CN113324887A

CN113324887A - 基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置及方法

Info

Publication number: CN113324887A
Application number: CN202110489601.3A
Authority: CN
Inventors: 赵永利; 王金鸣
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2041-04-30
Also published as: CN113324887B

Abstract

本发明涉及基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置及方法；属于试验测试设备。基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置，该装置包括内部进水系统、外部排水系统；所述的内部进水系统布置在外部排水系统内，多孔道路材料试件包裹于不透水材料中并置于内部进水系统内。本发明提供的一种基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置及方法，能很好地模拟多孔道路材料试件在真实降雨条件下的透水情况，对其透水效果进行准确测试。

Description

基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种多孔道路材料透水性能的室内测试专用仪器及其测试方法；属于试验测试设备。

背景技术

作为质量验收的标准、工后的排水性能追踪以及养护时机确定的依据，透水系数常被用来评价排水路面的排水能力。但目前国际上尚无统一的排水路面透水系数测试方法，我国室内透水试验则大多采用《透水混凝土路面技术规程》(DB11/T 775 2010)中推荐的常水头测试方法，虽能对多孔道路材料的透水性能进行简易测试，但仍无法评估道路材料在真实降雨条件下的透水性能。

现行规范中推荐的水头高度均为经验值，未能考虑项目所在地的设计降雨强度和所用材料的设计空隙率，往往会造成透水人行道透水性能设计标准偏高或偏低。若设计标准偏低，则透水人行道的透水性能达不到实际透水需求，造成人行道表面产生径流；若设计标准偏高，则对透水材料的性能要求进一步提高，透水人行道的建造成本增加，经济效益大大降低。

透水系数是衡量多孔介质在自身空隙输送液体的能力，不仅与材料的空隙率有关，更与空隙的直径和连通度有关。室内渗水试验对于透水系数的计算原理是达西定律，但达西定律有一定的适用范围，即液体的流动状态为层流。

但在现阶段15cm的水头高度下，水在透水混凝土内部并不处于层流状态，不可使用达西定律计算透水系数，故需对试验水头高度进行修正。此外，现行测试装置的进水速度较大，需要进一步降低其对试验结果的影响。

发明内容

本发明是针对上述现有技术领域存在的缺失，提供了一种基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置及方法，通过将雨滴对路面的不连续能量冲击转化为常水头作用于多孔道路材料，研发的溢流式常水头透水系数测试装置解决了进口速度和出水口雍水对测试结果的不利影响，实现了对水头高度的精确控制，可以很好地模拟多孔道路材料试件在真实降雨情况的透水效果，对其透水系数进行准确测试。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置，该装置包括内部进水系统、外部排水系统；所述的内部进水系统布置在外部排水系统内，多孔道路材料试件包裹于不透水材料中并置于内部进水系统内；

所述的内部进水系统包括内一环，内二环，内三环，进水口，进水管，排水管、水泵；所述内一环外侧套置内二环，内二环外侧套置内三环；所述的内一环的顶端与底端均为开口状；内二环顶端为开口状、底端为封闭端，内二环的封闭端设有进水口，进水口与进水管相连通；内三环顶端为开口状、底端为封闭端，排水管的一端从内三环顶端延伸至内三环内，排水管的另一端与水泵相连通；内一环、内二环及内三环圆心保持一致；

所述的外部排水系统包括外一环、外二环、出水管和垫片；所述的外一环的底端为封闭端、上端为开口端；外二环套置在外一环的外侧，外二环的底端为封闭端、上端为开口端，外二环的外侧壁设有出水管；所述的外一环的底端设有垫片，内一环置于垫片上，内一环通过垫片与外一环的底端形成空隙。

本发明所述的基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置，所述内二环的顶端高度高于内一环及内三环的顶端高度；所述内二环的底端与内三环的底端齐平，内二环的底端与内三环的底端均位于内一环的1/3高度处。

本发明所述的基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置，所述内二环的顶端高度高于内一环顶端上边缘1～1.5cm；内二环的顶端高度高于内三环顶端上边缘0.5～1.0cm。

本发明所述的基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置，所述外二环顶端上边缘低于外一环顶端上边缘1～1.5cm；所述外二环的底端位于外一环2/3高度处。

本发明所述的基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置，所述出水管的管口向下切斜，出水管的直径为4～6cm，出水管的长度为5～10cm。

本发明所述的基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置，所述进水口为4～6个。

本发明还提供了一种基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试方法，包括以下步骤：

步骤一：基于能量守恒定律计算某降雨强度时单位面积路面上由于雨水击溅作用引起的初始水头高度；初始水头高度计算公式如下：

式中，h_r—单位面积上雨滴击溅作用引起的实际水头，m；v—雨滴的落地速度，m/s；V_v—路面的设计空隙率，％；η—动能折减系数；g—重力加速度，m/s²；

步骤二：利用某设计降雨强度下的平均雨滴直径和落地速度，计算多孔路面某一点上相邻两个雨滴落地的间隔时间；

式中，t₁—相邻雨滴的落地间隔时间，s；

—每个雨滴以立方体形式占据的空间体积，mm³；v—雨滴的落地速度，m/s；

步骤三：根据雨滴直径和落地速度计算每个雨滴对路面冲击的实际作用时间；

式中，t₂—每个雨滴对路面冲击的作用时间，s；d—雨滴的平均直径，mm；v—雨滴的落地速度，m/s；

步骤四：根据上述初始水头高度、相邻两个雨滴落地的间隔时间、每个雨滴对路面冲击的实际作用时间；基于冲击等效性将雨滴对路面的不连续能量冲击转化为连续能量冲击，通过下式计算得到该降雨情况下的实际降雨水头高度，即常水头透水系数测试装置中所述垫片的高度；

式中，h_e—某种降雨情况下雨滴击溅实际引起的水头高度，m；V_v—路面的设计空隙率，％；η—动能折减系数；R—设计降雨强度，mm/min；v—雨滴的落地速度，m/s；g—重力加速度，m/s²。

通过常水头透水系数测试装置中垫片的高度得到多孔道路材料的透水系数。

本发明用以下公式计算多孔道路材料的透水系数：

式中，k—多孔道路材料试件的透水系数，cm/s；t—出水管水流稳流段时间，s；Q—水流稳定时所述出水管在t时间内的排水量，g；L—多孔道路材料试件的厚度，cm；A—所述多孔道路材料试件的透水面积，cm2；H—作用于多孔道路材料试件上下底面的水头差，即所述垫片的厚度，由基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试方法计算得到，cm；ρ—试验温度下水的密度，g/cm3。

有益效果

本发明提供的一种基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置及方法，能很好地模拟多孔道路材料试件在真实降雨条件下的透水情况，对其透水效果进行准确测试。

1、内部进水系统采用溢流式进水模式，水流通过内二环外溢到内一环，补水路径加长，显著降低了多孔道路材料试件表面的水流初速度，降低了水流初速度对测试结果的不利影响，使透水系数的测试结果更加精确。

2、外部排水系统同样采用溢流式排水模式，液面高于外一环时可以迅速外溢至外二环排出，消除了出水口可能发生的雍水现象，保证了外一环和内二环上边缘的高度差即为多孔道路材料试件上下底面的水头高度差，实现了对水头高度的精确控制。

3、基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试方法，通过能量守恒定律和冲击等效性建立水头高度计算模型，将雨滴对路面的不连续能量冲击转化为常水头作用于排水路面，可以很好地模拟多孔道路材料试件在真实降雨条件下的透水情况，并对其透水系数进行准确测试。

4、基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试方法建立了多孔道路材料性能与实际使用环境之间的联系，在室内即可完成多孔道路材料透水性能的评估分析，为多孔道路材料的合理选择提供了有力依据。

附图说明

图1为常水头透水系数测试装置整体示意图；

图2为内部进水系统侧视图；

图3为内部进水系统俯视图；

图4为外部排水系统侧视图；

图5为外部排水系统俯视图；

图6为垫片放置示意图(已略去内二环和内三环)；

图7为水流流动方向示意图；

图中有：1-内一环、2-内二环、3-内三环、4-进水口、5-进水管、6-排水管、7-水泵、8-外一环、9-外二环、10-出水管、11-不透水材料、12-多孔道路材料试件和13-垫片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置(如图1所示)，包括内部进水系统和外部排水系统；所述内部进水系统(如图2和图3所示)由内一环1，内二环2，内三环3，进水口4，进水管5，排水管6、水泵7、不透水材料11和多孔道路材料试件12组成；所述外部排水系统(如图4和图5所示)由外一环8、外二环9、出水管10和垫片13组成；

其中，所述内一环1位于内部进水系统中心位置，所述内二环2位于所述内一环1的中上部并处于外侧，保持所述内一环1与所述内二环2圆心一致，所述内三环3位于所述内二环2的外侧，并保持所述内三环3与所述内二环2圆心一致，所述进水口4位于所述内二环2的下底面，所述进水管5与所述进水口4相连，所述排水管6位于所述内三环3内部，所述水泵7与所述排水管6相连接，所述垫片13位于所述内一环1底部，且位于所述外一环8下底面，所述外二环9位于所述外一环8的外侧，并保持所述外二环9与所述外一环8的圆心一致，所述出水管10位于所述外二环9的中下部，测试时，所述多孔道路材料试件12用所述不透水材料11包裹，放置于所述内一环1的中部。

所述内一环1上下均无封底，直径为25cm，高度为40cm。

所述内二环2上部不封底且上边缘高于所述内一环1上边缘1cm，下部封底并位于所述内一环1底部的1/3高度处，直径为30cm。

所述内三环3上部不封底且上边缘低于所述内二环2上边缘1cm，下部封底并与所述内二环2底部齐平，直径为33cm。

所述进水口4个数为4个，直径为2cm。

所述垫片13可选择不同厚度进行放置，使所述内一环1与所述外一环8底部之间形成空隙(如图6所示)。

所述外一环8上部不封底，下部封底，应保持在内部进水系统置于所述外一环8内部且不放置所述垫片13的情况下，所述外一环8上边缘的高度与所述内二环2上边缘的高度一致，直径为37cm。

所述外二环9上部不封底且上边缘低于所述外一环8的上边缘1cm，下部封底且位于所述外一环8底部的2/3高度处，直径为40cm。

所述出水管10管口略向下切斜，自由出流，直径为5cm，长度为10cm。

测试时，所述多孔道路材料试件12用所述不透水材料11包裹，放置于所述内一环1的中部，水流进入所述内二环2，液面到达所述内一环1的上边缘时优先进入所述内一环1，进入所述内一环1的水流通过所述多孔道路材料试件12向下渗透，等到水流稳定且液面高于所述内二环2的上边缘时，水流外溢至内三环3临时蓄存，所述排水管6位于所述内三环3内部，通过所述水泵7排出多余的水，保证所述内二环2的液面高度与上边缘齐平，所述垫片13位于所述内一环1底部，且位于所述外一环8下底面，使所述内一环1与所述外一环8底部之间形成空隙，并于水流通过并充满所述外一环8，当所述外一环8的液面高度高于上边缘时，进入所述外二环9临时蓄存并通过所述出水管10排出多余的水，水流流动方向如图7所示。

以我国东南地区某地的设计降雨情况为例计算透水系数测试应采用的水头高度，即所述垫片13的厚度，具体步骤为：

步骤一、要达到相同渗透效果时的应该作用到路面上的水头高度，即初始水头高度；基于能量守恒定律推导出某降雨强度时单位面积路面上由于雨水击溅作用引起的初始水头高度计算公式，如式1-1所示：

式中，h_r—单位面积上雨滴击溅作用引起的实际水头，m；

v—雨滴的落地速度，m/s；

V_v—路面的设计空隙率，％；

η—动能折减系数；

g—重力加速度，m/s²；

该地区设计降雨强度2.981mm/min，道路设计空隙率为20％，动能折减系数为0.1863，重力加速度为9.8m/s²，此时雨滴的落地速度为7.56m/s，则初始水头高度为1.018m；

步骤二、利用某降雨强度下的平均雨滴直径和落地速度，计算多孔路面某一点上相邻两个雨滴落地的间隔时间，计算公式为1-2：

式中，t₁—相邻雨滴的落地间隔时间，s；

—每个雨滴以立方体形式占据的空间体积，mm³；

v—雨滴的落地速度，m/s；

假设雨滴大小一致并在空中均匀分布，每个雨滴在空间中占用的立方体体积为1.146×10⁷mm³，落地速度为7.56m/s，则相邻两个雨滴落地的间隔时间为0.0298s。

步骤三、根据雨滴直径和落地速度计算每个雨滴对路面冲击的实际作用时间，计算公式为1-3：

式中，t₂—每个雨滴对路面冲击的作用时间，s；

d—雨滴的平均直径，mm；

v—雨滴的落地速度，m/s；

每个雨滴对路面冲击的实际所用时间即为雨滴从触地到消失的时间，雨滴直径为2.62mm，落地速度为7.56m/s，则每个雨滴对路面冲击的实际所用时间为3.46×10^-4s。

步骤四、根据上述计算结果，基于冲击等效性将雨滴对路面的不连续能量冲击转化为连续能量冲击，计算得到该降雨情况下的实际降雨水头高度，即常水头透水系数测试装置中所述垫片13的高度，计算公式为1-4：

式中，h_e—某种降雨情况下雨滴击溅实际引起的水头高度，m；

V_v—路面的设计空隙率，％；η—动能折减系数；R—设计降雨强度，mm/min；

v—雨滴的落地速度，m/s；g—重力加速度，m/s²。

本发明用以下公式计算多孔道路材料的透水系数：

式中，k—多孔道路材料试件的透水系数，cm/s；t—出水管水流稳流段时间，s；Q—水流稳定时出水管在t时间内的排水量，g；L—多孔道路材料试件的厚度，cm；A—多孔道路材料试件的透水面积，cm2；H—作用于所述多孔道路材料试件上下底面的水头差，即所述垫片的厚度由基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试方法计算得到，cm；ρ—试验温度下水的密度，g/cm3。

利用上述步骤一至步骤三的计算结果，可得到此种降雨情况下透水系数测试时应该采用的水头高度为12mm；

对本发明提供的一种基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置及方法进行测试：

试验室内制备4种不同空隙率的多孔道路材料试件12，空隙率分别为21％，24％，27％和30％，每种空隙率的多孔道路材料试件12制备3个，规格为立方体形状，边长为15cm；

垫片13厚度根据上述计算结果，取为12mm；

测试结果见表1：

由表1的计算结果可见，设计空隙率越大，多孔道路材料的透水系数也越大；此外，当多孔道路材料的设计空隙率处于21％～30％时，透水系数均远大于设计降雨强度2.981mm/min，表明此种降雨情况下，雨滴可以迅速进入多孔道路材料而不产生路表径流，这与此类多孔道路材料在实际工程应用中产生的情形相同。本装置及测试方法可模拟真实的降雨情况，并为多孔道路材料透水性能的测试提供了科学依据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置，其特征在于：该装置包括内部进水系统、外部排水系统；所述的内部进水系统布置在外部排水系统内，多孔道路材料试件包裹于不透水材料中并置于内部进水系统内；

2.根据权利要求1所述的基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置，其特征在于：所述内二环的顶端高度高于内一环及内三环的顶端高度；所述内二环的底端与内三环的底端齐平，内二环的底端与内三环的底端均位于内一环的1/3高度处。

3.根据权利要求2所述的基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置，其特征在于：所述内二环的顶端高度高于内一环顶端上边缘1～1.5cm；内二环的顶端高度高于内三环顶端上边缘0.5～1.0cm。

4.根据权利要求1所述的基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置，其特征在于：所述外二环顶端上边缘低于外一环顶端上边缘1～1.5cm；所述外二环的底端位于外一环2/3高度处。

5.根据权利要求1所述的基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置，其特征在于：所述出水管的管口向下切斜，出水管的直径为4～6cm，出水管的长度为5～10cm。

6.根据权利要求1所述的基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置，其特征在于：所述进水口为4～6个。

7.基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试装置的测试方法，其特征在于：该计算方法模拟真实的降雨情况，包括以下步骤：

步骤一、基于能量守恒定律计算降雨强度时单位面积路面上由于雨水击溅作用引起的初始水头高度；初始水头高度计算公式如下：

步骤二、利用降雨强度下的平均雨滴直径和步骤一中的落地速度，通过下式计算多孔路面某一点上相邻两个雨滴落地的间隔时间；

式中，t₁—相邻雨滴的落地间隔时间，s；

步骤三、根据雨滴直径和步骤一中的落地速度，通过下式计算每个雨滴对路面冲击的实际作用时间；

步骤四、根据初始水头高度、相邻两个雨滴落地的间隔时间和每个雨滴对路面冲击的实际作用时间，基于冲击等效性将雨滴对路面的不连续能量冲击转化为连续能量冲击，

通过计算得到该降雨情况下的实际降雨水头高度，即常水头透水系数测试装置中垫片的高度，

式中，h_e—某种降雨情况下雨滴击溅实际引起的水头高度，m；V_v—路面的设计空隙率，％；η—动能折减系数；R—设计降雨强度，mm/min；v—雨滴的落地速度，m/s；g—重力加速度，m/s²；

通过得到常水头透水系数测试装置中垫片的高度，通过下式得到多孔道路材料试件的透水系数：

式中，k—多孔道路材料试件的透水系数，cm/s；t—出水管水流稳流段时间，s；Q—水流稳定时出水管在t时间内的排水量，g；L—所述多孔道路材料试件的厚度，cm；A—多孔道路材料试件的透水面积，cm2；H—作用于所述多孔道路材料试件上下底面的水头差，即所述垫片的厚度，由基于实际降雨水头高度的常水头透水系数测试方法计算得到，cm；ρ—试验温度下水的密度，g/cm3。