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李俊奇團隊 | 綜述:滲排型透水鋪裝運行維護研究

2022-09-22信息來源 : 給水排水

作為雨水源頭控制措施,滲排型透水鋪裝具有良好的徑流控制效能,可有效削減徑流體積、降低和延遲徑流峰值、控制徑流污染。然而,大氣沉降、雨水沖刷等各種因素易導致沉積物進入透水鋪裝并造成堵塞,進而降低徑流控制效能。合理的維護措施可有效緩解透水鋪裝的堵塞并恢復其滲透性。綜述了滲排型透水鋪裝在徑流控制、堵塞、維護等方面的研究進展,重點分析了徑流控制效能的影響因素、堵塞及維護機理,并在徑流控制效能量化、堵塞緩解、維護優化等方面提出了建議。

引用本文:吳允紅,李俊奇,張哲,等. 滲排型透水鋪裝運行維護研究進展[J]. 給水排水,2022,48(8):151-159.

透水鋪裝作為雨水源頭控制措施,具有良好的徑流控制效能,在海綿城市建設中被廣泛使用。透水鋪裝的常見構造由上到下依次為面層、找平層、基層、底基層和原位土。根據基層是否透水,透水鋪裝可分為全透水鋪裝和半透水鋪裝,全透水鋪裝被廣泛用于停車位、景觀硬地等,半透水鋪裝則適用于輕型荷載道路等。根據面層結構的不同,透水鋪裝可分為透水磚鋪裝、現場碾壓制作整體成型的無縫透水鋪裝(簡稱為“無縫透水鋪裝”)。透水磚鋪裝包括水泥透水磚鋪裝(Permeable interlocking concrete paver pavement, PICP)、陶瓷透水磚鋪裝、網格磚鋪裝(Concrete grid paver pavemen, CGP)、結構透水磚鋪裝。CGP還可分為嵌沙磚鋪裝(Sand-embedded CGP, SD-CGP)、嵌草磚鋪裝(Grass-embedded CGP, GS-CGP)、嵌石磚鋪裝等。無縫透水鋪裝有透水水泥混凝土鋪裝(Pervious concrete pavement, PCP)、透水瀝青混凝土鋪裝(Porous asphalt pavement, PAP),碎石鋪裝(Gravel pavement, GP)等。

01 滲排型透水鋪裝徑流控制

1.1 徑流控制機理

滲排型透水鋪裝的徑流控制效能與徑流下滲密切相關,下滲過程可分為3個階段,先后依次分別為“表面下滲階段”“內部滯留階段”“儲水排放階段”。透水鋪裝主要通過吸附、毛細、過濾、儲存、滲透等作用削減徑流體積,降低和延遲徑流峰值,控制徑流污染物。

1.2 徑流控制效能量化方法

COLLINS等采用徑流體積削減率、峰值削減率、峰值延時量化滲排型透水鋪裝的水量控制效能,無表面徑流時,滲排型透水鋪裝的峰值削減率、峰值延時是針對下滲出流而言。徑流體積削減率、峰值削減率、峰值延時與有無匯水區有關。透水鋪裝的徑流體積削減率是基于入流體積,無匯水區時入流體積為透水鋪裝上的直接降雨量,有匯水區時入流體積包括透水鋪裝上的直接降雨量和匯水區的入流體積,匯水區入流體積可采用雨前干期的“徑流曲線數值法(CN)”和徑流系數法計算。無匯水區時透水鋪裝的徑流峰值削減率、峰值延時是基于不透水鋪裝表面徑流或鋪裝內的降雨。KUICHLING等采用“比值法”計算匯水區的入流峰值。當匯水區面積遠大于監測的透水鋪裝面積時,鋪裝內的降雨峰值可忽略,匯水區徑流峰值可代表透水鋪裝的入流峰值;但是,當匯水區面積小于和接近透水鋪裝面積時,鋪裝內的降雨峰值不可忽略,入流峰值需同時考慮匯水區徑流和鋪裝內降雨。

BOOTH等將下滲出流水質與不透水鋪裝表面徑流水質作比較,采用不同水質指標的削減率來量化透水鋪裝的水質控制效能,監測的水質指標主要有TSS、TOC、TN、TP、Cu、Pb、Zn等。透水鋪裝還可有效控制雨水徑流的熱污染,因此除上述常規監測指標外水體溫度的監測也十分重要。

1.3 水量控制效能及其影響因素

不同監測條件下滲排型透水鋪裝水量控制效能見表1。由于鋪裝結構(即使面層結構相同)、原位土滲透率、IWS、降雨條件、匯水區等影響因素的差異,監測結果變化顯著。透水鋪裝水量控制效能與單因素或多因素的關系尚不明確,如何將單因素影響耦合為多因素影響也需進一步研究。由于我國地域環境差異較大,透水鋪裝水量控制效能的量化應考慮地域特征,如北方城市的冰凍和融雪劑使用、南方城市的濕度和高水位等。


 

1.3.1 內在因素透

透水鋪裝水量控制效能影響因素按是否與自身特性有關分為內在因素和外在因素。內在因素有面層滲透率、鋪裝面層結構、IWS、鋪裝底部和四周的滲透率、鋪裝表面凹陷程度、鋪裝內孔隙毛細力和材料表面吸附力等。滲排型透水鋪裝的水量控制效能與面層滲透率成正相關。透水鋪裝面層結構除與面層滲透率緊密相關外還影響雨水下滲流徑和表面流徑。不同面層結構的透水鋪裝的徑流控制效能差異顯著。

1.3.2 外在因素

外在因素有匯水區不透水面積與透水鋪裝面積的比值(匯水面積比)、降雨特征,其中,降雨特征包括降雨量、降雨強度、雨前干期。匯水面積比的范圍為0~21.9,匯水面積比與水量控制效能成負相關。COLLINS等采用Pearson相關性檢驗發現降雨量、降雨強度分別與徑流體積或徑流峰值成正相關,而與峰值延時成負相關,雨前干期與徑流體積、徑流峰值、峰值延時的相關性與降雨量相反。與其他降雨特征相比,降雨量、降雨強度分別對徑流體積、峰值延時的影響最顯著,降雨量和降雨強度對徑流峰值的影響程度接近但顯著高于雨前干期。由于自然降雨的不確定性和雨期有限,外在因素對水量控制效能影響的量化試驗可采用模擬降雨的方式進行。

1.4 水質控制效能及其影響因素

透水鋪裝能有效控制徑流污染物,鋪裝面層結構對徑流水質控制效能影響明顯,不同面層結構的滲排型透水鋪裝水質控制效能見表2。PICP、PCP、PAP對TSS濃度的控制效能顯著,PICP、PCP、PAP下滲出流的TSS濃度較不透水鋪裝表面徑流分別降低了72%~99%、77%、69%。PAP對TOC、TN、TP的控制效能低于PICP和PCP,PAP下滲出流的TOC、TN、TP的濃度削減率分別為(-19%)~3%、(-34%)~(-33%)、19%,PICP對應削減率分別為35%~46%、(-24%)~68%、23%~96%,PCP對應削減率分別為24%、(-2%)~64%、58%。PAP對TOC、TN、TP的控制效能較差的原因可能與PAP自身的瀝青混凝土骨料有關。所統計的透水鋪裝都可減少Cu、Pb、Zn的排出,透水鋪裝下滲出流的Cu、Pb、Zn濃度相較于不透水鋪裝表面徑流分別降低了(-59%)~95%、59%~(>95%)、30%~95%。與不透水鋪裝表面徑流相比,PICP、PCP、SD-CGP下滲出流的pH有所上升,上升幅度為9%~27%;GS-CGP、GP、PICP下滲出流的硬度和導電性上升明顯,上升幅度分別為214%~710%、159%~751%。透水鋪裝水量控制機理和水質控制機理聯系密切,水量控制效能的影響因素可通過削減徑流體積的方式影響水質控制效能。KIM等發現TSS削減率與面層滲透率成反比,WARDYNSKI等發現熱負荷削減、TSS削減主要與徑流體積削減有關。

 

02 滲排型透水鋪裝堵塞

2.1 堵塞機理

透水鋪裝的堵塞主要由沉積物進入孔隙造成。滲排型透水鋪裝在水平方向的堵塞是從其入口向尾部延展;堵塞在水平方向的延展規律與沉積物進入鋪裝的軌跡有關,有匯水區時雨水徑流夾雜沉積物一般從鋪裝入口向尾部流動,無匯水區時車胎夾雜的沉積物也因胎與鋪裝入口接觸而掉落。因此,為緩解堵塞,可通過在鋪裝入口設溝槽或增大表面孔徑等方式截留沉積物。ZHANG等采用透明骨料和不同顏色的堵塞顆粒來模擬豎向堵塞過程,通過Image J軟件對圖片分析發現堵塞面積變化可分為4個階段:快速增長、小幅下降、慢速增長、穩定,具體的堵塞機制是大顆粒沉積物堵塞后小顆粒沉積物在其周圍堵塞。由于自然堵塞緩慢,鋪裝堵塞與維護的場地試驗所需時間較長。為了克服上述問題,SANDOVAL等在鋪裝表面選取直徑為30 cm的圓形區域來模擬堵塞。HU等將沉積物等分后每間隔一段時間逐份將沉積物沉降到PCP表面來代表面層滲透率逐漸降低的過程。HU等灑水直到沉積物無明顯地進入孔隙來模擬最嚴重的堵塞。模擬堵塞除了考慮沉積物的質量、級配、有機物含量、粒徑外,還應考慮壓實度。

2.2 堵塞影響因素

透水鋪裝堵塞與沉積物的質量、有機物含量、級配、沉積物粒徑與鋪裝表面孔隙的比值等有關。SANDOVAL等采用模擬堵塞發現面層滲透率隨著沉積物質量的增加呈指數下降趨勢(先快速下降,而后慢速下降,最后趨于穩定),面層滲透率和堵塞面積分別隨沉積物質量的變化趨勢相似,面層滲透率降低與堵塞面積增加密切相關。SANDOVAL等還發現粘土和粘土-沙混合物對堵塞的影響程度相等,但都高于沙。級配較多的沉積物比級配較少的更易造成堵塞,與粒徑為0~0.6 mm的沉積物相比,粒徑為0.6~2.36 mm的沉積物堵塞更嚴重。ZHOU等采用斷層掃描技術(CT)和Image J軟件分析混凝土柱發現當沉積物粒徑與孔隙孔徑的比值為0.6~0.8時堵塞易發生。NICHOLS等也發現粒徑為251~550 μm的沉積物造成的堵塞最嚴重。因此,為了緩解堵塞,可調整透水鋪裝的設計參數并嚴格按要求施工,以防止當地沉積物主要粒徑與鋪裝主要孔徑的比值在上述區間。

沉積物質量受使用年數、大氣沉降、匯水面積比、降雨場次、鋪裝表面骨料脫落、車流量等自然和人為因素影響。SANSALONE等發現透水鋪裝面層滲透率隨使用年數的增加呈指數下降趨勢。KAYHANIAN等發現使用年數和粒徑小于38 μm的沉積物對鋪裝堵塞影響較大,車流量、植被、大于30 ℃的天數影響較小,然而CIPOLLA等發現使用年數和雨前干期對堵塞影響較小,前兩者研究結果的差異可能是場地揚塵和車流量的差異造成的。WELKER等發現無雨水沖刷和車輛夾雜時,孔隙中沉積物主要是鋪裝面層自身脫落的粗顆粒,細顆粒和有機物較少。對于無縫透水鋪裝,面層構造材料脫落是其堵塞的重要原因,在鋪裝施工中應著重考慮構造材料脫落問題。

03 滲排型透水鋪裝維護

3.1 維護措施及其機理

透水鋪裝的堵塞可通過維護措施緩解,維護措施分為單項維護措施和組合維護措施。單項維護措施有:清掃、高壓氣沖、高壓水洗、低壓抽吸、反沖洗、破碎重構等。清掃通過人工、機械、空氣循環等方式清除鋪裝表面雜物和破碎磚縫堵塞來提高鋪裝的面層滲透率,不易清除透水鋪裝表面孔隙的堵塞。高壓氣沖和高壓水洗分別通過高壓水和高壓氣將一部分堵塞顆粒沖出鋪裝,同時將另一部分堵塞顆粒沖入鋪裝深層,因此高壓氣沖和高壓水洗可能會在鋪裝深層形成難以維護的堵塞。低壓抽吸通過真空吸取堵塞顆粒,可避免在鋪裝深層形成堵塞,由于磚縫會降低真空度,低壓抽吸適用于PCP、PAP等無縫透水鋪裝。與低壓抽吸相比,反沖洗以水為介質將堵塞顆粒從鋪裝中吸出,ZHAO等發現其維護效能優于清掃、低壓抽吸、高壓水洗。由于堵塞主要發生在鋪裝表面以下一定深度(25 mm),WINSTON等對鋪裝面層通過破碎重構的方式來恢復其滲透率。破碎重構的深度以破碎后面層滲透率滿足期望滲透率為準,此維護措施應作為其他維護措施難以恢復鋪裝面層滲透率時采用的最終手段。

組合維護措施是不同單項維護措施組合而成,單項維護措施的不同組合順序具有不同的維護效能。組合維護措施可根據鋪裝面層結構和沉積物特性選擇單項維護措施及其組合順序,因此組合維護措施的維護效能一般優于單項維護措施。組合維護措施有:低壓抽吸+高壓水洗,低壓抽吸+高壓氣沖,高壓水洗+低壓抽吸,清掃+低壓抽吸等,低壓抽吸常與其他維護措施組合。

3.2 維護效能及其影響因素

維護效能與鋪裝面層結構、維護措施類型、維護參數、維護周期有關。根據初始面層滲透率(Pin)、維護前面層滲透率(Pre)、維護后面層滲透率(Pos)計算滲透比(RS,RS=Pos/Pre)、恢復率[RI,RI=(Pos-Pre)/Pin]來表示維護效能。在不同維護條件下,不同面層結構透水鋪裝的恢復率范圍為9%~73%。在相同維護條件下比較不同維護措施的維護效能,CHOPRA等發現維護PCP時維護措施按維護效能從高到低排序為:(低壓抽吸+高壓氣沖)=(低壓抽吸+高壓水洗)=(高壓水洗+低壓抽吸)>高壓氣沖=高壓水洗>低空抽吸=機械清掃,SEHGAL等發現維護PCP時維護措施按維護效能從高到低排序為:(低壓抽吸+高壓水洗)=高壓水洗>低壓抽吸,ZHAO等發現維護PAP時高壓水洗和低壓抽吸的維護效能無明顯區別。

維護參數包括維護強度參數、維護時間參數、其他維護參數。維護強度參數有氣壓、水壓、真空度、破碎深度等,維護時間參數有單次維護時長、清掃次數等,其他維護參數有維護噴嘴或吸嘴距鋪裝表面距離、噴射水面或氣面與鋪裝表面的夾角等。維護效能與維護強度或維護時間參數成正相關,不同維護條件下的維護效能見表3。雖然一些研究根據維護效能對維護措施進行了評價,但是由于維護效能隨維護參數變化,透水鋪裝的最佳維護措施還不能確定。維護措施的評價應綜合考慮維護效能、維護成本、維護耗能等。SANDOVAL等發現維護周期越短維護前面層滲透率越高而維護后面層滲透率越低,維護周期過短(即維護越頻繁)可能會加劇透水鋪裝深層堵塞的形成。目前透水鋪裝的維護周期、維護時長的選擇尚不清楚,此方面的研究需繼續深入。

 

04 結論和建議

(1)滲排型透水鋪裝具有良好的徑流控制效能,可通過吸附、毛細、過濾、儲存、滲透等作用削減徑流體積,降低和延遲徑流峰值并減少TSS、TOC、TN、TP、Cu、Pb、Zn等徑流污染物的排出,但有時也會增加雨水徑流的pH、硬度、導電性。影響透水鋪裝徑流控制效能的主要因素有匯水面積比、降雨量、降雨強度、鋪裝面層結構、IWS,其中,IWS的儲水深度與鋪裝結構安全有關,最大儲水深度的確定對滲排型

(2)滲排型透水鋪裝的堵塞集中發生在鋪裝表面以下的一定深度(25 mm)內,從入口向其遠端延展,堵塞程度先明顯加劇而后趨于穩定。影響堵塞的因素主要有沉積物質量、級配、有機物含量及沉積物主要粒徑與鋪裝表面主要孔徑的比值。合理地設計和維護透水鋪裝可有效緩解堵塞,如在鋪裝入口處設置截留沉積物的措施,避免沉積物主要粒徑與鋪裝表面主要孔徑的比值在易發生堵塞的區間內(0.6~0.8),防止鋪裝面層骨料脫落等。

(3)合理的維護措施可有效緩解滲排型透水鋪裝的滲透性能,平均恢復率可達40%,相較于單項維護措施,組合維護措施效能更佳。應根據維護機理和鋪裝面層結構靈活選用維護措施。維護措施選擇中應注意:高壓氣沖和高壓水洗易將部分堵塞顆粒沖入鋪裝深層而形成難以維護的堵塞,且易造成鋪裝面層骨料的脫落,低壓抽吸易在未抹縫的透水磚鋪裝上因真空度不足而維護效能不佳。當然,維護措施的評價與選用也不能僅考慮維護效能,還需綜合考慮維護成本、耗能、耗水等因素。

(4)滲排型透水鋪裝控制效能、堵塞機理及其維護措施的效能尚有許多問題需要研究,如匯水比、降雨量、降雨強度等因素對徑流控制效能量化分析欠缺,如何將單因素分析耦合為多因素分析從而構建水量水質模型也值得進一步探討;沉積物粒徑與鋪裝表面孔徑的比值對堵塞深度的影響還不確定,沉積物質量、級配、有機物含量、粒徑和鋪裝表面孔徑等堵塞因素的單因素分析和多因素分析也需加強;透水鋪裝的維護措施、維護周期、維護時長的最優選擇還不確定,周期性維護是否會加速鋪裝深層堵塞的形成,為防止骨料脫落高壓氣沖和高壓水洗所允許使用的壓力上限如何,低壓抽吸有效工作的最大磚縫深度如何等。合理地選用、設計、維護透水鋪裝可長效地控制雨水徑流及其污染。

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