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摘要：我国现阶段正面临着严重的水资源短缺、水污染以及洪涝灾害等问题，亟需一个综合、全面的解决方案。海绵城市必然成为我国未来城市的主要发展趋势和潮流。透水性铺装材料完全符合作为节约资源、废物利用、保护生态环境的新时代绿色建筑材料的要求，将被得到广泛应用。本文结合笔者多年的工作实践经验，对基于海绵城市理论下的城市透水性铺装的应用进行了分析探讨。
关键词：海绵城市；透水性铺装；应用
1、城市下垫面硬化问题
在传统的城市开发过程中自然下垫面逐渐被建筑物、构筑物和地面铺装所替代，天然可渗透的地表转变成混凝土、沥青、砖石等非透水性材料。世界上的主要城市不透水面积大都在50%以上，我国北京、上海等大城市的平均不透水面积高达72%，上海不透水面积更是高达80%以上。
城市中不透水地表面积的增加，导致径流系数增大，当不透水地面占道路面积20%时，两者地表径流量大致相等；但当不透水路面继续增加，场地的地面径流量则显著增加（图1）。当强降雨发生时，不透水下垫面导致洪峰增高和峰现时间提前，给城市雨水管网排水造成负荷过载，极易造成城市内涝；城市雨水集中快排模式让大量的雨水无效流失，一方面是我国大量城市严重缺水，而另一方面却浪费了宝贵的雨水资源；雨水冲刷城市硬化下垫面形成的各种污染物质与雨水一起流入河流，对受纳水体造成污染，城市地表径流已成为城市水体最大的面源污染源。造成城市雨洪问题的主要原因就是城市下垫面硬化这一人工行为改变了自然水文循环过程，使得自然系统所具有的生态服务功能退化，继而导致城市整体生态环境质量下降。
图1 不同材料下茎面雨水径流量与下渗量对比图
面对日益严重的城市内涝和水体污染，如何有效地滞留雨水径流、削减城市径流污染，对城市开发前后的水文干扰最小化等一系列问题引起国内外学者和城市管理者的广泛关注。20世纪90年代美国提出的低影响开发（Low ImpactDevelopment，LID），绿色基础设施（GreenInfrastructure，GI），以及英国的可持续城市雨水系统（Sustainable Urban Drainage Systems，SUDS）、澳大利亚的水敏感城市设计（Water Sensitive UrbanDesign，WSUD）等都是针对传统城市雨洪管理弊端提出的可持续性雨水管理方法海绵城市是我国应对当前快速城镇化过程中严重的水生态环境问题而提出的一种新思路。在2014年颁布的《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建》中指出，海绵城市是城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。其目的是通过保护并重塑城市良性的水文循环来综合解决城市雨水问题。作为一种绿色生态的雨洪管理方式，构建海综城市的“海绵休”可以是河、湖、池塘等水系、城市绿地和透水性道路，但城市中的水系和绿地面积不可能无限扩大，因此城市硬化路面转化为透水性铺装成为海绵城市建设的重要技术途径。
2、透水性铺装概述
2.1透水性铺装概念
透水性铺装是指采用透水性良好的具有空隙的材料铺设路面，雨水能够进入铺装面层结构内部，通过具有储水能力的基层下渗到土基，使雨水还原于地下并净化水质（图2）。透水性铺装要求铺装面层结构有着良好的透水性能，同时基层也应有相应的透水性。当基层下的土壤透水能力有限或基层条件不允许下渗时，也可以在基层中埋设排水管或排水板将积水导出，在延缓径流峰值到达时间的同时也保证道路路基的安全。
图2 透水路面与普通路面排水方式示意图
2.2 透水性铺装的应用发展
透水性铺装在发达国家已广泛应用于雨洪削减和径流污染控制等方面。早在二战时期，英国皇家空军首次在飞机跑道上尝试使用透水性铺装以解决跑道积水问题。1970年后美国开始将透水沥青混凝土应用于停车场和便道，透水性铺装材料在美国逐渐发展起来。1990年佛罗里达州推行实施“暴雨径流还原计划”，通过透水性混凝土道路的应用以提高暴雨时地表径流的入渗量。目前在法国60%的网球场是用透水砖或透水性混凝土铺建的。德国则在20世纪60年代就开始改造硬化路面，透水性铺装得以大规模应用，目前德国80%的路面为透水路面。20世纪70年代后期，日本为应对过量抽取地下水导致的地基下沉问题，提出了“雨水的地下还原政策.，开发并开始使用沥青混合材料面层的透水性路面，以利于水资源的保护和利用。发达国家在透水性铺装的材料发展、规范制定、施工技术等方面积累了丰富的经验。
我国从20世纪90年代开始关注透水性道路的应用。2008年，宁杭高速公路全长20.9k m的路段采用透水混凝土路面，成为国内最大规模的透水路面工程。2008年北京奥林匹克公园中心区建设中非机动车道铺装透水材料达10多万m2。2010年上海世博园内的人行广场、道路也大量采用透水性铺装，通过渗透设施下渗、净化雨水。
除了实践应用外，国内外对于透水性铺装的研究主要在于对透水性铺装的结构层的透水性能，以及对透水材料本身的定性定量研究，包括材料配比、透水性能、杭压强度以及去除有害物质的能力、降温、降噪等附属功能。
2.3透水性铺装在构建海绵城市中的作用
城市硬化道路虽然整齐美观，坚久耐用并且施工便利，但是它阻碍了自然水循环过程，是不能呼吸的道路，对城市的生态环境造成严重的负面影响。透水性铺装道路与硬化道路相比，在修复和促进城市自然水文机制方面具有明显的优势，是海绵城市可持续性雨洪管理方式的有效手段。
（1）削减地表径流。透水性铺装模拟自然环境中土攘对水分的渗透和储存功能，利用其空隙结构将降雨产生的地表径流渗透到路基或土壤中，径流削减比率在30% ~80%，洪峰削减比率在7% ~70%。透水性铺装良好的透水性能和渗水能力大大降低了由于降水形成的道路积水问题，减轻了降雨季节城市道路排水和防洪压力。地表径流在流入城市排水管道前就直接渗入到土壤中，补充城市日益枯竭的地下水资源，发挥地下含水层的蓄水功能，有助于水资源的循环利用。
（2）净化地表径流。硬化路面的地表径流包含着大气悬浮物、清洁溶剂油污、车辆排放物等污染物质，属于劣V类水，其通过道路排水管道直接排入受纳水体引起公共水域的污染。据初步估计，城市雨水径流污染占水体污染负荷的比例在10%~20%。透水性铺装将雨水直接渗入垫层土壤中，基层结构和土层的天然过滤功能使径流得到净化，可降低地表污水中80%的悬浮固体总量、65%的总氮、85%的油脂、75%的重金属等污染物浓度，出水水质可达地表水III类水平。
（3）维持场地良好的生态环境。城市下垫面硬化破坏了场地中原有的生态平衡，直接影响了动植物的生存环境。透水性铺装在满足一般性道路的承载功能前提下，有利于维持场地原有的自然生态过程，减少人为改变生态系统导致的不良后果。透水性铺装拥有良好的透水性和透气性，保持土壤的湿度，有利于动植物生长所需的光、热、水及营养物质的补充与交换。透水道路的路面绿化植物和铺装下的微生物生长环境与硬化道路相比都得到有效改善，对于保持地表生态环境、维护城市的生物多样性都起到积极的作用。
（4）提高城市环境舒适度。透水性铺装的空隙结构中储存的水分能够加强地上、地下的热量及水分交换，调节城市气候。与不透水铺装相比，透水性铺装的路面可降低路面温度约30°C~50 °C，从而有效缓解城市“热岛现象”和“干热现象。路面扬尘是城市雾霾产生的主要因素，透水路面的水蒸气增加了空气的湿度，可减缓雾霾的发生。透水性铺装良好的吸音性有助于吸收车辆行驶时产生的噪声，降低城市噪音污染。此外透水路面表面积水少，可以防止因“水膜”引起的滑溜和夜间反光，雨天车辆驾驶和步行的舒适性与安全性都有所提高。
3、透水性铺装常用面层材料
目前，在市政工程建设中应用的透水性铺装面层材料主要有三种：一种是透水性路面砖，其透水性能的形成主要依靠面层材料的铺砌间隙和砖体本身空隙透水。另一种是透水性沥青混合料，其透水性能主要由面层材料本身的孔隙和具有透水性的基层和垫层形成。第三种是透水性水泥混凝土，主要是依靠骨料颗粒间可透水的较大间隙进行透水。此外园林中常见的鹅卵石、碎石、嵌草铺装等也属于渗透铺装，在此不做详细叙述。
3.1 透水性路面砖
透水性路面砖常见的有混凝土透水路面砖、自然砂透水路面砖、陶瓷透水路面砖等。透水性路面砖按照材质和生产工艺划分可分为陶瓷透水砖和非陶瓷透水砖。混凝土透水路面砖、自然砂透水路面砖属于非陶瓷透水砖，是将粒径接近的砂、石颗粒用凝结材料胶结、成形、固化而制成的有一定抗压强度的透水砖。陶瓷透水路面砖是将粒径相似的陶瓷碎粒或其他材料粉碎、压制成型后，高温烧结而成的带有通道孔隙的透水砖。在城市园林、广场应用较多的透水性路面砖品种有荷兰砖、舒布洛克砖、联锁砖、劈裂砖等。
透水性路面砖具有适应场地能力强、施工与维护方便、造价较低等优点。但也存在整体性较差、表面接缝多、平整度不好承载能力相对较低的不足。因此，透水性路面砖适用于对铺装承载能力要求不高的人行为主场地，如广场、人行道、园路等，也适用于施工作业面受限难以采用机械施工的情况。路面砖在使用过程中会出现砖块破碎、松动、隆起、错台等病害。因基层和垫层的强度不足造成的沉陷、破损，可以采用水泥砂浆、石灰土、贫混凝土加固垫层再铺砌面层。面层出现松动应及时补充填缝料，填充稳固。在北方有冰冻地区，雨雪渗入透水砖空隙后会反复冻融导致冻胀破坏，因此在寒冷地区透水砖应在相关规定要求下进行冻融循环试验后使用。
3.2 透水性沥青混合料
传统的沥青路面面层主要采用密实和嵌挤两大结构类型，结构层孔隙率一般保持在4%~6%，虽然沥青路面结构层具有良好的力学特性、稳定性和耐久性，但透水性差，遇到强降雨地表径流量急剧增加。透水性沥青混合料属于骨架—空隙结构沥青混合料，级配采用空隙率较高的开级配配合比设计，且配以高比例大粒径粗集料，严格限制细集料和矿粉填料的用量，以沥青为胶结材料配置而成。透水性沥青混合料的空隙率可达到25%，其渗透能力是一般亚黏土的60倍。
透水沥青混合料作为铺面材料整体结构性好，表面平整度较高且有较高的承载能力，主要用于公路、城市机动车道、停车场等。但透水沥青混合料因空隙率高、抗剪强度较低的特点，重载车辆在急转弯或急刹车时易将路面搓起，因此不宜用在重载交通区域以及弯道、纵坡较大的路段。透水性沥青混合料的空隙会在使用过程中吸附地表径流中的砂砾导致堵塞，逐渐减低其透水能力，可采用清扫、压力吹扫、高压冲洗等方法定期进行维护，以恢复路面透水性。
3.3 透水性水泥混凝土
透水性水泥混凝土属于大孔隙混凝土，主要由水、水泥、集料及其他增强材料组成。透水水泥混凝土集料采用骨架—空隙型级配，胶结材或加入少量细集料或增强材料的砂浆薄层包裹在骨料颗粒表面形成骨料颗粒间胶结层，包裹在粗骨料表面的胶结材浆体硬化后将骨料颗粒胶结在一起，形成多孔“拱架”结构。粗骨料一般采用单粒级或间断级配，细骨料可采用河砂、人工砂或工业废渣，胶结材以水泥为主，为降低成本和调整性能，可掺入一定比例的矿物掺合料。因透水水泥混凝土良好的透水透气性，还可在混凝土中播种草籽，形成更耐践踏的地毯式混凝土草坪。
透水性水泥混凝土具有低成本、制作简单的优点，采用机械化施工可以大规模地应用于道路铺设。但由于其孔隙率较大导致它的耐久性、强度、抗冻性不如普通混凝土。透水水泥混凝土满足轻交通路面强度要求，可用作城市非机动车道、停车场、人行道等透水道路的面层材料。透水性水泥混凝土同样在使用过程中会出现空隙堵塞问题，需定期维护以保持透水性。
以上三种材料为透水性道路铺装常见材料，因其材料特性不同，每种材料有不同的结构形式（图3，4，5），在实际应用中可根据场地特征和材料特性加以选择。
4、透水性铺装道路设计流程与步骤
海绵城市理念中对城市雨洪管理的重要指标包括径流体积控制率、污染物控制率、峰值流量控制率等，并强调城市开发建设后的水文特征接近开发前。透水性铺装作为海绵城市的技术措施之一，应以不同的控制指标为目标对透水性铺装进行设计。
透水性铺装设计主要包括水文设计和承载力设计。水文设计是指道路满足设计降雨量的要求，能有效地将路面的地表径流下渗，控制径流量。保证良好的透水性是透水性铺装的最基本要求。承载力设计则是要求路面要有足够的强度承受设计承载。透水性铺装设计以水文设计为基础，同时满足交通承载要求。透水性铺装设计步骤可分为以下步骤：（1）根据拟建透水性铺装所在地的降雨条件和交通条件，并结合土质、水文、气候等条件确定透水性铺装的设计目标。（2）以特定历时内特定重现期的总降雨量作为标准确定降雨条件，进行水文设计。在不考虑结构强度的情况下，得到满足透水、保水需要的水文设计厚度、空隙率的初步方案，进入下一阶段的验证。（3）验算假定水文设计厚度、空隙率下的径流体积控制率，若达到设计目标则进行下一步结构设计厚度计算；若未达到设计目标，则提高水文设计厚度、空隙率后再次计算直至达到目标。（4）达到透水性铺装透水要求后，根据道路承载要求进行结构设计厚度计算，对得到的结构设计厚度方案进行承载能力验算。若承载能力验算满足要求则可输出最终结构方案；若承载能力验算不符合要求，则调整结构厚度后重新验算，直至达到承载要求。透水性铺装设计流程如图6所示。
图6 透水性铺装设计流程图
5、结束语
大多数西方发达国家从19世纪开始采用城市雨水管渠收集雨水，并随之排入河道或城市污水处理系统。然而随着人类环保意识的不断增强，传统城市“末端处理”的雨洪管理方式日益显现出诸多弊端。海绵城市作为一种绿色雨洪管理模式，以“让自然做工”的方式恢复城市自然水循环过程。透水性铺装作为海绵城市的有效‘’海绵体”，具备雨洪调控、雨污净化、水源涵养等功能，因地制宜地推广应用透水性铺装，使其在海绵城市建设中发挥应有的作用，成为构建城市良性水文循环的基础。
论文作者:左轩丞
论文发表刊物:《基层建设》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/2
标签：透水性论文; 透水论文; 城市论文; 径流论文; 路面论文; 混凝土论文; 材料论文; 《基层建设》2017年第21期论文;