[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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)沥青路面等，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

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。

本发明采用的技术方案如下:

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m_s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。

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。

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。

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。

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。

所述的透水路面模型尺寸为201mm×30mm×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％。

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。

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。

所述的过滤管的末端距离水槽的底部约有5mm。

所述的水槽为200cm(长)×3cm(宽)×8.5cm(高)的有机玻璃水槽。两个方向都有很好视角。

所述的吸管直径为5mm，长10cm。

所述的水箱I、II里的水通过水泵在试验模拟系统内循环流动。

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：

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1g/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，质量越小，堵塞越严重；

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。