0 引言

随着我国道路交通量的飞速发展，部分干道的拥堵现象日趋严重，原有道路已无法满足交通的需求，干线公路的改建扩容成为迫切的需求，提高路网的运输能力势在必行。基于此种情况，高标准的新建或改扩建道路工程越来越多，如：新建的深圳—南宁高速，改扩建的广韶高速、珠三角环线高速等，均采用了双向八车道或双向十车道的超宽横断面设计。这些道路由于其超大的横断面宽度，使得路面排水路径显著增长，给道路排水带来了极大的困难，排水能力不足所产生的路面径流会形成一道影响行车安全的水膜，同时路面材料与雨水长时间接触会导致路面的耐久性下降，进而影响路面的使用寿命。因此，雨水与路面排水层之间的时空迁移规律研究是路面排水能力评价与行车安全评估的前提。

国内外评价排水沥青路面排水性能的试验，包括《排水沥青路面设计与施工技术规范》(JTG/T 3350-03—2020)都基于实验室制备或者路面取芯得到的标准试件在平面上进行横、竖向渗透试验^[1]，其渗透系数结果只与混合料自身的空隙率相关。虽然各国的渗水试验装置有所不同，但都是通过测试下降固定水位高度所需要的时间，运用达西定律来计算试件的渗透系数，有些试验只是考虑了不同温度下水的黏度变化，对渗透系数进行修正，本质并无明显变化^[3-5]。试验过程中由于水头压力的不同，对空隙中液体的渗流速度所产生的影响也不同；试验水流的输入面、输出面也与实际不符。而实际路面上，影响其渗水能力的不仅只有空隙率，路面的坡度、厚度、宽度和降雨强度等也会对路面的渗流产生很大的影响^[6-8]。

基于以上问题，综合考虑路面渗水影响因素，各国的专家学者通过设计新的试验装置和方法对路面排水性能进行研究^{[3, 9-12]}。其中汪敏等^[10]研发的极限排水强度测试仪，入渗面和输出面与实际情况基本一致，综合考虑了竖向和横向渗透性能，并测试出了路面的极限排水强度。但由于试验的尺度较小，仅为一个标准车辙试件的宽度，试验观测时易出现较大误差，且只能得到单一的排水性能指标，即极限排水强度。实际排水路面的排水行为大多数是一种超渗流行为，包括路面的径流过程和面层内的渗流过程^[13]。因此有必要研发一种更贴合实际且更全面的排水路面检测装置，真实地体现路面的排水能力，以便更好地预测大尺度路面在降雨情况下可能会出现的径流情况，为减弱大尺度路面路表水膜厚度的策略研究提供试验支持。

1 原材料与配合比设计 1.1 集料与沥青

试验研究选用的粗、细集料均为辉绿岩，矿粉为石灰岩矿粉，沥青为超高黏改性沥青，原材料的性能指标均符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的技术要求。

1.2 配合比设计

目前公称最大粒径为13.2 mm的排水沥青混合料(PAC-13)在排水沥青路面中应用广泛，本研究通过室内成型两种级配的PAC-13车辙板试件，目标空隙率分别为20%和22%。根据《排水沥青路面设计与施工技术规范》(JTG/T 3350-03—2020) 确定集料初始级配与沥青用量^[1-2]，制备马歇尔标准试件，根据析漏与飞散试验确定最佳油石比，同时以马歇尔稳定度试验指标评价试件性能，并通过对重要筛孔通过率(2.36 mm)的反复调节来达到试验要求，最终确定目标空隙率下的合成级配。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20— 2011)中沥青混合料试件制作方法(轮碾法)成型PAC-13车辙板试件^[14]，采用体积法测定试件的实测空隙率，级配、沥青用量和实测空隙率见表 1。

2 降雨排水装置研发 2.1 装置组成及功能

传统的渗水试验无法模拟真实降雨情况下的路面排水情况，所得渗水系数只是一个客观的能力参考值，对路面所能承受的最大降雨强度没有直接关系，理论与实际的偏差随着车道的增加愈发明显，真实路面排水能力受到坡度、排水路径长度和空隙率等诸多因素的共同影响^[15]。基于此，本研究设计了一种新的试验装置和试验方法来观测路面在不同降雨情况下的真实渗流情况。该装置可定量分析不同因素对排水能力的影响，这对描述沥青混合料排水路面的真实渗流行为至关重要，试验装置见图 1。

图 1中的电磁流量计、电磁流量计入水口、电磁流量计出水口、水泵和水箱共同组成了外置的循环装置。水箱上端开口，下侧与水泵相连，水泵通过pvc管道将水运输到电磁流量计入水口，电磁流量计出水口与分流器相连。分流器固定安装在主支架的右上角，分流器的一侧开设有分流器出口，分流器出口通过pvc管道将水流分成12股分别运输至12个转子流量计。

转子流量计集中设置在主支架正中间的悬挂板上，每个转子流量计上设有流量计出水口，流量计出水口通过pvc管道与降雨板入水口连接。降雨板安装在降雨架上，降雨架滑动连接在主支架上的滑轨，每个降雨板上均开设有降雨板入水口。降雨架的底部设置有承载板，承载板与主支架上的滑轨活动连接在一起，通过调节降雨架和承载板两侧的调高螺旋杆，可以调整降雨架和承载板的位置。水流通过转子流量计进入降雨板中，然后从降雨板上的喷头均匀降水至承载板上。

承载板上安装有透明挡板，室内成型的车辙板试件可以放置在承载板上，透明挡板在夹持住试件的同时，能观测试验过程中试件上的水位变化。承载板的末端设有回流漏斗，漏斗与循环装置内的水箱连接，形成一个完整的循环系统。

2.2 装置试验方法与步骤

(1) 对试件的渗水性能进行检测，将同种级配混合料试件进行横、竖向透水试验，对透水系数偏差较大的试件进行剔除，重新制作。随后将试件随机摆放在承载台上，观察路表是否平坦以及试件之间是否能紧密贴合，尽量减少试件之间的缝隙。确定摆放顺序与方向后，对试件进行编号，后续试验均采用此种顺序，以减少试验误差。

(2) 设置综合坡度i，其中 ，i_h为道路断面的横坡度，i_z为道路断面的纵坡度，调节试验台两侧螺旋；根据试验雨量大小及降落时的初速度，调节降雨板与试件之间的高度，并保持降雨板水平以确保能够均匀降雨。根据试验长度放置试件数量，试件成型时的轮碾方向与试验台的纵坡方向一致；降雨板的数量与试件数量一一对应，并位于试件的正上方。将试件与纵坡方向一致的两侧与透明挡板紧密贴合，并做好防水措施，确保降水沿合成坡度方向流出，如试验中出现侧向漏水情况则需要重新进行试验。

(3) 根据试验地区的降雨数据特征确定模拟的降雨强度与雨型，调节雨量控制系统的雨量为Q₁，各降雨板的雨量为Q₁/n，n为降雨板个数；应等待电磁流量计的示数达到平衡后才能进行后续试验。

(4) 超渗流水位的记录与处理：试验开始前测量试件左右两侧的初始高度h_{0l(1, 2, 3, …，m)}和h_{0r(1, 2, 3, …，m)}，m为水位数据的个数。每隔15 cm测量一个数据，观测数据精确到1 mm。试验开始后，在某个降雨强度的作用下，待试件内部水位平稳后，根据透明挡板上的刻度测量试件内部的左右两侧水位高度h_{l(1, 2, 3，…，m)}和h_{r(1, 2, 3，…，m)}。由于纵坡的影响，左右两侧水位会有所不同，每隔15 cm测量一个，其测量位置与初始高度测量位置保持一致。

(5) 径流时间参数的记录与处理：若在某一降雨强度下，试件表面不出现路面径流，则说明此种试件在这种工况下能够承受此强度的降雨；若出现路面径流，则记录试件从干燥到出现径流的时间t₁，和径流消失的时间t₂，则径流时间为Δt=t₁-t₂。径流持续的时间长短也能反映路面排水能力的强弱，即Δt越短，混合料的排水能力越强。

(6) 极限降雨强度的记录：当试件出现路面径流时，记录该时刻转子流量计的降雨强度，即排水路面的极限降雨强度。

3 降雨参数的确定 3.1 雨型的选取及地区特征参数的确定

目前国内外设计雨型的方法主要是芝加哥雨型法，以典型的单峰雨型为主^[16]，该雨型计算方法较好地模拟了降雨过程中降雨强度逐渐增大至峰值，随后逐渐减小至停雨的过程，其雨型特征与广州地区的降雨特征契合度较高，使用该雨型可满足试验需求。

针对广州地区常出现的雨型进行分析研究，由广州气象局和广州市水务局发布的历年降雨数据资料，依据《广州市中心城区暴雨公式及计算图表》和《广州市暴雨公式编制与设计暴雨雨型研究技术报告》，采用对应的暴雨强度公式计算如式(1)所示：

(1)

式中, i为设计暴雨强度；A₁为雨力参数，即假设重现期为a时1 min设计的降雨量；P为重现期；t为降雨历时；C为雨力变动参数，广州地区取0.438; n为降雨历时修正参数；b为暴雨衰减系数。

单一重现期的非线性暴雨强度公式是计算暴雨路面径流和设计流量的重要依据^[17-18]，故本试验采用单一重现期暴雨强度公式，分别设定重现期为0.5，1，2，10，50，100 a，同时根据广州地区的气候特点、广州国家气象站近40 a的降雨资料和试验设备的可操作性对不同重现期下的暴雨强度公式参数进行选取修正，最终采用的参数见表 2。

则总降雨历时t_d的暴雨总降雨量为式(2)：

(2)

式中, H为暴雨总降雨量；i为历时t_d的平均暴雨强度；a为常数。其中：

(3)

则t时刻的瞬时降雨强度为：

(4)

为了贴近实际情况，引入雨峰比例系数r来修正雨峰的位置。

假设雨峰位置处时间为t_p，则如式(5)和式(6)所示:

(5)

(6)

式中，i₁为峰前瞬时降雨强度；i₂为峰后瞬时降雨强度。

为求步长时间段内的平均雨强，对式(5)和式(6)进行积分，则有累计雨量表达式(7)和式(8)：

(7)

(8)

式中，H₁为峰前累计降雨量；H₂为峰后累计降雨量。

由以上公式可得到雨量合成曲线，即在特定雨型下，可通过计算得知任一时刻下的降雨强度与累计降雨量。

3.2 降雨历时与雨峰到达时间的确定

由于天文气象资料中的降雨数据一般是通过测量固定时间点的降雨量进行记录的，一般以1 h为一个时间节点，一个完整雨量曲线的时间跨度往往是以天来计算的，但是在短时间内的强降雨才是造成路面径流的主要原因，故天文气象中的降雨数据无法精确地反映实际降雨情况^[19]。因此，应该减小时间尺度的选取，提高真实降雨的模拟精度，从而获得接近真实降雨情况下路面的超渗流行为试验数据。

根据已有的研究表明^[20]，由降雨峰值的增大而产生的径流量与径流峰值会以指数形式增长，降雨峰值的大小直接影响着路面径流的大小与持续时间。在降雨时间和降雨总量都相同的情况下，前峰型降雨比后峰型降雨所产生的径流量大1/4，故本研究对前峰雨型进行重点研究。

根据以上论述，本研究采用降雨峰值比例r为0.4，降雨历时为30 min(精度为1 min)的芝加哥单峰雨型作为试验雨型，以重现期分别为0.5，1，2，10，50，100 a的降雨作为试验条件，以重现期100 a为例，广州地区的芝加哥单峰雨型见图 2。

3.3 雨型简化

由于试验装置的局限性，数据的观测以及雨量大小的调整都需要人工进行，人工调节至相应的降雨强度且达到稳定状态需要一定的时间，无法做到每分钟调整雨量的大小，实际操作需要大约5 min才能将装置调节稳定在一个降雨强度，因此需要将雨型简化调整，调整后的试验降雨强度如图 3所示，以重现期0.5 a为例。

基于降雨总量和降雨时间相同的原则，每隔5 min作为一个阶段，即每组试验将分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ共6个阶段，通过这种处理方式，不同重现期的暴雨在各个阶段的试验降雨强度见表 3。

4 结果与讨论

本研究将10块目标空隙率为20%和22%、尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的PAC-13车辙板试件分别组合成宽度为3 m的排水路面作为研究对象, 设置合成坡度为2.5%, 分别进行不同重现期的降雨试验。路表为雨水入渗面，接近排水口试件的右侧面为雨水排出面。

4.1 极限排水强度

通过记录各重现期下路面径流出现时转子流量计的数据，可以得到各重现期下20%空隙率试验组在降雨强度为1.6 mm/min左右时出现路面径流，而22%空隙率试验组在降雨强度为2.0 mm/min左右时出现路面径流。这说明了在2.5%的合成坡度下，20%空隙率试验组的极限排水强度为1.6 mm/min，22%空隙率试验组的极限排水强度为2.0 mm/min，明显看出空隙率越大，极限排水强度越大。

4.2 超渗流水位曲线

在实际道路上，横坡方向即是横穿路面的方向，而纵坡方向即是车辆正常行驶的方向，横坡方向上的路面长度即为路宽，而纵坡方向上的路面长度则随着行驶方向而延伸。本研究中试验模拟的排水路面相当于是一片横坡方向为10块车辙板长度(3 000 mm)，而纵坡方向仅为一块车辙板长度(300 mm)的有限区域，由于纵坡方向的尺寸很小，因此在本研究中沿着纵坡方向的水位差异几乎为0，试验现象表现为装置两侧的透明挡板上的水位高度基本一致，即h_{l(1, 2, 3, …, m)}和h_{r(1, 2, 3, …, m)}的试验结果基本相同，故以h_{l(1, 2, 3, …, m)}的试验数据为分析对象，将同一降雨阶段的各数据点连成一条曲线，6条曲线分别代表Ⅰ~Ⅵ共6个降雨阶段，数据点之间间隔0.15 m。两组空隙率(20%，22%)试验组在6种重现期条件下的试验结果如图 4、图 5所示。

图中纵坐标是单位为mm的水位高度，是相对于试件表面的高度，试件的水位高度＞0表示路面出现径流，试件的水位高度＜0表示仅为内部渗流；横坐标是距离道路中线的距离，单位为m，横坐标为0 m处是排水路面的道路中线侧，横坐标的正向则表示排水路面的排水方向。

由于设备的局限性和人工操作所带来的误差，不可避免地使得在同一重现期的同一降雨阶段下，降雨强度的具体数值产生少许偏差，但仍符合简化后的芝加哥雨型。

由图 4~5可知，两组空隙率试件在6种重现期的降雨情况下，均是在第Ⅲ阶段产生最长的路面径流，除了图 4(l)的最大路面径流是全域径流，其余的最大径流出现的位置均在距离道路中心线的0.75~1.5 m之间。

由图 4~5可知，当重现期为0.5，1 a和2 a时，只有峰值降雨强度下才会出现较薄的局部路面径流，其余降雨阶段都会通过内部渗流排走；当重现期较为10 a和50 a时，在峰值降雨强度及其附近的雨强便会产生局部的路面径流，而其余的降雨阶段仍能完全被排水路面通过内部渗流排走；当重现期为100 a时，只有一开始的降雨阶段能通过内部渗流排走，而随后的降雨过程都有相当大一部分雨水需要通过路面径流排走。

为了定量对比各条件下路面径流的大小，引入径流量这一概率。由每一降雨阶段水位的水位高度进行计算，可以得到每一降雨阶段下某一时刻的路面积水体积，也就是该时刻的径流量。两种空隙率试验组在6种重现期下6个降雨阶段的径流量统计结果，如图 6所示。

由图 6的统计数据可知，随着空隙率的变化，径流量也随之发生变化。在任一重现期的暴雨强度下，空隙率为22%的试验组出现地表径流量均明显小于空隙率为20%的试验组。其中差距最显著的是重现期为50 a的径流量，数据见表 4，22%空隙率试验组的最大径流量比20%空隙率试验组的最大径流量减少约18.9%，提升空隙率可以在一定程度上减少径流量的大小。

由以上试验结果可知，虽然在2.5%坡度下，降入试验路面的大部分雨水都能够在重力作用下通过排水路面内部较快地排出，表现出较好的排水能力，但仍然会产生不同程度的路面径流，甚至是全路面浸水。这种情况在实际的双向八车道、双向十车道路面上会进一步加重，对行车安全造成极大的影响，因此有必要全面分析各降雨阶段超渗流水位的时间和空间分布，为实际超宽断面的路面排水能力提供更全面的评价指标。

4.3 超渗流水位曲线的空间分布规律

分析水位曲线的走向可知，排水沥青混合料试件内部的雨水在沿道路合成坡度的方向上并不完全按照水力梯度方向分布，存在一些上下的波动，这种波动在空隙率较小的试件上体现得更为明显，空隙率为20%的试件水位曲线走向大致呈现为钩形，而空隙率为22%的试件则相对平缓。造成这种现象的原因可能是因为空隙率小的试件内部连通空隙率更低，半连通空隙更多，内部渗流不通畅，遇到连通空隙少的区域水位急剧上升，随后又在连通空隙多的区域下降，最后因为水流的堆积再次上升，造成水位曲线的波动。空隙率较大的试件则相反，渗流过程较为平缓。因此，各降雨阶段的超渗流水位曲线越平缓，其内部渗流越流畅，排水能力越好。

分析同一张图中各降雨强度下水位曲线的疏密程度可知，在同一空隙率下，随着重现期的增大，各阶段的水位曲线逐渐靠拢，这种现象在空隙率较大的22%空隙率试件上体现更为明显。造成这种现象的原因可能是随着雨量的增加，更多的雨水需要排走，原本在较小重现期时没有被利用的内部空隙也被利用起来，特别是靠近道路中线的区域，这便使得雨量相对较小的Ⅰ，Ⅱ，Ⅴ和Ⅵ阶段的水位随着重现期的增大而急剧上升，水位曲线逐渐集中在较高处，呈现出水位曲线随着重现期增大而集中靠拢的现象。

对于空隙率较小的试件而言，其水位曲线没有明显随着重现期增大而集中靠拢的趋势，可能是由于其本身内部的连通空隙较少，导致所能被渗流利用的空隙较少，在较小重现期的降雨强度下便已经被利用，使得随着重现期的增大而增加的降雨量并不能通过增强内部渗流行为而排出，只能通过更厚的路面径流排出。因此，各降雨阶段的超渗流水位曲线越集中，其排水能力越接近极限。

4.4 径流时间参数

在试验过程中记录路面径流出现和消失的时间，两组空隙率试验组在不同降雨强度下的时间参数如表 5所示，径流持续时间的统计结果如图 7所示。

分析表 5可知，22%空隙率试验组比20%空隙率试验组出现径流的时间更晚，同时径流消退的时间更早，导致径流的持续时间更短。而这种差距随着重现期的增加而增大，在重现期为0.5 a时，两者径流持续时间仅相差25%，为1 min；当重现期达到100 a时，两者相差88.8%，为12 min。同时由图 6可知，伴随着重现期的增大，空隙率大的径流量持续时间增长得比较缓慢，平均增长率为28.5%；相反空隙率小的径流量持续时间的增长速度则比较快，平均增长率为39.5%。由此看来，空隙率提高2%，径流量持续时间可减少25%~88.8%，同时径流量持续时间随着重现期的增大而增加的速率能降低约27.8%。

结合超渗流水位曲线图，两组空隙率试验组在所有重现期所产生的路面径流的高度都相差不大，但径流时间参数的差异却很大，这说明了较大空隙率对路面径流水膜厚度的影响有限，但对路面径流的持续时间有着良好的限制作用，同时也反映出空隙率大的试件径流总量会更少，这种差距也会随着重现期的增加而增大。

5 结论

本研究从宏观的角度研究了排水沥青混合料在降雨过程中的超渗流行为时空分布规律；通过结合当地气候的降雨资料与试验操作的可行性，确定试验的降雨雨型；利用自行设计的降雨排水装置和评价方法，在2.5%的合成坡度和3 m宽的排水路径前提下，对目标空隙率为20%和22%、公称粒径为13.2 mm的排水沥青混合料(PAC-13)进行重现期分别为0.5，1，2，10，50，100 a的室内降雨试验。主要结论如下：

(1) 自主研发的降雨排水装置，可用于极限排水强度、超渗流水位曲线和径流时间参数的测量，得到排水沥青路面超渗流行为的时空分布规律，直观真实地表征路面的排水能力。

(2) 20%空隙率试验组的极限排水强度为1.6 mm/min，22%空隙率试验组的极限排水强度为2.0 mm/min，两组空隙率试验组在6种重现期的降雨强度下，均在第Ⅲ阶段产生最长的路面径流，最大径流出现的位置一般在距离道路中心线的0.75~1.5 m之间。

(3) 重现期为50 a的降雨强度下，22%空隙率试验组的最大径流量比20%空隙率试验组的最大径流量减少约18.9%，提升空隙率可以在一定程度上减少径流量的大小。

(4) 超渗流水位曲线越平缓，其内部渗流越流畅，排水能力越好；超渗流水位曲线越集中，其排水能力越接近极限。

(5) 增加空隙率对路面径流的水膜厚度影响有限，但对路面径流的持续时间有着良好的削减作用，重现期越大这种削减作用越强，在重现期为0.5 a时，两组空隙率试验组径流持续时间仅相差25%，而当重现期达到100 a时，两者相差88.8%。

(6) 提升2%的空隙率能使径流量持续时间随着重现期的增大而增加的速率降低约27.8%。