CN112666058B - 适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置及方法，其特征在于：该装置包括给水组件、透水铺装系统组件和测量组件，所述的给水组件用于对透水铺装系统组件提供模拟雨水，所述的透水铺装系统组件用于处理模拟雨水，并输出到测量组件进行自动测量。具有能针对涉及不同的透水砖及其不同配比的透水铺装垫层材料的透水铺装系统进行性能检测和优化的优点。

Description

适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置及方法

技术领域

本发明属于海绵城市建设技术领域，具体的涉及一种适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置及方法(检测和优化方法)。

背景技术

随着海绵城市实施建设项目的不断增加，不同的透水铺装材料越来越被广泛地应用在透水铺装工程中，但在运用推广过程中发现透水砖强度不高，骨料之间粘结不牢，易产生掉颗粒现象。雨水渗透通过透水材料时所携带的泥沙、植物残渣及非点源污染物等沉积在透水材料层孔隙内，造成其透水能力下降。在行人或车辆作用下，刮风时沉积于路面上的沙粒等可能会被挤压进入路面材料层孔隙中，也会导致透水路面透水能力下降，使得透水铺装路面一段时间之后不能充分满足透水要求。

因此研究不同透水铺装系统性能优化方案尤为重要，但是目前均是针对透水铺装系统性能本身方案的开发，而针对透水铺装系统如何筛选或者统计出合理的优化方案的性能检测设备和方法涉及较少。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种能针对涉及不同的透水砖及其不同配比的透水铺装垫层材料的透水铺装系统进行性能检测和优化的适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置。

为了解决上述技术问题，本申请采用的技术方案为：一种适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置，该装置包括给水组件、透水铺装系统组件和测量组件，所述的给水组件用于对透水铺装系统组件提供模拟雨水，所述的透水铺装系统组件用于处理模拟雨水，并输出到测量组件进行自动测量。

优选的，所述的给水组件，包括底座，置于底座上的模拟雨水水箱，所述的模拟雨水水箱上设置有与第一驱动泵连接的输液管道、用于将水箱内的水输送出去，所述的第一驱动泵还连接有喷淋装置，所述的喷淋装置的出口端与透水铺装系统组件相承接。

优选的，所述的喷淋装置由喷淋器和螺纹管件组成，所述喷淋器上设置有螺纹接口用于与所述螺纹管件拧紧，所述喷淋装置与透水铺装系统组件通过固定铁夹水平固定于上方。

优选的，所述的透水铺装系统组件，包括分层装置、透水铺装材料和支架，所述透水铺装材料置于分层装置中，所述的分层装置包括第一箱体、第二箱体、第三箱体和第四箱体中的至少两个箱体，所述的第一箱体、第二箱体和第三箱体顺次连通或者所述的所述的第一箱体和第三箱体顺次连通，所述的第四箱体置于第三箱体的下部，且箱体均设置于支架上；所述的第一箱体上连接有溢流管、溢流管上设置有球阀，所述的第四箱体连通有介质输送管道，介质输送管道上连接有测量组件。

优选的，所述的测量组件包括第二驱动泵、介质输送管道、量杯、电子秤，所述第二驱动泵与介质输送管道连通，介质输送管道另一端插入至分层装置第四箱体中，介质输送管道的输出端与量杯连通，所述量杯的底部放置电子秤。

优选的，所述的第一箱体、第二箱体、第三箱体彼此之间的连接处设置有密封橡胶，相邻箱体之间通过卡扣扣合。

优选的，所述的第一驱动泵和第二驱动泵均为蠕动泵。

优选的，所述的第一箱体为无盖无底含溢流管的空箱或者无盖有底底部带小孔的空箱，所述的第二箱体和第三箱体为无盖无底的空箱，所述的第四箱体为无盖有底且底部上带孔的空箱。

此外，本申请还提供一种采用上述测定装置进行不同透水铺装系统性能性能检测和优化的方法，步骤包括：

S1：按照实验设计，组合所需的分层装置，检查箱体之间相连处的密封性，确保卡扣全部扣好，调节第一和第二驱动泵的位置，确保介质输送管在实验操作中不会滑出对应实验装置，检查模拟雨水水箱无渗漏现象，上方电动搅拌机的搅拌叶位于相应位置、实现防止悬浮颗粒污染物SS在实验过程中沉于底部；

S2：透水铺装系统搭建：将透水材料铺设入箱体中，且第一箱体、第二箱体和第三箱体同时存在或者第一箱体和第三箱体连接，所述的第四箱体位于第三箱体的下方，透水材料的铺设高度低于第一箱体、第二箱体和第三箱体自由组合的高度；

S3：模拟雨水制备：选取某次雨的常规污染物值为依据，将壤土颗粒、葡萄糖、硝酸钾、氯化铵、磷酸二氢钾依次融入纯水中，搅拌溶解至均匀，放入模拟雨水水箱中用电动搅拌机匀速搅拌；

S4：调节第一驱动泵来控制雨量大小，打开溢流管球阀来控制溢流层层高，调节第二驱动泵来有效提取透水铺装系统实验时间段内的渗漏液量；

S5：打开电子秤记录滤液质量(重量)，同时读取量杯内滤液体积，计算饱和出流速率得到此透水铺装系统的渗透性能；

注：1.ΔV：某一时间段内的体积变化 2.Δm：某一时间段内的质量变化，3.Δt：某一时间段；

收集部分滤液至采样瓶，进行后期污染物去除率的检测和计算；通过试验不同的透水铺装系统，优化提升现阶段已设计使用的透水铺装。

优选的，所述的透水材料具体的可以为：将陶瓷透水铺装分为六层(从下而上为第一层到第六层)装入分层装置中；首先在装置第一层铺入粒径20-40mm的砾石作为排水层，第二层铺入粒径5-25mm砾石为过渡层，第三层铺入C25透水混凝土作为透水混凝土层，C25透水混凝土用磨具提前制作，养护一周，第四层铺入M10干硬性水泥砂浆作为干硬性水泥砂浆层，M10干硬性水泥砂浆铺入当天制作，第五层铺入陶瓷透水砖或者混凝土透水砖作为透水砖层，第六层为溢流层；第一层到第四层的连接面都铺上透水土工布，防止材料小颗粒堵塞空隙，影响实验结果。

优选的，所述的第二驱动泵的水量值大于第一驱动泵的水量值。

本发明的优点和有益效果在于：

1.本发明适应于各种透水铺装系统性能的检测、优化和提升。不同箱体的组合可以满足不同实验要求的透水铺装系统，装置可循环多次利用，使用方法简单，经济成本低。

2.所述的第二驱动泵的水量值大于第一驱动泵的水量值；以保证分层装置最底层第四箱体内不积水。

3.本发明的装置和方法能实现多种透水材料的铺装和性能检测，根据各种不同组合的透水材料实现最合理的透水材料的筛选，使得为路面材料的铺设提供更加优化的选择，而不会直接在路面铺设材料造成后期如果效果不理想而返修问题，可以通过模拟优化选取最理想的铺装材料，因此可以降低成本，提高材料的充分利用效率。

附图说明

图1为本发明所述一种适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置结构示意图。

图2为本发明所述第一箱体的溢流管位置剖面示意图。

图3为本发明第三箱体的底部开孔结构示意图。

如附图所示：1底座、2模拟雨水水箱、3电动搅拌机、4输液管道(硅胶管)、5第一驱动泵(蠕动泵)、6螺纹管件、7喷淋器、8固定铁夹、9球阀、10溢流管、11卡扣、12密封橡胶、13第一箱体(有机玻璃空箱)、14第二箱体(有机玻璃空箱)、15第三箱体(有机玻璃空箱)、16第四箱体(有机玻璃空箱)、17不锈钢支架、18介质输送管道(硅胶管)、19第二驱动泵(蠕动泵)、20量杯、21电子秤。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的描述。

请参考图1-3所示，本发明的实施例提供了一种适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置，包括给水组件：底座1、模拟雨水水箱2、电动搅拌机3、硅胶管4、蠕动泵(第一驱动泵)5、螺纹管件6、喷淋器7、固定铁夹8；透水铺装系统组件：球阀9、溢流管10、卡扣11、密封橡胶12、上下无盖无底含溢流管的长方体有机玻璃空箱(第一箱体)13、上下无盖无底的长方体有机玻璃空箱(第二箱体)14、底部带孔无盖的长方体有机玻璃空箱(第三箱体)15、有底无盖的长方体有机玻璃空箱(第四箱体)16、不锈钢支架17；测量组件：硅胶管18、蠕动泵(第二驱动泵)19、量杯20、电子秤21。

给水组件：模拟雨水水箱2和电动搅拌机3置于载物桌1上，模拟雨水水箱2中放入实验所需模拟雨水，电动搅拌机3的搅拌叶插入模拟雨水中。选取合适的输液管道4安装在第一驱动泵5上，输液管道4右端插入模拟雨水水箱2中，左端插入螺纹管件6中，螺纹管件6安装在喷淋器7(花洒即可满足要求)的螺纹口处，喷淋器7用固定铁夹8水平固定，固定铁夹8上端固定喷淋器7，下端固定在上下无盖无底含溢流管的长方体有机玻璃空箱13上，

透水铺装系统组件：上下无盖无底含溢流管的第一箱体13的左侧安装溢流管10，溢流管10上安装球阀9，确保溢流口位于透水砖上方20cm处，第一箱体13、第二箱体14、第三箱体15对准其密封橡胶12，用卡扣11扣紧，置于不锈钢支架17上方，第四箱体16插入不锈钢支架17中，在搭建好的有机玻璃分层装置中放入相对应的透水铺装材料组成透水铺装系统。

测量组件：介质输送管道18安装在第二驱动泵19上、介质输送管道18右端插入第四箱体16内，左端插入量杯20，量杯20放在电子秤21上。

先启动第二驱动泵19，后启动第一驱动泵5，检查有机玻璃分层装置密封橡胶处是否有液体流出，若无，说明气密性良好，开始实验。按照实验设计时间段，记录好滤液量并取样保存做进一步的污染物去除性能检测。

本申请的各个空箱的连接处周边打上密封胶，然后再用卡扣连接，双层固定；卡扣采用常规的设置即可。

采用上述测定装置进行不同透水铺装系统性能规律进行优化的方法，包括以下步骤：

S1：按照实验设计，组合所需的分离装置层，检查分层装置相连处的密封性，确保卡扣全部扣好，调节2台蠕动泵的位置，确保硅胶管在实验操作中不会滑出对应实验装置，检查模拟雨水水箱无渗漏现象，上方电动搅拌机的搅拌叶位于相关位置，可实现防止悬浮颗粒污染物SS在实验过程中沉于底部。

S2：透水铺装系统搭建(例如：陶瓷透水铺装)：将陶瓷透水铺装分为六层(从下而上为第一层到第六层)装入有机玻璃分层装置。首先在装置第一层铺入粒径20-40mm的砾石作为排水层，第二层铺入粒径5-25mm砾石为过渡层，第三层铺入C25透水混凝土作为透水混凝土层，C25透水混凝土用磨具提前制作，养护一周，第四层铺入M10干硬性水泥砂浆作为干硬性水泥砂浆层，M10干硬性水泥砂浆铺入当天制作，第五层铺入陶瓷透水砖或者混凝土透水砖作为透水砖层，第六层为溢流层(即第五层的上方流动介质形成的一层称作为溢流层，这样保证雨水模拟的准确性，防止介质静置造成雨水成分变化不准确)。第一层到第四层的连接面都铺上透水土工布，防止材料小颗粒堵塞空隙，影响实验结果。

S3：模拟雨水制备：选取某次雨的常规污染物值为依据，本实施例可以选取：SS254mg/L，COD112 mg/L，TN 6.2mg/L，TP0.68 mg/L，SS值由本地壤土颗粒称量得到，COD值由葡萄糖换算得到，TN由硝酸钾和氯化铵换算得到，TP值由磷酸二氢钾换算得到。将壤土颗粒、葡萄糖、硝酸钾、氯化铵、磷酸二氢钾依次融入纯水中，搅拌溶解至均匀，放入模拟雨水水箱中用电动搅拌机匀速搅拌。

S4：调节蠕动泵5来控制雨量大小，打开溢流管球阀来控制溢流层层高，调节蠕动泵19来有效提取透水铺装系统实验时间段内的渗漏液量，一般蠕动泵19的水量值大于蠕动泵5的水量值，保证有机玻璃分层装置最底层有底无盖的长方体有机玻璃空箱内不积水。

S5：打开电子秤记录滤液质量(重量)，同时读取量杯内滤液体积，计算饱和出流速率得到此透水铺装系统的渗透性能；

注：1.ΔV：某一时间段内的体积变化 2.Δm：某一时间段内的质量变化，3.Δt：某一时间段；

收集部分滤液至采样瓶，进行后期污染物去除率的检测和计算；通过试验不同的透水铺装系统，优化提升现阶段已设计使用的透水铺装。

对透水铺装系统性能优化的实验：

准备2个实验装置，其中1号实验装置的透水砖层为混凝土透水砖，2号实验装置的透水砖层为陶瓷透水砖；两个装置下部结构层均一致，从上到下为3cm的干硬性水泥砂浆层；20cm的透水混凝土层；5cm的细砾石层1(粒径5-25mm)；25cm的砾石层2(粒径20-40mm)。

具体的参数和性能见表1和表2：

表1实施例的污染物去除率

表2实施例的饱和出流速率

从表1可知，两种铺装对SS均有较高的去除效率，对COD的去除效果均不理想，彩砂透水砖铺装对TN、TP的去除效率高于陶瓷透水铺装。

从表2可知，对1、2号实验装置进行渗透性能试验后，在4种降雨强度下1号混凝土透水砖铺装达到稳定状态的时间分别为57、52、46和40分钟，2号陶瓷透水砖铺装达到稳定状态的时间分别为50、41、40和38分钟；1号的饱和出水速率分别达为32.6、47.9、61.2、68.2ml/min，2号的饱和出水速率分别为36.8、49.4、63.6、68.5ml/min。陶瓷透水砖铺装比混凝土透水砖铺装早达到饱和流量，且饱和出流速率更大。

因此，本申请的方法和装置可以有效的提高路面铺设材料的筛选问题，找到最为理想的方案之后再进行路面施工，有效的降低了成本，提高了铺设效果。

在实验过程中，本发明的发明人还选择不同类型铺装面层和不同厚度的水泥砂浆、透水混凝土层、砾石层通过该透水铺装实验装置进行试验，得出不同铺装的水力传导性能和污染物去除效率，再综合考虑铺装系统内部的物理特性和其经济效益，如抗压强度、综合经济成本等因素，优选出适应本地情况的铺装系统。合理设计透水铺装系统可以显著提高透水砖的排水能力和透水水质，通过本申请的技术方案可以实现为透水铺装的性能优化提供有效的参考。

本发明不局限于上述实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理和宗旨的前提下，还可以做出若干中变形、改进和替换，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置，其特征在于：该装置包括给水组件、透水铺装系统组件和测量组件，所述的给水组件用于对透水铺装系统组件提供模拟雨水，所述的透水铺装系统组件用于处理模拟雨水，并输出到测量组件进行自动测量；所述的透水铺装系统组件，包括分层装置、透水铺装材料和支架，所述透水铺装材料置于分层装置中，所述的分层装置包括第一箱体、第二箱体、第三箱体和第四箱体，所述的第一箱体、第二箱体和第三箱体顺次连通，所述的第四箱体置于第三箱体的下部，且箱体均设置于支架上；所述的第一箱体上连接有溢流管、溢流管上设置有球阀，所述的第四箱体连通有介质输送管道，介质输送管道上连接有测量组件。

2.根据权利要求1所述的适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置，其特征在于：所述的给水组件包括底座，置于底座上的模拟雨水水箱，所述的模拟雨水水箱上设置有与第一驱动泵连接的输液管道、用于将水箱内的水输送出去，所述的第一驱动泵还连接有喷淋装置，所述的喷淋装置的出口端与透水铺装系统组件相承接。

3.根据权利要求2所述的适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置，其特征在于：所述的喷淋装置由喷淋器和螺纹管件组成，所述喷淋器上设置有螺纹接口用于与所述螺纹管件拧紧，所述喷淋装置与透水铺装系统组件通过固定铁夹水平固定于上方。

4.根据权利要求2所述的适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置，其特征在于：所述的测量组件包括第二驱动泵、介质输送管道、量杯、电子秤，所述第二驱动泵与介质输送管道连通，介质输送管道另一端插入至分层装置第四箱体中，介质输送管道的输出端与量杯连通，所述量杯的底部放置电子秤。

5.根据权利要求1所述的适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置，其特征在于：所述的第一箱体、第二箱体、第三箱体彼此之间的连接处设置有密封橡胶，相邻箱体之间通过卡扣扣合。

6.根据权利要求4所述的适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置，其特征在于：第一驱动泵和第二驱动泵均为蠕动泵；所述的第一箱体为无盖无底含溢流管的空箱或者无盖有底、底部带小孔的空箱，所述的第二箱体和第三箱体为无盖无底的空箱，所述的第四箱体为无盖有底且底部上带孔的空箱。

7.根据权利要求4所述的适用于滨海海绵城市透水铺装系统性能优化的实验装置的检测和优化的方法，其特征在于：步骤包括：

S1：按照实验设计，组合所需的分层装置，检查箱体之间相连处的密封性，确保卡扣全部扣好，调节第一和第二驱动泵的位置，确保介质输送管在实验操作中不会滑出对应实验装置，检查模拟雨水水箱无渗漏现象，上方电动搅拌机的搅拌叶位于相应位置、实现防止悬浮颗粒污染物SS在实验过程中沉于底部；

S2：透水铺装系统搭建：将透水材料铺设入箱体中，且第一箱体、第二箱体和第三箱体同时存在，所述的第四箱体位于第三箱体的下方，透水材料的铺设高度低于第一箱体、第二箱体和第三箱体组合的高度；

S3：模拟雨水制备：选取某次雨的常规污染物值为依据，将壤土颗粒、葡萄糖、硝酸钾、氯化铵、磷酸二氢钾依次融入纯水中，搅拌溶解至均匀，放入模拟雨水水箱中用电动搅拌机匀速搅拌；

S4：调节第一驱动泵来控制雨量大小，打开溢流管球阀来控制溢流层层高，调节第二驱动泵来有效提取透水铺装系统实验时间段内的渗漏液量；

S5：打开电子秤记录滤液质量，同时读取量杯内滤液体积，计算饱和出流速率得到此透水铺装系统的渗透性能；

ΔV：某一时间段内的体积变化，Δm：某一时间段内的质量变化，Δt：某一时间段；

收集部分滤液至采样瓶，进行后期污染物去除率的检测和计算；通过试验不同的透水铺装系统，实现优化提升现阶段已设计使用的透水铺装。

8.根据权利要求7所述的检测和优化的方法，其特征在于：所述的透水材料具体的为：将陶瓷透水铺装分为六层装入分层装置中；首先在装置第一层铺入粒径20-40mm的砾石作为排水层，第二层铺入粒径5-25mm砾石为过渡层，第三层铺入C25透水混凝土作为透水混凝土层，C25透水混凝土用磨具提前制作，养护一周，第四层铺入M10干硬性水泥砂浆作为干硬性水泥砂浆层，M10干硬性水泥砂浆铺入当天制作，第五层铺入陶瓷透水砖或者混凝土透水砖作为透水砖层，第六层为溢流层；第一层到第四层的连接面都铺上透水土工布，防止材料小颗粒堵塞空隙，影响实验结果。

9.根据权利要求7所述的检测和优化的方法，其特征在于：所述的第二驱动泵的水量值大于第一驱动泵的水量值。

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