徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置及方法,包括一個(gè)水槽，在水槽的底部設(shè)有一個(gè)能調(diào)節(jié)透水路面模型坡度的支撐，在水槽內(nèi)設(shè)有一個(gè)透水路面模型，在透水路面模型的頭部和尾部設(shè)有用于減少水流狀態(tài)變化而引起渦旋和氣泡的裝置，裝置由吸管陣列而成；在水槽的頭部設(shè)有一個(gè)恒定水頭的水箱I，在尾部設(shè)有一個(gè)水箱II，在水箱II內(nèi)設(shè)有一個(gè)顆粒收集裝置，顆粒收集裝置放置在電子天平上，在所述的透水路面的上游放置一個(gè)顆粒添加裝置。通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法分析入流流量、入滲流量、坡度和泥沙粒徑等參數(shù)對顆粒輸運(yùn)和孔隙堵塞的影響。本研究結(jié)果為優(yōu)化透水路面設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
【專利說明】徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置及方法的確定，屬于土木工程領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]透水路面也稱為多孔路面，包括透水混凝土路面和OGFC(開級配抗滑磨耗層)浙青路面等，在粗集料骨架內(nèi)部有大量的貫通性孔隙使得路面具有良好的透水性能，能夠快速讓大量的雨水滲入地下，從而有效減小或消除城市暴雨洪澇災(zāi)害。然而，由于降雨產(chǎn)生的地表徑流中含有的大量懸浮顆粒(如泥砂、碎屑等)，這些礦物或有機(jī)細(xì)顆粒會隨水流不斷進(jìn)入透水路面孔隙，造成孔隙堵塞，透水混凝土滲透性能不斷降低，導(dǎo)致透水路面難以發(fā)揮排水功能，最終演變成非透水路面，使用壽命縮短，增大了城市洪澇和凍融災(zāi)害發(fā)生的可能性。然而目前雨洪徑流作用下顆粒輸運(yùn)并導(dǎo)致顆粒堵塞于透水路面孔隙的相關(guān)研究較少，因此有必要對這種復(fù)雜的固液兩相流動現(xiàn)象進(jìn)行更深入的研究。鑒于此，本發(fā)明試圖揭示泥沙顆粒在雨洪徑流的作用下堵塞于透水路面孔隙的機(jī)理，為透水路面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明公開了一種徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬方法。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0005]一種徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置，包括一個(gè)水槽，在所述的水槽的底部設(shè)有一個(gè)能調(diào)節(jié)透水路面模型坡度的支撐，在所述的水槽內(nèi)設(shè)有一個(gè)透水路面模型，在透水路面模型的頭部和尾部設(shè)有延伸至水槽頭部和尾部的支撐板，在支撐板的底部設(shè)有排水管，且位于水槽入口位置的支撐板上設(shè)有用于減少水流狀態(tài)變化而引起渦旋和氣泡的裝置，所述的裝置由吸管陣列而成；在水槽的頭部設(shè)有一個(gè)與其內(nèi)部連通的恒定水頭的水箱I，在水槽的尾部設(shè)有一個(gè)與其內(nèi)部連通的水箱II;在水箱II內(nèi)設(shè)有一個(gè)顆粒收集裝置，在所述的透水路面的上游放置一個(gè)顆粒添加裝置。水流Q隨后流經(jīng)設(shè)置在水槽中間部位近似模擬透水路面的結(jié)構(gòu)，一部分水流Q1經(jīng)透水路面滲透進(jìn)入下部的排水管，而其余水流Q2沿路面直接流入水箱。水箱里的水通過水泵在試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動。在透水路面的上游放置一個(gè)顆粒添加裝置，添加顆粒ms進(jìn)入水流中。在水槽末端放置一個(gè)顆粒收集裝置，可以通過重力沉降把顆粒分離出來。
[0006]所述的徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置，還包括一個(gè)電子天平，電子天平在調(diào)整入流流量和滲入流量，安裝在水箱II的底部，用于稱量水箱II的質(zhì)量，在待水流穩(wěn)定后，放置在顆粒收集裝置的底部，用于稱量顆粒收集裝置的質(zhì)量。
[0007]所述水槽的頭部與恒定水頭的水箱I之間連通的管路上設(shè)有調(diào)節(jié)閥。
[0008]所述的透水路面模型，包括由磁性不銹鋼球按立方體緊密堆積排列組成的透水路面，在所述的透水路面下是由化學(xué)纖維組成的透水層，透水層的下面是帶孔的支撐板。
[0009]在所述的透水路面模型底部由支柱支撐，并在透水路面模型的下游端設(shè)置一根排水管將透水路面滲入的水流排出水槽。
[0010]所述的透水路面模型尺寸為20ImmX 30mmX 9mm ;由2010個(gè)直徑為3mm的磁性不銹鋼球按立方體緊密堆積排列組成，其孔隙率47.64%。
[0011]在透水路面模型的前、后兩端的支撐板上鋪有一層磁性小球，使上下游水槽和透水路面處于同一高度。
[0012]所述的顆粒添加裝置，包括一個(gè)漏斗，在所述的漏斗內(nèi)側(cè)設(shè)有海綿，在漏斗的末端活動連接一個(gè)只允許一個(gè)顆粒通過的過濾管。過濾管的管徑可調(diào)，通過改變漏斗下部管徑以適應(yīng)不同的顆粒粒徑。
[0013]所述的過濾管的末端距離水槽的底部約有5mm。
[0014]所述的水槽為200cm(長)X3cm(寬)X8.5cm(高)的有機(jī)玻璃水槽。兩個(gè)方向都有很好視角。
[0015]所述的吸管直徑為5mm，長10cm。
[0016]所述的水箱1、II里的水通過水泵在試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動。
[0017]徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置的試驗(yàn)方法如下:
[0018]步驟1.用電動機(jī)調(diào)整透水路面模擬裝置的坡度。
[0019]步驟2.打開水泵并將循環(huán)水注入恒定水頭箱，利用調(diào)節(jié)閥和電子天平調(diào)整入流流量和滲入流量。
[0020]步驟3.待水流穩(wěn)定后，在透水路面的上游用顆粒添加裝置以lg/s的速度添加顆粒50g，在水槽末端用電子天平稱量顆粒收集裝置的質(zhì)量，直到質(zhì)量不再增加為止。
[0021]步驟4.顆粒收集裝置的重量穩(wěn)定后，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥和水泵；將透水路面模擬裝置取出并清洗、收集其內(nèi)部的顆粒，烘干顆粒后稱重，根據(jù)顆粒的質(zhì)量，分析透水路面堵塞結(jié)果，質(zhì)量越小，堵塞越嚴(yán)重；
[0022]步驟5.改變路面坡度、入流流量、滲流流量和顆粒粒徑等參數(shù)，重復(fù)步驟1-4。
[0023]本發(fā)明的有益效果如下:
[0024]本發(fā)明在一個(gè)尺寸為200cm(長)X3cm(寬)X8.5cm(高)的有機(jī)玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行，兩個(gè)方向都有很好視角。水槽放置在光滑的大理石面上，由可調(diào)節(jié)坡度的鋼架結(jié)構(gòu)支撐，鋼架的坡度是通過電機(jī)來調(diào)節(jié)的。水被注入一個(gè)恒定水頭的水箱，然后到達(dá)水槽入口，水槽入口處放置一系列直徑為5mm,長1cm的吸管陣列而成的裝置來減少由于水流狀態(tài)變化而引起的渦旋和氣泡等。水流(Q)隨后流經(jīng)設(shè)置在水槽中間部位近似模擬透水路面的結(jié)構(gòu)，一部分水流(Q1)經(jīng)透水路面滲透進(jìn)入下部的排水管，而其余水流(Q2)沿路面直接流入水箱。水箱里的水通過水泵在試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動。
[0025]顆粒添加裝置可以輕松的將顆粒添加到水流中。為了減少顆粒的能量，漏斗的內(nèi)側(cè)貼了海綿，漏斗的末端只允許一個(gè)顆粒通過，并且可改變漏斗下部管徑以適應(yīng)不同的顆粒粒徑。該裝置的優(yōu)點(diǎn)如下:顆?？梢灾饌€(gè)被添加在同一位置，并且顆粒的初始能量都最小且相等。
[0026]本發(fā)明提出了雨洪徑流攜帶泥沙顆粒運(yùn)動并致透水路面孔隙堵塞的近似模擬方法，利用該模擬方法對雨洪徑流、泥沙顆粒及透水路面三者的相互作用進(jìn)行了全面研究，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法分析入流流量、入滲流量、坡度和泥沙粒徑等參數(shù)對顆粒輸運(yùn)和孔隙堵塞的影響。本研究結(jié)果為優(yōu)化透水路面設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置；
[0028]圖2透水路面的近似模擬裝置；
[0029]圖3顆粒添加裝置；
[0030]圖4入流流量對收集裝置收集到的顆粒質(zhì)量的影響；
[0031]圖5入流流量對顆粒單寬輸運(yùn)率的影響；
[0032]圖6路面坡度對收集裝置收集到的顆粒質(zhì)量的影響；
[0033]圖7路面坡度對顆粒單寬輸運(yùn)率的影響；
[0034]圖中:1、恒定水頭的水箱I ;2、調(diào)節(jié)閥；3、顆粒添加裝置；4、透水路面模型；5、顆粒收集裝置；6、電子天平；7、循環(huán)水；8、水箱II ;9、水泵，10吸管，11水槽，4-1、透水路面；4-2、透水層；4-3、孔；4-4、支柱；4-5、排水管，4-6塑料板。

【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0036]一種徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置，包括一個(gè)水槽11，在所述的水槽11的底部設(shè)有一個(gè)能調(diào)節(jié)透水路面模型坡度的支撐，在所述的水槽內(nèi)設(shè)有一個(gè)透水路面模型，在透水路面模型4的頭部和尾部設(shè)有延伸至水槽11頭部和尾部的塑料板4-6，在塑料板4-6的底部設(shè)有排水管4-5，且位于水槽114入口位置的塑料板上設(shè)有用于減少水流狀態(tài)變化而引起渦旋和氣泡的裝置，所述的裝置由吸管10陣列而成；在水槽11的頭部設(shè)有一個(gè)與其內(nèi)部連通的恒定水頭的水箱II，之間連接有調(diào)節(jié)閥2，在水，11的尾部設(shè)有一個(gè)與其內(nèi)部連通的水箱Π8 ;在水箱118內(nèi)設(shè)有一個(gè)顆粒收集裝置5，在所述的透水路面的上游放置一個(gè)顆粒添加裝置3。水流Q隨后流經(jīng)設(shè)置在水槽中間部位近似模擬透水路面的結(jié)構(gòu)，一部分水流Q1經(jīng)透水路面滲透進(jìn)入下部的排水管，而其余水流Q2沿路面直接流入水箱。水箱里的水通過水泵在試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動。在透水路面的上游放置一個(gè)顆粒添加裝置，添加顆粒ms進(jìn)入水流中。在水槽末端放置一個(gè)顆粒收集裝置，可以通過重力沉降把顆粒分離出來。
[0037]透水路面模型4，包括由磁性不銹鋼球按立方體緊密堆積排列組成的透水路面4-1，在所述的透水路面4-1下是由化學(xué)纖維組成的透水層4-2，透水層的下面是帶孔4-3的塑料板；透水路面模型底部由支柱4-4支撐，并在透水路面模型的下游端設(shè)置一根排水管4-5將透水路面滲入的水流排出水槽。透水路面模型尺寸為201mmX30mmX9mm ;由2010個(gè)直徑為3mm的磁性不銹鋼球按立方體緊密堆積排列組成，其孔隙率47.64%。
[0038]在透水路面模型的前、后兩端的塑料板上鋪有一層磁性小球，使上下游水槽和透水路面處于同一高度。
[0039]顆粒添加裝置，包括一個(gè)漏斗，在所述的漏斗內(nèi)側(cè)設(shè)有海綿，在漏斗的末端活動連接一個(gè)只允許一個(gè)顆粒通過的過濾管。過濾管的管徑可調(diào)，通過改變漏斗下部管徑以適應(yīng)不同的顆粒粒徑；過濾管的末端距離水槽的底部約有5mm。水槽為200cm(長)X3cm(寬)X8.5cm(高)的有機(jī)玻璃水槽。兩個(gè)方向都有很好視角。
[0040]徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置的試驗(yàn)方法如下:
[0041]步驟1.用電動機(jī)調(diào)整透水路面模擬裝置的坡度。
[0042]步驟2.打開水泵并將循環(huán)水7注入恒定水頭箱，利用調(diào)節(jié)閥和電子天平調(diào)整入流流量和滲入流量。
[0043]步驟3.待水流穩(wěn)定后，在透水路面的上游用顆粒添加裝置以lg/s的速度添加顆粒50g，在水槽末端用電子天平6稱量顆粒收集裝置的質(zhì)量，直到質(zhì)量不再增加為止。
[0044]步驟4.顆粒收集裝置的重量穩(wěn)定后，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥和水泵；將透水路面模擬裝置取出并清洗、收集其內(nèi)部的顆粒，烘干顆粒后稱重，根據(jù)顆粒的質(zhì)量，分析透水路面堵塞結(jié)果，質(zhì)量越小，堵塞越嚴(yán)重。
[0045]步驟5.改變路面坡度、入流流量、滲流流量和顆粒粒徑等參數(shù)，重復(fù)步驟1-4。
[0046]徑流流量的測量:
[0047]水槽出水口放置的連通電腦的電子天平會連續(xù)記錄水箱質(zhì)量的變化，這樣就可以控制徑流的總流量(Q)和透水路面入滲流量(Q1):
[0048]Q = (πιΔ1-+1-ηιΔ1-) X 60/1000
[0049]式中(πιΔ?+1-πιΔ?)是每秒鐘水箱質(zhì)量的變化。因?yàn)殡娮犹炱降木仁?.0lg，所以流量測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.0009L/min。這種流量的測量方式可以提供很高的精度并且不會造成水頭損失。
[0050]具體實(shí)例一:
[0051]本次試驗(yàn)選擇了四組入流流量(Q)來測試入流流量對顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞的影響，分別為:3.20L/min, 4.50L/min, 6.0OL/min,和 6.80L/min,坡度固定為 0.0105，入滲流量(Q1)為入流流量的5%，顆粒粒徑為630-800m。
[0052]t = Os表示顆粒剛開始到達(dá)收集裝置。裝置中收集的顆粒是經(jīng)添加裝置加入到水流中的顆粒，且這些顆粒沒有堵塞于透水路面孔隙內(nèi)而是被徑流攜帶出水槽。入流流量對收集裝置收集到的顆粒質(zhì)量的影響如圖4所示。稱量結(jié)果顯示在較大的入流流量下大部分顆粒都會被輸送到水槽末端，而少部分的顆粒會堵塞于透水路面內(nèi)。入流流量對顆粒單寬輸運(yùn)率的影響如圖5所示，在透水路面上較大的入流流量的顆粒運(yùn)輸能力也會比較大。
[0053]具體實(shí)例二:
[0054]本次試驗(yàn)選擇了四組坡度(Stl)來測試路面坡度對顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞的影響，分別為:0.0035,0.0105,0.0175和0.0244，入流流量(Q)固定為6.0OL/min,入滲流量(Q1)為入流流量的5%，顆粒粒徑為630-800m。
[0055]路面坡度對收集裝置收集到的顆粒質(zhì)量的影響如圖6所示，不同的路面坡度的顆粒單寬輸運(yùn)率如圖7所示。兩幅圖都顯示在較大的路面坡度下更多的顆粒可以被輸送到路面末端，即更少的顆粒會堵塞在透水路面孔隙內(nèi)，徑流的顆粒單寬輸運(yùn)率會更大。
【權(quán)利要求】
1.一種徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置，其特征在于:包括一個(gè)水槽，在所述的水槽的底部設(shè)有一個(gè)能調(diào)節(jié)透水路面模型坡度的支撐，在所述的水槽內(nèi)設(shè)有一個(gè)透水路面模型，在透水路面模型的頭部和尾部設(shè)有延伸至水槽頭部和尾部的支撐板，在支撐板的底部設(shè)有排水管，且位于水槽入口位置的支撐板上設(shè)有用于減少水流狀態(tài)變化而引起渦旋和氣泡的裝置，所述的裝置由吸管陣列而成；在水槽的頭部設(shè)有一個(gè)與其內(nèi)部連通的恒定水頭的水箱I，在水槽的尾部設(shè)有一個(gè)與其內(nèi)部連通的水箱II;在水箱II內(nèi)設(shè)有一個(gè)顆粒收集裝置，在所述的透水路面的上游放置一個(gè)顆粒添加裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置，其特征在于:所述的徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置，還包括一個(gè)電子天平，電子天平在調(diào)整入流流量和滲入流量，安裝在水箱II的底部，用于稱量水箱II的質(zhì)量，在待水流穩(wěn)定后，放置在顆粒收集裝置的底部，用于稱量顆粒收集裝置的質(zhì)量。
3.如權(quán)利要求1所述的徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置，其特征在于:所述的透水路面模型，包括由磁性不銹鋼球按立方體緊密堆積排列組成的透水路面，在所述的透水路面下是由化學(xué)纖維組成的透水層，透水層的下面是帶孔的支撐板。
4.如權(quán)利要求1或2所述的徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置，其特征在于:在所述的透水路面模型底部由支柱支撐，并在透水路面模型的下游端設(shè)置一根排水管將透水路面滲入的水流排出水槽。
5.如權(quán)利要求1或2所述的徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置，其特征在于:所述的透水路面模型尺寸為20ImmX 30mmX 9mm ;由2010個(gè)直徑為3mm的磁性不銹鋼球按立方體緊密堆積排列組成，其孔隙率47.64%。
6.如權(quán)利要求2所述的徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置，其特征在于:在透水路面模型的前、后兩端的支撐板上鋪有一層磁性小球，使上下游水槽和透水路面處于同一高度。
7.如權(quán)利要求1所述的徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置，其特征在于:所述的顆粒添加裝置，包括一個(gè)漏斗，在所述的漏斗內(nèi)側(cè)設(shè)有海綿，在漏斗的末端活動連接一個(gè)只允許一個(gè)顆粒通過的過濾管。
8.如權(quán)利要求7所述的徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置，其特征在于:所述的過濾管的末端距離水槽的底部約有5mm。
9.如權(quán)利要求1所述的徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置，其特征在于:所述的水槽為200cm(長)X3cm(寬)X8.5cm(高)的有機(jī)玻璃水槽，所述的吸管直徑為 5mm,長 1cm0
10.如權(quán)利要求1-9任一所述的徑流作用下顆粒輸運(yùn)和透水路面堵塞近似模擬裝置的試驗(yàn)方法，其特征在于，如下: 步驟1.用電動機(jī)調(diào)整透水路面模擬裝置的坡度； 步驟2.打開水泵并將循環(huán)水注入恒定水頭箱，利用調(diào)節(jié)閥和電子天平調(diào)整入流流量和滲入流量； 步驟3.待水流穩(wěn)定后，在透水路面的上游用顆粒添加裝置以lg/s的速度添加顆粒50g,在水槽末端用電子天平稱量顆粒收集裝置的質(zhì)量，直到質(zhì)量不再增加為止； 步驟4.顆粒收集裝置的重量穩(wěn)定后，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥和水泵；將透水路面模擬裝置取出并清洗、收集其內(nèi)部的顆粒，烘干顆粒后稱重，根據(jù)顆粒的質(zhì)量，分析透水路面堵塞結(jié)果；步驟5.改變路面坡度、入流流量、滲流流量和顆粒粒徑參數(shù)，重復(fù)步驟1-4。
【文檔編號】G01N5/00GK104198155SQ201410475772
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】張炯, 崔新壯, 黃丹, 侯飛, 湯濰澤 申請人:山東大學(xué)