径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置及方法,包括一个水槽，在水槽的底部设有一个能调节透水路面模型坡度的支撑，在水槽内设有一个透水路面模型，在透水路面模型的头部和尾部设有用于减少水流状态变化而引起涡旋和气泡的装置，装置由吸管阵列而成；在水槽的头部设有一个恒定水头的水箱I，在尾部设有一个水箱II，在水箱II内设有一个颗粒收集装置，颗粒收集装置放置在电子天平上，在所述的透水路面的上游放置一个颗粒添加装置。通过实验和数值模拟的方法分析入流流量、入渗流量、坡度和泥沙粒径等参数对颗粒输运和孔隙堵塞的影响。本研究结果为优化透水路面设计提供了坚实的基础。
【专利说明】径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置及方法的确定，属于土木工程领域。
【背景技术】
[0002]透水路面也称为多孔路面，包括透水混凝土路面和OGFC(开级配抗滑磨耗层)浙青路面等，在粗集料骨架内部有大量的贯通性孔隙使得路面具有良好的透水性能，能够快速让大量的雨水渗入地下，从而有效减小或消除城市暴雨洪涝灾害。然而，由于降雨产生的地表径流中含有的大量悬浮颗粒(如泥砂、碎屑等)，这些矿物或有机细颗粒会随水流不断进入透水路面孔隙，造成孔隙堵塞，透水混凝土渗透性能不断降低，导致透水路面难以发挥排水功能，最终演变成非透水路面，使用寿命缩短，增大了城市洪涝和冻融灾害发生的可能性。然而目前雨洪径流作用下颗粒输运并导致颗粒堵塞于透水路面孔隙的相关研究较少，因此有必要对这种复杂的固液两相流动现象进行更深入的研究。鉴于此，本发明试图揭示泥沙颗粒在雨洪径流的作用下堵塞于透水路面孔隙的机理，为透水路面的优化设计提供依据。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术存在的缺陷，本发明公开了一种径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟方法。
[0004]本发明采用的技术方案如下:
[0005]一种径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置，包括一个水槽，在所述的水槽的底部设有一个能调节透水路面模型坡度的支撑，在所述的水槽内设有一个透水路面模型，在透水路面模型的头部和尾部设有延伸至水槽头部和尾部的支撑板，在支撑板的底部设有排水管，且位于水槽入口位置的支撑板上设有用于减少水流状态变化而引起涡旋和气泡的装置，所述的装置由吸管阵列而成；在水槽的头部设有一个与其内部连通的恒定水头的水箱I，在水槽的尾部设有一个与其内部连通的水箱II;在水箱II内设有一个颗粒收集装置，在所述的透水路面的上游放置一个颗粒添加装置。水流Q随后流经设置在水槽中间部位近似模拟透水路面的结构，一部分水流Q1经透水路面渗透进入下部的排水管，而其余水流Q2沿路面直接流入水箱。水箱里的水通过水泵在试验模拟系统内循环流动。在透水路面的上游放置一个颗粒添加装置，添加颗粒ms进入水流中。在水槽末端放置一个颗粒收集装置，可以通过重力沉降把颗粒分离出来。
[0006]所述的径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置，还包括一个电子天平，电子天平在调整入流流量和渗入流量，安装在水箱II的底部，用于称量水箱II的质量，在待水流稳定后，放置在颗粒收集装置的底部，用于称量颗粒收集装置的质量。
[0007]所述水槽的头部与恒定水头的水箱I之间连通的管路上设有调节阀。
[0008]所述的透水路面模型，包括由磁性不锈钢球按立方体紧密堆积排列组成的透水路面，在所述的透水路面下是由化学纤维组成的透水层，透水层的下面是带孔的支撑板。
[0009]在所述的透水路面模型底部由支柱支撑，并在透水路面模型的下游端设置一根排水管将透水路面渗入的水流排出水槽。
[0010]所述的透水路面模型尺寸为20ImmX 30mmX 9mm ;由2010个直径为3mm的磁性不锈钢球按立方体紧密堆积排列组成，其孔隙率47.64%。
[0011]在透水路面模型的前、后两端的支撑板上铺有一层磁性小球，使上下游水槽和透水路面处于同一高度。
[0012]所述的颗粒添加装置，包括一个漏斗，在所述的漏斗内侧设有海绵，在漏斗的末端活动连接一个只允许一个颗粒通过的过滤管。过滤管的管径可调，通过改变漏斗下部管径以适应不同的颗粒粒径。
[0013]所述的过滤管的末端距离水槽的底部约有5mm。
[0014]所述的水槽为200cm(长)X3cm(宽)X8.5cm(高)的有机玻璃水槽。两个方向都有很好视角。
[0015]所述的吸管直径为5mm，长10cm。
[0016]所述的水箱1、II里的水通过水泵在试验模拟系统内循环流动。
[0017]径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置的试验方法如下:
[0018]步骤1.用电动机调整透水路面模拟装置的坡度。
[0019]步骤2.打开水泵并将循环水注入恒定水头箱，利用调节阀和电子天平调整入流流量和渗入流量。
[0020]步骤3.待水流稳定后，在透水路面的上游用颗粒添加装置以lg/s的速度添加颗粒50g，在水槽末端用电子天平称量颗粒收集装置的质量，直到质量不再增加为止。
[0021]步骤4.颗粒收集装置的重量稳定后，关闭调节阀和水泵；将透水路面模拟装置取出并清洗、收集其内部的颗粒，烘干颗粒后称重，根据颗粒的质量，分析透水路面堵塞结果，质量越小，堵塞越严重；
[0022]步骤5.改变路面坡度、入流流量、渗流流量和颗粒粒径等参数，重复步骤1-4。
[0023]本发明的有益效果如下:
[0024]本发明在一个尺寸为200cm(长)X3cm(宽)X8.5cm(高)的有机玻璃水槽内进行，两个方向都有很好视角。水槽放置在光滑的大理石面上，由可调节坡度的钢架结构支撑，钢架的坡度是通过电机来调节的。水被注入一个恒定水头的水箱，然后到达水槽入口，水槽入口处放置一系列直径为5mm,长1cm的吸管阵列而成的装置来减少由于水流状态变化而引起的涡旋和气泡等。水流(Q)随后流经设置在水槽中间部位近似模拟透水路面的结构，一部分水流(Q1)经透水路面渗透进入下部的排水管，而其余水流(Q2)沿路面直接流入水箱。水箱里的水通过水泵在试验模拟系统内循环流动。
[0025]颗粒添加装置可以轻松的将颗粒添加到水流中。为了减少颗粒的能量，漏斗的内侧贴了海绵，漏斗的末端只允许一个颗粒通过，并且可改变漏斗下部管径以适应不同的颗粒粒径。该装置的优点如下:颗粒可以逐个被添加在同一位置，并且颗粒的初始能量都最小且相等。
[0026]本发明提出了雨洪径流携带泥沙颗粒运动并致透水路面孔隙堵塞的近似模拟方法，利用该模拟方法对雨洪径流、泥沙颗粒及透水路面三者的相互作用进行了全面研究，通过实验和数值模拟的方法分析入流流量、入渗流量、坡度和泥沙粒径等参数对颗粒输运和孔隙堵塞的影响。本研究结果为优化透水路面设计提供了坚实的基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置；
[0028]图2透水路面的近似模拟装置；
[0029]图3颗粒添加装置；
[0030]图4入流流量对收集装置收集到的颗粒质量的影响；
[0031]图5入流流量对颗粒单宽输运率的影响；
[0032]图6路面坡度对收集装置收集到的颗粒质量的影响；
[0033]图7路面坡度对颗粒单宽输运率的影响；
[0034]图中:1、恒定水头的水箱I ;2、调节阀；3、颗粒添加装置；4、透水路面模型；5、颗粒收集装置；6、电子天平；7、循环水；8、水箱II ;9、水泵，10吸管，11水槽，4-1、透水路面；4-2、透水层；4-3、孔；4-4、支柱；4-5、排水管，4-6塑料板。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明进行详细说明:
[0036]一种径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置，包括一个水槽11，在所述的水槽11的底部设有一个能调节透水路面模型坡度的支撑，在所述的水槽内设有一个透水路面模型，在透水路面模型4的头部和尾部设有延伸至水槽11头部和尾部的塑料板4-6，在塑料板4-6的底部设有排水管4-5，且位于水槽114入口位置的塑料板上设有用于减少水流状态变化而引起涡旋和气泡的装置，所述的装置由吸管10阵列而成；在水槽11的头部设有一个与其内部连通的恒定水头的水箱II，之间连接有调节阀2，在水，11的尾部设有一个与其内部连通的水箱Π8 ;在水箱118内设有一个颗粒收集装置5，在所述的透水路面的上游放置一个颗粒添加装置3。水流Q随后流经设置在水槽中间部位近似模拟透水路面的结构，一部分水流Q1经透水路面渗透进入下部的排水管，而其余水流Q2沿路面直接流入水箱。水箱里的水通过水泵在试验模拟系统内循环流动。在透水路面的上游放置一个颗粒添加装置，添加颗粒ms进入水流中。在水槽末端放置一个颗粒收集装置，可以通过重力沉降把颗粒分离出来。
[0037]透水路面模型4，包括由磁性不锈钢球按立方体紧密堆积排列组成的透水路面4-1，在所述的透水路面4-1下是由化学纤维组成的透水层4-2，透水层的下面是带孔4-3的塑料板；透水路面模型底部由支柱4-4支撑，并在透水路面模型的下游端设置一根排水管4-5将透水路面渗入的水流排出水槽。透水路面模型尺寸为201mmX30mmX9mm ;由2010个直径为3mm的磁性不锈钢球按立方体紧密堆积排列组成，其孔隙率47.64%。
[0038]在透水路面模型的前、后两端的塑料板上铺有一层磁性小球，使上下游水槽和透水路面处于同一高度。
[0039]颗粒添加装置，包括一个漏斗，在所述的漏斗内侧设有海绵，在漏斗的末端活动连接一个只允许一个颗粒通过的过滤管。过滤管的管径可调，通过改变漏斗下部管径以适应不同的颗粒粒径；过滤管的末端距离水槽的底部约有5mm。水槽为200cm(长)X3cm(宽)X8.5cm(高)的有机玻璃水槽。两个方向都有很好视角。
[0040]径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置的试验方法如下:
[0041]步骤1.用电动机调整透水路面模拟装置的坡度。
[0042]步骤2.打开水泵并将循环水7注入恒定水头箱，利用调节阀和电子天平调整入流流量和渗入流量。
[0043]步骤3.待水流稳定后，在透水路面的上游用颗粒添加装置以lg/s的速度添加颗粒50g，在水槽末端用电子天平6称量颗粒收集装置的质量，直到质量不再增加为止。
[0044]步骤4.颗粒收集装置的重量稳定后，关闭调节阀和水泵；将透水路面模拟装置取出并清洗、收集其内部的颗粒，烘干颗粒后称重，根据颗粒的质量，分析透水路面堵塞结果，质量越小，堵塞越严重。
[0045]步骤5.改变路面坡度、入流流量、渗流流量和颗粒粒径等参数，重复步骤1-4。
[0046]径流流量的测量:
[0047]水槽出水口放置的连通电脑的电子天平会连续记录水箱质量的变化，这样就可以控制径流的总流量(Q)和透水路面入渗流量(Q1):
[0048]Q = (πιΔ1-+1-ηιΔ1-) X 60/1000
[0049]式中(πιΔ?+1-πιΔ?)是每秒钟水箱质量的变化。因为电子天平的精度是0.0lg，所以流量测量的标准偏差是0.0009L/min。这种流量的测量方式可以提供很高的精度并且不会造成水头损失。
[0050]具体实例一:
[0051]本次试验选择了四组入流流量(Q)来测试入流流量对颗粒输运和透水路面堵塞的影响，分别为:3.20L/min, 4.50L/min, 6.0OL/min,和 6.80L/min,坡度固定为 0.0105，入渗流量(Q1)为入流流量的5%，颗粒粒径为630-800m。
[0052]t = Os表示颗粒刚开始到达收集装置。装置中收集的颗粒是经添加装置加入到水流中的颗粒，且这些颗粒没有堵塞于透水路面孔隙内而是被径流携带出水槽。入流流量对收集装置收集到的颗粒质量的影响如图4所示。称量结果显示在较大的入流流量下大部分颗粒都会被输送到水槽末端，而少部分的颗粒会堵塞于透水路面内。入流流量对颗粒单宽输运率的影响如图5所示，在透水路面上较大的入流流量的颗粒运输能力也会比较大。
[0053]具体实例二:
[0054]本次试验选择了四组坡度(Stl)来测试路面坡度对颗粒输运和透水路面堵塞的影响，分别为:0.0035,0.0105,0.0175和0.0244，入流流量(Q)固定为6.0OL/min,入渗流量(Q1)为入流流量的5%，颗粒粒径为630-800m。
[0055]路面坡度对收集装置收集到的颗粒质量的影响如图6所示，不同的路面坡度的颗粒单宽输运率如图7所示。两幅图都显示在较大的路面坡度下更多的颗粒可以被输送到路面末端，即更少的颗粒会堵塞在透水路面孔隙内，径流的颗粒单宽输运率会更大。
【权利要求】
1.一种径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置，其特征在于:包括一个水槽，在所述的水槽的底部设有一个能调节透水路面模型坡度的支撑，在所述的水槽内设有一个透水路面模型，在透水路面模型的头部和尾部设有延伸至水槽头部和尾部的支撑板，在支撑板的底部设有排水管，且位于水槽入口位置的支撑板上设有用于减少水流状态变化而引起涡旋和气泡的装置，所述的装置由吸管阵列而成；在水槽的头部设有一个与其内部连通的恒定水头的水箱I，在水槽的尾部设有一个与其内部连通的水箱II;在水箱II内设有一个颗粒收集装置，在所述的透水路面的上游放置一个颗粒添加装置。
2.如权利要求1所述的径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置，其特征在于:所述的径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置，还包括一个电子天平，电子天平在调整入流流量和渗入流量，安装在水箱II的底部，用于称量水箱II的质量，在待水流稳定后，放置在颗粒收集装置的底部，用于称量颗粒收集装置的质量。
3.如权利要求1所述的径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置，其特征在于:所述的透水路面模型，包括由磁性不锈钢球按立方体紧密堆积排列组成的透水路面，在所述的透水路面下是由化学纤维组成的透水层，透水层的下面是带孔的支撑板。
4.如权利要求1或2所述的径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置，其特征在于:在所述的透水路面模型底部由支柱支撑，并在透水路面模型的下游端设置一根排水管将透水路面渗入的水流排出水槽。
5.如权利要求1或2所述的径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置，其特征在于:所述的透水路面模型尺寸为20ImmX 30mmX 9mm ;由2010个直径为3mm的磁性不锈钢球按立方体紧密堆积排列组成，其孔隙率47.64%。
6.如权利要求2所述的径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置，其特征在于:在透水路面模型的前、后两端的支撑板上铺有一层磁性小球，使上下游水槽和透水路面处于同一高度。
7.如权利要求1所述的径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置，其特征在于:所述的颗粒添加装置，包括一个漏斗，在所述的漏斗内侧设有海绵，在漏斗的末端活动连接一个只允许一个颗粒通过的过滤管。
8.如权利要求7所述的径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置，其特征在于:所述的过滤管的末端距离水槽的底部约有5mm。
9.如权利要求1所述的径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置，其特征在于:所述的水槽为200cm(长)X3cm(宽)X8.5cm(高)的有机玻璃水槽，所述的吸管直径为 5mm,长 1cm0
10.如权利要求1-9任一所述的径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞近似模拟装置的试验方法，其特征在于，如下: 步骤1.用电动机调整透水路面模拟装置的坡度； 步骤2.打开水泵并将循环水注入恒定水头箱，利用调节阀和电子天平调整入流流量和渗入流量； 步骤3.待水流稳定后，在透水路面的上游用颗粒添加装置以lg/s的速度添加颗粒50g,在水槽末端用电子天平称量颗粒收集装置的质量，直到质量不再增加为止； 步骤4.颗粒收集装置的重量稳定后，关闭调节阀和水泵；将透水路面模拟装置取出并清洗、收集其内部的颗粒，烘干颗粒后称重，根据颗粒的质量，分析透水路面堵塞结果；步骤5.改变路面坡度、入流流量、渗流流量和颗粒粒径参数，重复步骤1-4。
【文档编号】G01N5/00GK104198155SQ201410475772
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】张炯, 崔新壮, 黄丹, 侯飞, 汤潍泽 申请人:山东大学