一种古院落地面铺装雨水渗滞能力的综合分析方法与流程

本发明属于古院落地面雨水排水分析的技术领域，具体的说，涉及一种古院落地面铺装雨水渗滞能力的综合分析方法。

背景技术：

历史文化遗产是人类文明的结晶，其中，建筑遗产作为其重要的组成部分，在世界各国受到了越来越广泛的重视。我国历史悠久，现存的古院落院落更是重要的文化瑰宝。

近年来随着气候变暖、全球经济快速发展带来的城市化发展过快，导致自然面貌发生改变，不透水区域的面积大幅增加，绿地面积不断减少，改变了城市原有的气流运动规律，使城市的水文特性发生显著变化，致使在相同降雨条件下，产汇流特性发生很大改变，雨洪量增加，峰值快速出现，一定程度上也助长了极端气候事件发生。古院落地面一般由砖土设计铺装而成，四周建有排水沟渠，其中院落地面铺装(包括砖、缝隙裸土以及未铺砖处局部裸土)由于修建年代久远，且完全暴露在空气中，因此出现了不同程度的老化、风化、磨损和砖缝过大等现象，最终导致院落地面凹凸不平，对使用产生一定影响，更对地面应对强降雨等天气带来挑战。每逢降雨对古院落地面的排水能力，特别是否会出现积水都成为政府、管理者和公众关注的热点。

近年来，海绵城市建设如火如荼，其方法之一就是布置合理的地面铺装，使地面能够截留一部分降雨量，在预防洪水内涝等灾害的同时，储存一部分雨水。因此古院落除了利用四周排水沟渠排出雨水外，是否考虑到地面铺装对雨水的渗滞能力以及能力的大小，都成为我们感兴趣的地方。通过将行业新的理念、方法和手段应用到古院落地面铺装雨水渗滞能力的综合分析上，再利用现代的科学检测手段，探索出一套适合古院落地面铺装雨水渗滞能力的综合分析方法。该方法的分析结果可为今后制定科学的修缮和维护方案提供帮助，为古院落地面的完整性提供保障，是一件兼具科技进步意义和文化价值的工作。

技术实现要素：

为了弥补古院落地面雨水渗滞能力分析研究的匮乏，本发明的目的是在于提供了一种原理简单、实用性强的古院落地面铺装雨水渗滞能力的综合分析方法。

本发明所采用的技术方案是一种古院落地面铺装雨水渗滞能力的综合分析方法。主要采用以下几个步骤：

第一步：前期实验准备

将待研究的古院落地面根据铺装方式和用途的不同划分不同的区域A₁、A₂……A_k(k取1、2……k)，选取不同区域各自部分的砖和裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)作为样品砖和实验土样，对样品砖进行渗水性和滞水性实验，对实验土样进行透水性实验；实验结果表明所有区域各自的样品砖均不具有渗水性，而具有一定的滞水能力，即雨水无法在降雨历时内，透过样品砖，但是雨水可以储存在样品砖内部，且不同区域各自的样品砖的滞水能力不同；实验土样的实验结果表明其具有透水性，即在降雨历时内，雨水能够透过实验土样进入实验土样下方，且不同区域的实验土样透水性能不同；

第二步：分区后，根据不同区域计算得到的裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)的面积占该区域总面积的比及实验测得的该区域裸土的渗透速率，然后确定各区域A₁、A₂……A_k的渗透速率；

由于各区域A₁、A₂……A_k地面铺砖不具有使得雨水透过砖体的渗透能力，裸土具有一定的透水性，即雨水可以通过砖块铺砖后形成的缝隙裸土和局部裸土向下渗透，因此古院落地面铺砖的雨水渗水能力可以由裸土面积占区域A_k总面积的比例和区域A_k裸土的渗透能力综合决定。最终，研究中采用面积加权方式，经计算来说明不同研究区域A₁、A₂……A_k的渗水能力；

(1)根据图纸，采用公式1.1分别计算各研究区域A₁、A₂……A_k的裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)的面积占该区域总面积的百分比；

式中：λ_t为某区域的裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)面积占比，S_t为该区域的裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)的面积(m²)，S为该区域的总面积(m²)。

(2)设计实验，采用公式1.2分别计算各研究区域A₁、A₂……A_k的实验土样的渗透速率；而实验土样为取得的部分裸土的试样；

式中：K_t为某区域实验土样的渗透稳定时速率(mL/s)，V_i、V_i+1为渗透稳定后第i、i+1时间内实验土样透出的水量体积(mL)，t_i、t_i+1为渗透稳定后第i、i+1的时间(s)；

进一步可由(1.2)相似的公式计算不同时刻或时间段的渗透稳定后速率，若在平均某一时段内渗透速率基本稳定不变，可以判断为渗透稳定。

(3)根据(1)、(2)的计算结果，采用公式1.3分别计算各研究区域A₁、A₂……A_k的渗透速率。

v_t＝λ_t×K_t (1.3)

式中：v_t为某区域的渗透速率(mL/s)；

第三步：分区后，根据计算得到各区域A₁、A₂……A_k地面铺砖的总面积和实验测得的单位样品砖饱和时的最大滞水量，确定各区域A₁、A₂……A_k的饱和滞水量；

古院落的地面铺砖不能使雨水渗透，但是有一定的滞水能力，在降雨时一部分雨量可被吸收进入且滞留在砖体内，而不形成径流；实地测量各不同区域A₁、A₂……A_k砖的总面积，按照实验得出的各区域A₁、A₂……A_k样品砖的饱和时最大滞水量，分别得到各区域A₁、A₂……A_k的饱和滞水量，样品砖为取该区域部分砖进行测试的样品；

(1)根据图纸，计算各区域中砖的总面积S_z(m²)；

(2)设计实验，采用公式1.4计算不同区域的单位面积样品砖饱和时的最大滞水量；

式中：Q_max为某区域的单位面积样品砖饱和时的最大滞水量(kg/m²)，q_i为第i时间内样品砖留存的水的质量(kg)，S_s为样品砖的滞水面的表面积即砖的上表面积(m²)，T为样品砖达到饱和时最大滞水量时的时间(h)；

(3)根据(1)、(2)的计算结果，采用公式1.5计算不同区域的饱和最大滞水量；

Q_z＝Q_max×S_z (1.5)

式中：Q_z为某区域的饱和最大滞水量(kg)；

第四步，综合各区域A₁、A₂……A_k的渗水速率和饱和最大滞水量，计算研究古院落地面铺装最大雨水承受量。

以上各步骤计算得到了古院落地面各区域A₁、A₂……A_k的渗水速率和饱和最大滞水量，考虑到任何古院落地面都由砖和裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)组合铺装而成，且不同区域A₁、A₂……A_k的裸土渗水速率和砖饱和最大滞水量不同。因此，研究古院落地面铺装的最大雨水承受量需要同时考虑渗水速率和饱和最大滞水量这两个影响因素。

(1)采用公式1.6加权计算研究的古院落地面总裸土的综合渗水速率。

式中：v′_t为古院落地面总裸土的综合渗水速率(mL/s)，v_tj为古院落区域A_j的渗水速率(mL/s)，λ_tj为古院落区域Aj的裸土面积占区域Aj的总面积的百分比；

(2)采用公式1.7计算古院落地面总裸土的饱和渗水量；

Q_t＝3600×v_t′×T×ρ (1.7)

式中：Q_t为古院落地面总裸土的饱和渗水量(kg)，T为降雨历时(h)，一般取2，ρ为雨水密度，取1000kg/m³。

(3)采用公式1.8计算古院落总地面砖的饱和滞水量；

式中：Q_z′为古院落总地面砖的饱和滞水量(kg)，Q_zj为古院落区域A_j的饱和最大滞水量(kg)。

(4)采用公式1.9计算古院落地面铺装最大雨水承受量。

Q＝Q_z′+Q_t (1.9)

式中：Q为古院落地面铺装最大雨水承受量(kg)。

根据上述古院落地面铺装渗滞雨水能力的综合分析方法，将古院落地面按照不同铺装形式进行分类，依次计算各区域A₁、A₂……A_k的渗水速率和饱和最大滞水量，之后加权得到古院落地面整体的渗水速率和饱和最大滞水量，最后得到古院落地面铺装最大雨水承受量，作为古院落地面铺装渗滞雨水的评判标准。本发明能够合理的计算古院落地面实际的雨水渗滞能力，能够有效提高我国古院落地面铺装雨水渗滞能力计算的效率，为准确预估古院落在雨水多发期的防洪泄洪能力提供了保证，保护了古院落地面及地面上建筑的结构稳定性和历史文物的完整性，为今后古院落地面铺装方式的选择和管理提供了重要意见。

与现有技术相比，本发明的有益效果：(1)鉴于古院落地面铺装的工艺特殊性，在对古院落地面铺装渗滞雨水能力进行分析之前，分别对古院落地面的砖和裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)的渗水性、滞水性进行了实验，最终确定对裸土的渗水性和砖的滞水性进行研究。(2)综合考虑了砖的滞水性和裸土的渗水性，并针对裸土渗水性和砖滞水性的不同，采取了不同的计算方式，避免了常规分析只考虑单一因素的不完整性。(3)将古院落按照铺装方式和渗滞水能力的不同进行分区，采用加权的方式，得到古院落地面中裸土的渗水速率。

具体实施方式

现实施例对本发明所提出一种古院落地面铺装的渗滞雨水的综合分析方法作进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

本发明的一种古院落地面铺装的雨水渗滞能力的综合分析方法主要为古院落地面铺装的最大雨水承受量。

以北京市某古院落区域为例

古院落地面铺装的最大雨水承受量分析主要由以下几步完成：①在古院落地面研究区域内，根据实际铺装方式和铺装地点的不同，如广场和人行道，将古院落地面分为4个区域A₁、A₂、A₃、A₄②选取不同区域各自的砖和裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)作为样品砖和实验土样，对样品砖进行渗水性和滞水性实验，对实验土样进行透水性实验。③实验结果表明实验土样具有渗水性而样品砖具有滞水性，因此古院落地面铺装的雨水渗滞水速率分析采用裸土的渗水性和砖的滞水性进行分析研究。

本发明所采用的技术方案是一种古院落地面铺装渗滞水能力的综合分析方法。主要采用以下几个步骤：

第一步：前期实验准备。将待研究的古院落地面根据铺装方式和用途的不同划分为4个区域A₁、A₂、A₃、A₄，选取不同区域各自的砖和裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)作为样品砖和实验土样，对样品砖进行渗水性和滞水性实验，对实验土样进行透水性实验。实验结果表明所有区域各自的样品砖均不具有渗水性，而具有一定的滞水能力，即雨水无法在降雨历时内，透过样品砖，但是雨水可以储存在样品砖内部，且不同区域各自的样品砖的滞水能力不同；实验土样的实验结果表明其具有透水性，即在降雨历时内，雨水能够透过实验土样进入实验土样下方，且不同区域的实验土样透水性能不同。

第二步：分区后，分别计算区域A₁、A₂、A₃、A₄各自的裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)的面积占各自A₁、A₂、A₃、A₄区域总面积的比及实验测得的A₁、A₂、A₃、A₄各区域裸土的渗透速率，确定各区域A₁、A₂、A₃、A₄的渗透速率。

由于各区域A₁、A₂、A₃、A₄地面铺砖不具有使得雨水透过砖体的渗透能力，而实验土样具有一定的透水性，即雨水可以通过砖块铺砖后形成的缝隙裸土和局部裸土向下渗透。因此古院落地面铺砖的雨水渗水能力可以由各区域的裸土面积占各区域面积的比例和各区域裸土的渗透能力综合决定。最终，研究中采用面积加权方式，经计算来说明不同研究区域A₁、A₂、A₃、A₄的渗水能力。

(1)根据图纸，采用公式1.10分别计算各研究区域A₁、A₂、A₃、A₄的裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)的面积占该区域总面积的百分比。

式中：λ_t为各研究区域A₁、A₂、A₃、A₄的裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)面积占比，S_t为各研究区域A₁、A₂、A₃、A₄的裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)的面积(m²)，S为各研究区域A₁、A₂、A₃、A₄的总面积(m²)。

(2)设计实验，采用公式1.2分别计算各研究区域A₁、A₂……A_k的实验土样的渗透速率；而实验土样为取得的部分裸土的试样；

式中：K_t为某区域实验土样的渗透稳定时速率(mL/s)，V_i、V_i+1为渗透稳定后第i、i+1时间内实验土样透出的水量体积(mL)，t_i、t_i+1为渗透稳定后第i、i+1的时间(s)；

(3)根据(1)、(2)的计算结果，采用公式1.12分别计算A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的渗透速率。

v_t＝λ_t×K_t (1.12)

式中：v_t为A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的渗透速率(mL/s)。

表1 A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的渗透速率

第三步：根据计算得到A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域地面铺砖的总面积和实验测得的单位样品砖饱和时的最大滞水量，确定A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的饱和滞水量。

古院落的地面铺砖不能使雨水渗透，但是有一定的滞水能力，在降雨时一部分雨量可被吸收进入且滞留在砖体内，而不形成径流。实地A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的总面积(不包括该区域内裸土的面积)，按照实验得出的A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域样品砖的饱和时最大滞水量，分别得到A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的饱和滞水量。

(1)根据图纸，分别计算A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域各自砖的总面积S_z(m²)。

(2)设计实验，采用公式1.13分别计算A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的单位样品砖饱和时的最大滞水量。

式中：Q_max为A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的单位面积样品砖饱和时的最大滞水量(kg/m²)，q_i为第i+1时间内样品砖留存的水的质量(kg)，S_s为样品砖的滞水面的表面积(m²)，T为样品砖达到饱和时最大滞水量时的时间(h)。

(3)根据(1)、(2)的计算结果，采用公式1.14分别计算A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的饱和最大滞水量。

Q_z＝Q_max×S_z (1.14)

式中：Q_z为A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的饱和最大滞水量。

表2 A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的饱和最大滞水量

第四步，综合A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的渗水速率和饱和最大滞水量，计算研究古院落地面铺装最大雨水承受量。

以上各步骤计算得到了古院落地面A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的渗水速率和饱和最大滞水量，考虑到任何古院落地面都由砖和裸土(包括缝隙裸土和局部裸土)组合铺装而成，且A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的裸土渗水速率和砖饱和最大滞水量不同。因此，研究古院落地面铺装的最大雨水承受量需要同时考虑渗水速率和饱和最大滞水量这两个影响因素。

(1)采用公式1.15加权计算研究的古院落地面裸土的综合渗水速率。

式中：v′_t为古院落地面裸土的综合渗水速率(mL/s)，v_tj为古院落A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的渗水速率(mL/s)，λ_tj为古院落A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的裸土面积占区域Aj的总面积的百分比。

(2)采用公式1.16计算古院落地面裸土的饱和渗水量。

Q_t＝3600×v_t′×T×ρ (1.16)

式中：Q_t为古院落地面土壤的饱和渗水量(kg)，T为降雨历时(h)，一般取2，ρ为雨水密度，取1000kg/m³。

(3)采用公式1.17计算古院落地面砖的饱和滞水量。

式中：Q_z′为古院落地面土壤的饱和滞水量(kg)，Q_zj为古院落区域A_j的饱和最大滞水量(kg)。

(4)采用公式1.18计算古院落地面铺装最大雨水承受量。

Q＝Q_z′+Q_t (1.18)

式中：Q为古院落地面铺装最大雨水承受量(kg)。

表3古院落地面铺装最大雨水承受量计算

根据上述古院落地面铺装渗滞雨水能力的综合分析方法，将古院落地面按照不同铺装形式进行分类，依次计算A₁、A₂、A₃、A₄四个不同区域的渗水速率和饱和最大滞水量，之后加权得到古院落地面整体的渗水速率和饱和最大滞水量，最后得到古院落地面铺装最大雨水承受量，作为古院落地面铺装渗滞雨水的评判标准。本发明能够合理的计算古院落地面实际的雨水渗滞能力，能够有效提高我国古院落地面铺装雨水渗滞能力计算的效率，为准确预估古院落在雨水多发期的防洪泄洪能力提供了保证，保护了古院落地面及地面上建筑的结构稳定性和历史文物的完整性，为今后古院落地面铺装方式的选择和管理提供了重要意见。