刷砖测出其初始渗透系数，再使用配好的悬浊液对透水砖进行冲刷，冲刷时长为30分钟，冲刷泥水总体积为6.66L。冲完后取出砖块称质量，再使用清水测定渗透系数，且保持水头差在9.2cm稳定，持续冲刷90s的体积，再根据达西定律测出渗透系数。

重复试验，待|k_n+1-k_n|<0.001的时候到下一组。直到完成各四种浓度试验。

1.5 堵塞处理试验步骤

利用真空抽吸尘和压力水冲洗两种清理方式清洗堵塞的透水砖。其中真空抽吸尘清理使用负压为20 kPa的吸尘器每次清理 2 min 左右，压力水冲洗使用压力为 6.0 MPa 的水枪与砖面成 45°每次冲洗大约 1 min。清理完成后再次供纯净水，测量并计算透水系数恢复情况。

2 试验结果分析

2.1 透水砖渗透系数变化

冲刷不同浓度含黏土的泥水，可以得到透水砖渗透系数变化规律均随着冲刷时间的增大，渗透系数逐渐降低，且前期降低幅度较大，超过一定时间后，渗透系数降低幅度减缓，该时间节点与泥水的浓度有关，浓度越大，该时间节点越早。

根据GB/ T25993-2010《透水路面砖和透水路面板》中规定，透水砖的渗透系数至少要大于0.01cm/s。由上图可知，当黏土浓度为10g/L时，冲刷30分钟，渗透系数低于标准值，说明透水砖已经失效。天津市多年平均降水量为510.53mm，按海绵城市建设目标要求70% 降水量就地消纳的指标，以此为依据可以得到，透水砖在没有维护措施下，不同浓度泥水冲刷透水砖的失效年限如下表所示。透水砖在没有防护措施下，失效风险较高。

2.2 透水砖渗透堵塞机理分析

通过测量不同冲刷条件下透水砖重量可得透水砖中含泥量，整理得到透水砖中含泥量变化规律随着冲刷时间的不断增大，透水砖中的含泥量不断增大，且随着时间的增大，增长幅度逐渐降低，泥水浓度越大，该现象越明显。分析其原因为：泥水进入透水砖后，逐渐在透水砖中累计，当泥土颗粒充满透水砖孔隙后，透水砖渗透系数降低，后续的冲刷中泥土颗粒已经无法留存在透水砖中，透水砖中含泥量增加幅度降低。

随着透水砖中含泥量的增加，渗透系数保有率逐渐降低，且符合指数函数分布，通过最小二乘法拟合得到黏土冲刷过程中，渗透系数保有率随含泥量变化如下式所示。

（2）

式中，x为透水砖中含泥量，y为渗透系数保有率。若确定了含泥量，即可根据式确定渗透系数保有率，根据渗透系数保有率即可得到透水砖渗透系数。

3 结论

本文通过透水砖为试验对象进行室内试验，研究其在不同地区的雨水渗透过程中的堵塞问题，提出堵塞预测方法，并对不同清理方法的效果展开，评价了各清理方法的处理效果。主要结论如下：

1. 随着冲刷时间的增大，渗透系数逐渐降低，且前期降低幅度较大，超过一定时间后，渗透系数降低幅度减缓，该时间节点与泥水的浓度有关，浓度越大，该时间节点越早。

2. 随着透水砖中含泥量的增加，渗透系数保有率逐渐降低，且符合指数函数分布，建立了渗透系数保有率与透水砖中含泥量的数学关系。

参考文献:

1. 亓雪颖，张守红，王玉杰，等. 颗粒物粒径和维护方式对透水砖铺装透水率衰减过程影响[J]. 环境科学与技术， 2020，43（8）：28-35.

2. 李美玉, 张守红, 王云琦,等. 不同清理方式对北京市透水砖铺装渗透率衰减过程影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(03):147-154.