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李俊奇团队 | 综述:渗排型透水铺装运行维护研究

时间:2022-09-22 09:40|来源:|作者:|点击:

作为雨水源头控制措施,渗排型透水铺装具有良好的径流控制效能,可有效削减径流体积、降低和延迟径流峰值、控制径流污染。然而,大气沉降、雨水冲刷等各种因素易导致沉积物进入透水铺装并造成堵塞,进而降低径流控制效能。合理的维护措施可有效缓解透水铺装的堵塞并恢复其渗透性。综述了渗排型透水铺装在径流控制、堵塞、维护等方面的研究进展,重点分析了径流控制效能的影响因素、堵塞及维护机理,并在径流控制效能量化、堵塞缓解、维护优化等方面提出了建议。

引用本文:吴允红,李俊奇,张哲,等. 渗排型透水铺装运行维护研究进展[J]. 给水排水,2022,48(8):151-159.

透水铺装作为雨水源头控制措施,具有良好的径流控制效能,在海绵城市建设中被广泛使用。透水铺装的常见构造由上到下依次为面层、找平层、基层、底基层和原位土。根据基层是否透水,透水铺装可分为全透水铺装和半透水铺装,全透水铺装被广泛用于停车位、景观硬地等,半透水铺装则适用于轻型荷载道路等。根据面层结构的不同,透水铺装可分为透水砖铺装、现场碾压制作整体成型的无缝透水铺装(简称为“无缝透水铺装”)。透水砖铺装包括水泥透水砖铺装(Permeable interlocking concrete paver pavement, PICP)、陶瓷透水砖铺装、网格砖铺装(Concrete grid paver pavemen, CGP)、结构透水砖铺装。CGP还可分为嵌沙砖铺装(Sand-embedded CGP, SD-CGP)、嵌草砖铺装(Grass-embedded CGP, GS-CGP)、嵌石砖铺装等。无缝透水铺装有透水水泥混凝土铺装(Pervious concrete pavement, PCP)、透水沥青混凝土铺装(Porous asphalt pavement, PAP),碎石铺装(Gravel pavement, GP)等。

01 渗排型透水铺装径流控制

1.1 径流控制机理

渗排型透水铺装的径流控制效能与径流下渗密切相关,下渗过程可分为3个阶段,先后依次分别为“表面下渗阶段”“内部滞留阶段”“储水排放阶段”。透水铺装主要通过吸附、毛细、过滤、储存、渗透等作用削减径流体积,降低和延迟径流峰值,控制径流污染物。

1.2 径流控制效能量化方法

COLLINS等采用径流体积削减率、峰值削减率、峰值延时量化渗排型透水铺装的水量控制效能,无表面径流时,渗排型透水铺装的峰值削减率、峰值延时是针对下渗出流而言。径流体积削减率、峰值削减率、峰值延时与有无汇水区有关。透水铺装的径流体积削减率是基于入流体积,无汇水区时入流体积为透水铺装上的直接降雨量,有汇水区时入流体积包括透水铺装上的直接降雨量和汇水区的入流体积,汇水区入流体积可采用雨前干期的“径流曲线数值法(CN)”和径流系数法计算。无汇水区时透水铺装的径流峰值削减率、峰值延时是基于不透水铺装表面径流或铺装内的降雨。KUICHLING等采用“比值法”计算汇水区的入流峰值。当汇水区面积远大于监测的透水铺装面积时,铺装内的降雨峰值可忽略,汇水区径流峰值可代表透水铺装的入流峰值;但是,当汇水区面积小于和接近透水铺装面积时,铺装内的降雨峰值不可忽略,入流峰值需同时考虑汇水区径流和铺装内降雨。

BOOTH等将下渗出流水质与不透水铺装表面径流水质作比较,采用不同水质指标的削减率来量化透水铺装的水质控制效能,监测的水质指标主要有TSS、TOC、TN、TP、Cu、Pb、Zn等。透水铺装还可有效控制雨水径流的热污染,因此除上述常规监测指标外水体温度的监测也十分重要。

1.3 水量控制效能及其影响因素

不同监测条件下渗排型透水铺装水量控制效能见表1。由于铺装结构(即使面层结构相同)、原位土渗透率、IWS、降雨条件、汇水区等影响因素的差异,监测结果变化显著。透水铺装水量控制效能与单因素或多因素的关系尚不明确,如何将单因素影响耦合为多因素影响也需进一步研究。由于我国地域环境差异较大,透水铺装水量控制效能的量化应考虑地域特征,如北方城市的冰冻和融雪剂使用、南方城市的湿度和高水位等。

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1.3.1 内在因素透

透水铺装水量控制效能影响因素按是否与自身特性有关分为内在因素和外在因素。内在因素有面层渗透率、铺装面层结构、IWS、铺装底部和四周的渗透率、铺装表面凹陷程度、铺装内孔隙毛细力和材料表面吸附力等。渗排型透水铺装的水量控制效能与面层渗透率成正相关。透水铺装面层结构除与面层渗透率紧密相关外还影响雨水下渗流径和表面流径。不同面层结构的透水铺装的径流控制效能差异显著。

1.3.2 外在因素

外在因素有汇水区不透水面积与透水铺装面积的比值(汇水面积比)、降雨特征,其中,降雨特征包括降雨量、降雨强度、雨前干期。汇水面积比的范围为0~21.9,汇水面积比与水量控制效能成负相关。COLLINS等采用Pearson相关性检验发现降雨量、降雨强度分别与径流体积或径流峰值成正相关,而与峰值延时成负相关,雨前干期与径流体积、径流峰值、峰值延时的相关性与降雨量相反。与其他降雨特征相比,降雨量、降雨强度分别对径流体积、峰值延时的影响最显著,降雨量和降雨强度对径流峰值的影响程度接近但显著高于雨前干期。由于自然降雨的不确定性和雨期有限,外在因素对水量控制效能影响的量化试验可采用模拟降雨的方式进行。

1.4 水质控制效能及其影响因素

透水铺装能有效控制径流污染物,铺装面层结构对径流水质控制效能影响明显,不同面层结构的渗排型透水铺装水质控制效能见表2。PICP、PCP、PAP对TSS浓度的控制效能显著,PICP、PCP、PAP下渗出流的TSS浓度较不透水铺装表面径流分别降低了72%~99%、77%、69%。PAP对TOC、TN、TP的控制效能低于PICP和PCP,PAP下渗出流的TOC、TN、TP的浓度削减率分别为(-19%)~3%、(-34%)~(-33%)、19%,PICP对应削减率分别为35%~46%、(-24%)~68%、23%~96%,PCP对应削减率分别为24%、(-2%)~64%、58%。PAP对TOC、TN、TP的控制效能较差的原因可能与PAP自身的沥青混凝土骨料有关。所统计的透水铺装都可减少Cu、Pb、Zn的排出,透水铺装下渗出流的Cu、Pb、Zn浓度相较于不透水铺装表面径流分别降低了(-59%)~95%、59%~(>95%)、30%~95%。与不透水铺装表面径流相比,PICP、PCP、SD-CGP下渗出流的pH有所上升,上升幅度为9%~27%;GS-CGP、GP、PICP下渗出流的硬度和导电性上升明显,上升幅度分别为214%~710%、159%~751%。透水铺装水量控制机理和水质控制机理联系密切,水量控制效能的影响因素可通过削减径流体积的方式影响水质控制效能。KIM等发现TSS削减率与面层渗透率成反比,WARDYNSKI等发现热负荷削减、TSS削减主要与径流体积削减有关。

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02 渗排型透水铺装堵塞

2.1 堵塞机理

透水铺装的堵塞主要由沉积物进入孔隙造成。渗排型透水铺装在水平方向的堵塞是从其入口向尾部延展;堵塞在水平方向的延展规律与沉积物进入铺装的轨迹有关,有汇水区时雨水径流夹杂沉积物一般从铺装入口向尾部流动,无汇水区时车胎夹杂的沉积物也因胎与铺装入口接触而掉落。因此,为缓解堵塞,可通过在铺装入口设沟槽或增大表面孔径等方式截留沉积物。ZHANG等采用透明骨料和不同颜色的堵塞颗粒来模拟竖向堵塞过程,通过Image J软件对图片分析发现堵塞面积变化可分为4个阶段:快速增长、小幅下降、慢速增长、稳定,具体的堵塞机制是大颗粒沉积物堵塞后小颗粒沉积物在其周围堵塞。由于自然堵塞缓慢,铺装堵塞与维护的场地试验所需时间较长。为了克服上述问题,SANDOVAL等在铺装表面选取直径为30 cm的圆形区域来模拟堵塞。HU等将沉积物等分后每间隔一段时间逐份将沉积物沉降到PCP表面来代表面层渗透率逐渐降低的过程。HU等洒水直到沉积物无明显地进入孔隙来模拟最严重的堵塞。模拟堵塞除了考虑沉积物的质量、级配、有机物含量、粒径外,还应考虑压实度。

2.2 堵塞影响因素

透水铺装堵塞与沉积物的质量、有机物含量、级配、沉积物粒径与铺装表面孔隙的比值等有关。SANDOVAL等采用模拟堵塞发现面层渗透率随着沉积物质量的增加呈指数下降趋势(先快速下降,而后慢速下降,最后趋于稳定),面层渗透率和堵塞面积分别随沉积物质量的变化趋势相似,面层渗透率降低与堵塞面积增加密切相关。SANDOVAL等还发现粘土和粘土-沙混合物对堵塞的影响程度相等,但都高于沙。级配较多的沉积物比级配较少的更易造成堵塞,与粒径为0~0.6 mm的沉积物相比,粒径为0.6~2.36 mm的沉积物堵塞更严重。ZHOU等采用断层扫描技术(CT)和Image J软件分析混凝土柱发现当沉积物粒径与孔隙孔径的比值为0.6~0.8时堵塞易发生。NICHOLS等也发现粒径为251~550 μm的沉积物造成的堵塞最严重。因此,为了缓解堵塞,可调整透水铺装的设计参数并严格按要求施工,以防止当地沉积物主要粒径与铺装主要孔径的比值在上述区间。

沉积物质量受使用年数、大气沉降、汇水面积比、降雨场次、铺装表面骨料脱落、车流量等自然和人为因素影响。SANSALONE等发现透水铺装面层渗透率随使用年数的增加呈指数下降趋势。KAYHANIAN等发现使用年数和粒径小于38 μm的沉积物对铺装堵塞影响较大,车流量、植被、大于30 ℃的天数影响较小,然而CIPOLLA等发现使用年数和雨前干期对堵塞影响较小,前两者研究结果的差异可能是场地扬尘和车流量的差异造成的。WELKER等发现无雨水冲刷和车辆夹杂时,孔隙中沉积物主要是铺装面层自身脱落的粗颗粒,细颗粒和有机物较少。对于无缝透水铺装,面层构造材料脱落是其堵塞的重要原因,在铺装施工中应着重考虑构造材料脱落问题。

03 渗排型透水铺装维护

3.1 维护措施及其机理

透水铺装的堵塞可通过维护措施缓解,维护措施分为单项维护措施和组合维护措施。单项维护措施有:清扫、高压气冲、高压水洗、低压抽吸、反冲洗、破碎重构等。清扫通过人工、机械、空气循环等方式清除铺装表面杂物和破碎砖缝堵塞来提高铺装的面层渗透率,不易清除透水铺装表面孔隙的堵塞。高压气冲和高压水洗分别通过高压水和高压气将一部分堵塞颗粒冲出铺装,同时将另一部分堵塞颗粒冲入铺装深层,因此高压气冲和高压水洗可能会在铺装深层形成难以维护的堵塞。低压抽吸通过真空吸取堵塞颗粒,可避免在铺装深层形成堵塞,由于砖缝会降低真空度,低压抽吸适用于PCP、PAP等无缝透水铺装。与低压抽吸相比,反冲洗以水为介质将堵塞颗粒从铺装中吸出,ZHAO等发现其维护效能优于清扫、低压抽吸、高压水洗。由于堵塞主要发生在铺装表面以下一定深度(25 mm),WINSTON等对铺装面层通过破碎重构的方式来恢复其渗透率。破碎重构的深度以破碎后面层渗透率满足期望渗透率为准,此维护措施应作为其他维护措施难以恢复铺装面层渗透率时采用的最终手段。

组合维护措施是不同单项维护措施组合而成,单项维护措施的不同组合顺序具有不同的维护效能。组合维护措施可根据铺装面层结构和沉积物特性选择单项维护措施及其组合顺序,因此组合维护措施的维护效能一般优于单项维护措施。组合维护措施有:低压抽吸+高压水洗,低压抽吸+高压气冲,高压水洗+低压抽吸,清扫+低压抽吸等,低压抽吸常与其他维护措施组合。

3.2 维护效能及其影响因素

维护效能与铺装面层结构、维护措施类型、维护参数、维护周期有关。根据初始面层渗透率(Pin)、维护前面层渗透率(Pre)、维护后面层渗透率(Pos)计算渗透比(RS,RS=Pos/Pre)、恢复率[RI,RI=(Pos-Pre)/Pin]来表示维护效能。在不同维护条件下,不同面层结构透水铺装的恢复率范围为9%~73%。在相同维护条件下比较不同维护措施的维护效能,CHOPRA等发现维护PCP时维护措施按维护效能从高到低排序为:(低压抽吸+高压气冲)=(低压抽吸+高压水洗)=(高压水洗+低压抽吸)>高压气冲=高压水洗>低空抽吸=机械清扫,SEHGAL等发现维护PCP时维护措施按维护效能从高到低排序为:(低压抽吸+高压水洗)=高压水洗>低压抽吸,ZHAO等发现维护PAP时高压水洗和低压抽吸的维护效能无明显区别。

维护参数包括维护强度参数、维护时间参数、其他维护参数。维护强度参数有气压、水压、真空度、破碎深度等,维护时间参数有单次维护时长、清扫次数等,其他维护参数有维护喷嘴或吸嘴距铺装表面距离、喷射水面或气面与铺装表面的夹角等。维护效能与维护强度或维护时间参数成正相关,不同维护条件下的维护效能见表3。虽然一些研究根据维护效能对维护措施进行了评价,但是由于维护效能随维护参数变化,透水铺装的最佳维护措施还不能确定。维护措施的评价应综合考虑维护效能、维护成本、维护耗能等。SANDOVAL等发现维护周期越短维护前面层渗透率越高而维护后面层渗透率越低,维护周期过短(即维护越频繁)可能会加剧透水铺装深层堵塞的形成。目前透水铺装的维护周期、维护时长的选择尚不清楚,此方面的研究需继续深入。

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04 结论和建议

(1)渗排型透水铺装具有良好的径流控制效能,可通过吸附、毛细、过滤、储存、渗透等作用削减径流体积,降低和延迟径流峰值并减少TSS、TOC、TN、TP、Cu、Pb、Zn等径流污染物的排出,但有时也会增加雨水径流的pH、硬度、导电性。影响透水铺装径流控制效能的主要因素有汇水面积比、降雨量、降雨强度、铺装面层结构、IWS,其中,IWS的储水深度与铺装结构安全有关,最大储水深度的确定对渗排型

(2)渗排型透水铺装的堵塞集中发生在铺装表面以下的一定深度(25 mm)内,从入口向其远端延展,堵塞程度先明显加剧而后趋于稳定。影响堵塞的因素主要有沉积物质量、级配、有机物含量及沉积物主要粒径与铺装表面主要孔径的比值。合理地设计和维护透水铺装可有效缓解堵塞,如在铺装入口处设置截留沉积物的措施,避免沉积物主要粒径与铺装表面主要孔径的比值在易发生堵塞的区间内(0.6~0.8),防止铺装面层骨料脱落等。

(3)合理的维护措施可有效缓解渗排型透水铺装的渗透性能,平均恢复率可达40%,相较于单项维护措施,组合维护措施效能更佳。应根据维护机理和铺装面层结构灵活选用维护措施。维护措施选择中应注意:高压气冲和高压水洗易将部分堵塞颗粒冲入铺装深层而形成难以维护的堵塞,且易造成铺装面层骨料的脱落,低压抽吸易在未抹缝的透水砖铺装上因真空度不足而维护效能不佳。当然,维护措施的评价与选用也不能仅考虑维护效能,还需综合考虑维护成本、耗能、耗水等因素。

(4)渗排型透水铺装控制效能、堵塞机理及其维护措施的效能尚有许多问题需要研究,如汇水比、降雨量、降雨强度等因素对径流控制效能量化分析欠缺,如何将单因素分析耦合为多因素分析从而构建水量水质模型也值得进一步探讨;沉积物粒径与铺装表面孔径的比值对堵塞深度的影响还不确定,沉积物质量、级配、有机物含量、粒径和铺装表面孔径等堵塞因素的单因素分析和多因素分析也需加强;透水铺装的维护措施、维护周期、维护时长的最优选择还不确定,周期性维护是否会加速铺装深层堵塞的形成,为防止骨料脱落高压气冲和高压水洗所允许使用的压力上限如何,低压抽吸有效工作的最大砖缝深度如何等。合理地选用、设计、维护透水铺装可长效地控制雨水径流及其污染。

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