CN104198353A - 透水路面雨洪径流近似试验模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透水路面雨洪径流近似试验模拟装置及方法,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，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，水箱I、II里的水通过水泵在试验模拟系统内循环流动；在透水路面模型的上方设有一套用于测量流速场的粒子速度场仪。

Description

透水路面雨洪径流近似试验模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及一种透水路面雨洪径流近似试验模拟方法的确定，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。透水性路面的高孔隙结构能让雨水有效渗入地下，减少城市地表径流。在可持续发展理念指导下，近几年我国透水路面工程研究应用迅速发展，这将对解决大都市的市内排水不畅问题起到巨大的作用。粗糙的透水路面对在它之上的自由表面径流以及路面附近的流动特性和动量转移都有非常大的影响。这些复杂的作用影响地表径流的水深和流速，并将极大地影响径流携带泥沙的能力，然而目前该方面的研究相对较少，因此有必要对这种复杂的流动现象进行更深入的研究。

发明内容：

为了解决现有技术中存在的缺点，本发明提出了一种透水路面雨洪径流近似试验模拟方法，利用近似模拟的方法对透水路面及雨洪径流的相互作用进行了全面的研究，通过实验和数值模拟的方法分析入流流量、入渗流量、坡度等参数对路表雨洪径流的影响，为完善透水路面的水力学奠定基础，建立一种透水路面雨洪径流近似试验模拟装置，确定雨洪径流近似模拟试验方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种透水路面雨洪径流近似试验模拟装置,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，水箱I、II里的水通过水泵在试验模拟系统内循环流动；在透水路面模型的上方设有一套用于测量流速场的粒子速度场仪；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。

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。

所述的水箱II的底部设有一个电子天平。

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。

所述的粒子速度场仪，包括激光片光源、高速相机、时序控制器和计算机；所述的激光片光源安装在透水路面正上方，用于给透水路面附近的流场提供光源；所述的高速相机安装在透水路面的侧面，用于拍摄透水路面上的流场情况；所述的时序控制器用于协调控制激光源与高速相机的拍摄；高速相机拍摄的图像发送到计算机进行流速场分析。

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。

透水路面雨洪径流近似试验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，利用PIV系统测量流速场，并根据所测得的流速场分析水槽内透水路面附近的流场变化；

步骤(4)改变坡度、入流流量和渗入流量等变量，重复步骤1～3。

每次实验采集100组双帧图像，一组双帧图像的两帧之间的时间是500μs。PIV使用的粒子的大小大约为50μm。

本发明的有益效果如下：

本发明在一个尺寸为200cm(长)×3cm(宽)×8.5cm(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10cm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。

本发明提出的透水路面雨洪径流近似试验模拟方法，利用近似模拟的方法对透水路面及雨洪径流的相互作用进行了全面的研究，通过实验和数值模拟的方法分析入流流量、入渗流量、坡度等参数对路表雨洪径流的影响。为完善透水路面的水力学奠定基础，建立一种透水路面雨洪径流近似试验模拟装置，确定雨洪径流近似模拟试验方法。

附图说明

图1透水路面雨洪径流近似实验模拟装置；

图2(a)-图2(b)透水路面的近似模拟装置；

图3(a)-图3(b)一组PIV得到的双帧图像；

图4不同坡度下透水路面径流流速曲线；

图5不同入流流量下透水路面径流流速曲线；

图中：1、恒定水头的水箱I；2、调节阀；3、高速相机；4、透水路面模型；5、激光片光源；6、水箱II；7、水泵，8水槽，9吸管阵列，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

下面结合附图对本发明进行详细说明：

透水路面雨洪径流近似实验模拟装置，经过反复试验论证，确定了透水路面雨洪径流近似实验模拟装置，如图1所示。

本试验在一个尺寸为200cm(长)×3cm(宽)×8.5cm(高)的有机玻璃水槽8内进行，两个方向都有很好视角。水槽8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I1，然后通过调节阀2后到达水槽8入口，水槽8入口处放置一系列直径为5mm，长10cm的吸管阵列9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。

在水槽8内设有一个透水路面模型4，在透水路面模型4的头部和尾部设有延伸至水槽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，所述的装置由吸管阵列9而成；在水槽的尾部设有一个与其内部连通的水箱II6，水箱I、II里的水通过水泵在试验模拟系统内循环流动；水箱II的底部设有一个电子天平，在透水路面模型4的上方设有一套用于测量流速场的粒子速度场仪；

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。

透水路面雨洪径流近似实验模拟装置中的流动达到稳定后，利用PIV来测量瞬时二维流速场。PIV系统由激光片光源5、高速相机3、时序控制器和计算机。

所述的激光片光源5安装在透水路面正上方，用于给透水路面附近的流场提供光源；所述的高速相机3安装在透水路面的侧面，用于拍摄透水路面上的流场情况；所述的时序控制器用于协调控制激光源与高速相机的拍摄；高速相机拍摄的图像发送到计算机进行流速场分析。

每次实验采集100组双帧图像，一组双帧图像的两帧之间的时间是500μs。PIV使用的粒子的大小大约为50μm。

图4所示为一组PIV得到的双帧图像的实例(流动状态：入流流量Q＝6L/min，坡度S₀＝0.0105)。

透水路面模拟装置安装在水槽中部(距离水槽上游端100cm处)，其结构如图2所示。

透水路面模型4尺寸为201mm×30mm×9mm，由磁性不锈钢小球组成，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(孔隙率47.64％)，透水路面4-1下是由化学纤维组成的透水层4-2，其下为带孔4-3的塑料板4-6。在模型底部由支柱4-4支撑，并在下游端设置一根排水管将透水路面渗入的水流(Q₁)排出水槽。水槽内除去透水路面模型之外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。

径流流量的测量

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)：

Q＝(m_Δt+1-m_Δt)×60/1000

式中(m_Δt+1-m_Δt)是每秒钟水箱质量的变化。因为电子天平的精度是0.01g，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。

透水路面雨洪径流近似试验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，利用PIV系统测量流速场。

步骤(4)改变坡度、入流流量和渗入流量等变量，重复步骤1～3。

实例一:

本次试验选择了四组坡度(S₀)来测试路面坡度对透水路面上雨洪径流的影响，分别为：0.0035、0.0105、0.0175和0.0244，入流流量(Q)固定为6.00l/min，入渗流量(Q₁)为入流流量的5％。

图4给出了不同坡度的透水路面径流流速分布曲线。显然，较大的坡度将导致在流体/透水路面界面处以及湍流流动区域内较高的流速。因此，透水路面设计时利用平缓坡及可以有效地减小暴雨径流流速。根据图4同样可以得到不同坡度下的水深变化，试验所得到的水深都随着坡度的增大而降低。

实例二：

本次试验选择了四组入流流量(Q)来测试入流流量对透水路面上雨洪径流的影响，分别为：3.20L/min,4.50L/min,6.00L/min,和6.80L/min，坡度固定为0.0105，入渗流量(Q₁)为入流流量的5％。

图5给出了不同入流流量的透水路面径流流速分布曲线，试验流速都随着入流流量的增加而显著的增加；根据图5同样可以得到不同的入流流量下水深随入流流量的增大而增大的变化趋势。

Claims (10)

1.一种透水路面雨洪径流近似试验模拟装置,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，水箱I、II里的水通过水泵在试验模拟系统内循环流动；在透水路面模型的上方设有一套用于测量流速场的粒子速度场仪。

2.如权利要求1所述的透水路面雨洪径流近似试验模拟装置,其特征在于：所述的粒子速度场仪，包括激光片光源、高速相机、时序控制器和计算机；

所述的激光片光源安装在透水路面正上方，用于给透水路面附近的流场提供光源；

所述的高速相机安装在透水路面的侧面，用于拍摄透水路面上的流场情况；

所述的时序控制器用于协调控制激光源与高速相机的拍摄；

所述的计算机，用于对高速相机拍摄的图像进行流速场分析。

3.如权利要求1所述的透水路面雨洪径流近似试验模拟装置,其特征在于：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。

4.如权利要求1所述的透水路面雨洪径流近似试验模拟装置,其特征在于：所述的水箱II的底部设有一个电子天平。

5.如权利要求1所述的透水路面雨洪径流近似试验模拟装置,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。

6.如权利要求4所述的透水路面雨洪径流近似试验模拟装置,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。

7.如权利要求1所述的透水路面雨洪径流近似试验模拟装置,其特征在于：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％。

8.如权利要求1所述的透水路面雨洪径流近似试验模拟装置,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。

9.如权利要求1所述的透水路面雨洪径流近似试验模拟装置,其特征在于：所述的吸管直径为5mm，长10cm。

10.如权利要求1-9所述的透水路面雨洪径流近似试验模拟装置的模拟方法,其特征在于：

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，利用PIV系统测量流速场，并根据所测得的流速场分析水槽内流场；

步骤(4)改变坡度、入流流量和渗入流量等变量，重复步骤1～3。