吳 梁 ，唐建超，尚成廠

(1.遵義道路橋梁建設(shè)投資(集團(tuán))有限公司，貴州 遵義 563000; 2.遵義交通建設(shè)投資(集團(tuán))有限公司， 貴州 遵義 563000； 3.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043)

0 引 言

海綿城市作為新一代的雨洪管理理念已為人所熟知，其總體構(gòu)想是使雨水具有良好的彈性從而更好地適應(yīng)環(huán)境的變化，所以也被稱(chēng)為水彈性城市。國(guó)際上對(duì)海綿城市的稱(chēng)呼統(tǒng)一為“低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建”，在下雨時(shí)能夠?qū)τ晁M(jìn)行吸收、滲透、凈化，并在需要時(shí)將存儲(chǔ)的水進(jìn)行排出與利用，節(jié)約水資源[1-3]。

海綿城市在道路中的具體應(yīng)用就是采用透水性路面替代原有的密級(jí)配路面。這種路面具有較大的空隙，使雨水可以豎向進(jìn)入道路結(jié)構(gòu)，并通過(guò)內(nèi)部相互連通的孔隙橫向排入雨水管網(wǎng)中[4-6]。

最早使用透水路面技術(shù)的國(guó)家是美國(guó)，其研發(fā)之初的目的在于應(yīng)對(duì)雨水等惡劣天氣，起到改善路面抗滑性能的作用[7-8]。歐洲各個(gè)國(guó)家為了更好地減小路面行車(chē)產(chǎn)生的噪音以及排出路面范圍內(nèi)的雨水，也很早就進(jìn)行了透水路面的研究。日本是亞洲地區(qū)首先研究透水瀝青路面的國(guó)家，并頒布了《排水性鋪裝設(shè)計(jì)施工要領(lǐng)》和《排水性路面鋪裝技術(shù)指南》。

與國(guó)外對(duì)透水瀝青路面的研究相比，中國(guó)的研究相對(duì)較晚，技術(shù)還比較落后，而且僅集中在改善熱島效應(yīng)和降噪方面，在工程中的應(yīng)用也比較有限[9-12]。

本文擬以透水瀝青混合料和透水瀝青穩(wěn)定碎石的滲透性能為研究對(duì)象，從宏觀角度研究透水瀝青混合料和瀝青穩(wěn)定碎石組成對(duì)滲透性能的影響，并利用數(shù)值模型進(jìn)一步闡述雨水在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的滲流過(guò)程。

1 透水瀝青混合料試件的制備

1.1 透水瀝青混凝土

瀝青采用改性后的高黏瀝青，粗集料采用玄武巖，其他材料符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)的要求。

1.1.1 目標(biāo)空隙率的確定

對(duì)于透水瀝青混凝土，當(dāng)空隙率低于15%時(shí)，達(dá)不到透水降噪的效果，且水流在路面內(nèi)部流動(dòng)緩慢，在車(chē)輛荷載的作用下會(huì)形成動(dòng)水壓力，對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成非常大的危害；而當(dāng)空隙率大于25%時(shí)，雖然路面會(huì)具有優(yōu)異的透水能力，但混合料主要依靠集料之間的嵌擠作用形成強(qiáng)度，在長(zhǎng)期路面荷載和水作用下，耐久性會(huì)較差。因此，透水瀝青混合料的空隙率一般采用15%～25%[13]。本研究取18%、20%和22%三個(gè)目標(biāo)空隙率。

1.1.2 級(jí)配的選擇

當(dāng)制備的混合料空隙率在18%～25%范圍內(nèi)時(shí)，空隙率始終與2.36 mm篩孔的通過(guò)率存在著線(xiàn)性關(guān)系[14]。本試驗(yàn)先擬定級(jí)配A、級(jí)配B和級(jí)配C三組級(jí)配，得到空隙率與2.36 mm篩孔通過(guò)率的關(guān)系曲線(xiàn)；再經(jīng)馬歇爾試驗(yàn)等確定最終級(jí)配，如圖1所示。

圖1 目標(biāo)空隙率對(duì)應(yīng)的級(jí)配曲線(xiàn)

1.1.3 最佳瀝青用量的確定

對(duì)高黏改性瀝青進(jìn)行析漏試驗(yàn)，得到最大瀝青用量，同時(shí)采用飛散試驗(yàn)得到最小瀝青用量，通過(guò)最大瀝青用量與最小瀝青用量得到最佳瀝青用量，如表1所示。

表1 最佳瀝青用量

1.2 透水瀝青穩(wěn)定碎石混合料

瀝青穩(wěn)定碎石排水基層(ATPB)混合料由砂石材料和較少量的瀝青組成。由于ATPB空隙率較大，因此屬于骨架-空隙結(jié)構(gòu)[15]。為了保證瀝青與集料的黏附性，透水瀝青穩(wěn)定碎石基層仍采用高黏改性瀝青和玄武巖。玄武巖分為0～5 mm、5～11 mm、11～17 mm、17～26.5 mm四檔集料。

1.2.1 ATPB-25級(jí)配設(shè)計(jì)

由于ATPB-25的細(xì)集料較少，若采取規(guī)范中的級(jí)配往往耐久性較差。本文參考國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)施的項(xiàng)目采用的級(jí)配，另外選取幾條合適的級(jí)配曲線(xiàn)，以獲得滿(mǎn)足路用性能要求的4條礦料級(jí)配曲線(xiàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 四組級(jí)配曲線(xiàn)

1.2.2 最佳瀝青用量

根據(jù)析漏飛散試驗(yàn)結(jié)果，可以確定各級(jí)配的最佳瀝青用量，如表2所示。

表2 最佳瀝青用量

2 透水瀝青混合料試件的性能

2.1 透水瀝青混凝土

2.1.1 連通空隙率

連通空隙是與外界連通的空隙，既能排水又可吸聲，是滿(mǎn)足海綿城市道路性能所必須的要素。連通空隙率采用網(wǎng)籃法測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 連通空隙率計(jì)算結(jié)果

分析表3可知：連通空隙率隨混合料空隙率的増大而增大，兩者存在著線(xiàn)性關(guān)系：Y=0.594 9X+2.628 8，R2=0.999 2；同時(shí)連通空隙率達(dá)到目標(biāo)空隙率的70%以上。由于兩者之間線(xiàn)性關(guān)系顯著，因此對(duì)于相同原材料下的連通空隙率，一般可以通過(guò)空隙率計(jì)算出來(lái)。

2.1.2 高溫穩(wěn)定性

透水瀝青混合料與一般的瀝青混合料均使用車(chē)轍試驗(yàn)高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，60 min的動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果如圖3所示。

圖3 空隙率與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系曲線(xiàn)

分析圖3可知，在60 ℃試驗(yàn)溫度下，透水瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨空隙率的變化出現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。當(dāng)目標(biāo)空隙率增大，對(duì)應(yīng)的配合比設(shè)計(jì)中粗集料也相應(yīng)增多(目標(biāo)空隙率為18%時(shí)粗集料占76.7%，空隙率為20%時(shí)粗集料占77.4%，空隙率為22%時(shí)粗集料占78.5%)，同時(shí)細(xì)集料相應(yīng)減少，無(wú)法很好地起到填充作用，導(dǎo)致瀝青與粗骨料之間的黏結(jié)性能降低，在高溫荷載作用下易產(chǎn)生變形而使動(dòng)穩(wěn)定度下降[16]。

2.1.3 水穩(wěn)定性

制作目標(biāo)空隙率下的馬歇爾試件，在60 ℃水中養(yǎng)生48 h，室溫下靜置24 h后進(jìn)行飛散試驗(yàn)和馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 空隙率與浸水飛散損失率的關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 空隙率與馬歇爾穩(wěn)定度的關(guān)系曲線(xiàn)

從圖4、5可以看出：透水瀝青混合料的浸水馬歇爾飛散損失率隨著混合料空隙率的增大而增大，且增加的量也逐漸變大，空隙率從18.6%增大到20.5%和21.1%時(shí)，浸水損失率分別增加了21.1%和25.5%；而殘留穩(wěn)定度隨著空隙率的增大而減小，且空隙率越大殘留穩(wěn)定度減小得越明顯，分別減小了0.65%和3.25%。這表明，空隙率越大，透水瀝青路面發(fā)生水損害的概率越大。在空隙率為22%時(shí)，浸水飛散損失率接近20%。因此采用此種高黏瀝青和集料時(shí)，混合料的空隙率不應(yīng)超過(guò)22%。

2.1.4 滲水性能

透水瀝青路面最重要的作用是排水，其排水特性一般用滲水系數(shù)來(lái)表示，滲水系數(shù)的大小與混合料的空隙率密切相關(guān)，如圖6所示。

圖6 空隙率與滲水系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)

從圖6可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)空隙率為18.6%時(shí)，滲水系數(shù)為0.323；當(dāng)空隙率為20.5%時(shí)，滲水系數(shù)為0.514；當(dāng)空隙率為21.1%時(shí)，滲水系數(shù)為0.781?？障堵省⑦B通空隙率與滲水系數(shù)均具有明顯的相關(guān)性，隨著空隙率、連通空隙率的增大，滲水系數(shù)也相應(yīng)增大。滲水系數(shù)與空隙率的線(xiàn)性關(guān)系為Y=0.163 2X-2.735 9，R2=0.857 4，表明隨著空隙率的增大，路面的透水性逐漸變好。在工程應(yīng)用中，確定路面的滲水系數(shù)比較麻煩，因此可以采用空隙率代替滲水系數(shù)來(lái)表征透水能力。

2.2 透水瀝青穩(wěn)定碎石

2.2.1 力學(xué)強(qiáng)度

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件，測(cè)試混合料的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 抗壓試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以看出：級(jí)配A細(xì)集料較多，粗集料相對(duì)較少，因此其抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量均較高；而級(jí)配C細(xì)集料較少，粗集料較多，集料之間嵌擠接觸點(diǎn)相對(duì)減少，因而抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量較小。

2.2.2 空隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)得出不同空隙率透水瀝青穩(wěn)定碎石的滲水系數(shù)，繪制空隙率與滲水系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖7所示。

圖7 空隙率與滲水系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)

從圖7可以看出，空隙率與滲水系數(shù)呈很好的正相關(guān)，它們的線(xiàn)性關(guān)系用公式表示為Y=0.097 6X-1.346 3。通過(guò)這個(gè)公式可以計(jì)算出空隙率為18%、20%、22%時(shí)瀝青穩(wěn)定碎石的滲水系數(shù)。

3 瀝青路面整體透水能力的數(shù)值模擬

在前述研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，利用ABAQUS軟件構(gòu)建路面結(jié)構(gòu)模型，研究降雨在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的滲流情況，分析路面結(jié)構(gòu)的蓄排水能力。所采用的路面結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 路面結(jié)構(gòu)

考慮到路基、路面結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，本文采用半幅路的路面結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。路面半幅路寬度采用2個(gè)車(chē)道的寬度，取7.5 m，道路橫坡為2%。透水路面通過(guò)透水式瀝青穩(wěn)定碎石基層排水，基層底部設(shè)定為無(wú)法透水的邊界；所建模型的左側(cè)不存在流量，因此設(shè)置為無(wú)法過(guò)水的邊界；透水式瀝青面層的上方存在降雨，所以設(shè)定為降雨邊界；透水式瀝青面層的右側(cè)為排水?dāng)嗝?，因此設(shè)定為零壓力面。

以重慶市暴雨重現(xiàn)期為5年、歷時(shí)為24 h的降雨條件為例，按照路面寬度為7.5 m，利用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元模擬，如圖9、10所示。

圖9 586.9 min浸潤(rùn)線(xiàn)第一次與路表面相切

圖10 611.9 min浸潤(rùn)線(xiàn)第二次與路表面相切

由圖9、10可以看出，當(dāng)設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期為5年、降雨歷時(shí)為1 440 min的整個(gè)降雨過(guò)程中，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水位隨著降雨強(qiáng)度的變化和降雨歷時(shí)的推移，呈現(xiàn)出先上升后下降的曲線(xiàn)形態(tài)。

降雨331.9 min時(shí)，降雨強(qiáng)度為1.494 mm·h-1，累計(jì)降雨量為8.346 mm，達(dá)到浸潤(rùn)線(xiàn)最低線(xiàn)，可以理解為降雨0～331.9 min為路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部浸潤(rùn)的過(guò)程。降雨586.9 min時(shí)浸潤(rùn)線(xiàn)第一次與路表面相切，此時(shí)降雨強(qiáng)度為48.465 mm·h-1，累計(jì)降雨量為74.662 mm，說(shuō)明在331.9～586.9 min路面結(jié)構(gòu)內(nèi)蓄積的雨水量在不斷增大，路面結(jié)構(gòu)中的水位線(xiàn)不斷上升，雨水即將滲出透水瀝青路面結(jié)構(gòu)，此時(shí)降雨強(qiáng)度等于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水能力。降雨611.9 min時(shí)浸潤(rùn)線(xiàn)第二次與路表面相切，此時(shí)降雨強(qiáng)度為45.620 mm·h-1，說(shuō)明在586.9～611.9 min，隨著降雨強(qiáng)度的增加，路面結(jié)構(gòu)表面將形成路表徑流。在降雨611.9 min后，透水瀝青路面結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)之后的降雨，路面結(jié)構(gòu)中的水位線(xiàn)不斷下降。

透水瀝青路面最重要的作用為降低路表的徑流量，緩解強(qiáng)降雨下城市雨水管道的壓力。通過(guò)圖9、10可以得出，在24 h暴雨中，586.9～611.9 min時(shí)間段內(nèi)由于降雨強(qiáng)度增大，將形成地表徑流，而在0～586.9 min與611.9～1 440 min時(shí)間段，透水瀝青路面結(jié)構(gòu)未形成地表徑流。因此，透水瀝青路面的儲(chǔ)水功能相當(dāng)于一個(gè)排水系統(tǒng)緩沖，有效降低了暴雨時(shí)城市雨水管道的排水負(fù)擔(dān)，通過(guò)延長(zhǎng)高峰流量的時(shí)間，能夠大大降低城市道路在暴雨時(shí)出現(xiàn)積水和內(nèi)澇的概率。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于城市的快速發(fā)展，大量的建筑和地面硬化形成“鐵殼城市”，導(dǎo)致雨水無(wú)法滲透到地下。市政工程“海綿化”的核心思想是摒棄原有的雨水“快排”思路，致力于結(jié)合綠色設(shè)施和灰色設(shè)施，將雨水的收集、輸送、凈化、利用、排放等環(huán)節(jié)有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)并協(xié)調(diào)運(yùn)作，最大程度發(fā)揮城市自身的排水和用水功能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，普通城市中道路的覆蓋率己經(jīng)達(dá)8%～16%，大城市已經(jīng)超過(guò)了22%，如將傳統(tǒng)的密級(jí)配路面改為透水路面，可有效實(shí)現(xiàn)海綿城市的建設(shè)。由以上研究可知，采用透水性瀝青路面結(jié)構(gòu)可有效緩解暴雨季節(jié)所帶來(lái)的城市內(nèi)澇問(wèn)題。文中只研究了路幅寬度為7.5 m的情況，且選用的是雨量相對(duì)較大的重慶市的降雨資料，當(dāng)雨量增大，可通過(guò)增加路幅寬度的方法來(lái)增加排水能力，而現(xiàn)在大部分城市主干路的半幅寬度均在7.5 m以上，因此此種路面結(jié)構(gòu)對(duì)大多數(shù)的海綿城市建設(shè)都是可用的。