透水路面孔隙堵塞机理试验模拟研究

发布时间：2020-03-29 12:29

【摘要】：作为一种透水路面,透水混凝土内部存在大量连通孔隙而具有透水性,能使大量初期地表径流雨水穿过透水路面渗入地下。然而透水混凝土由于其多孔性能易发生堵塞,影响其透水排水功能的发挥。由于透水混凝土是由不透明的无级配粗骨料、水泥、掺和料和外加剂等拌制浇筑而成,无法观察到泥沙颗粒进入透水路面的状况,研究堵塞发展过程和堵塞机理。因此目前对其内部堵塞微观机理和影响因素的研究还相对较不完善,需要对透水路面孔隙堵塞机理深入探讨研究。本论文创新地利用透明聚丙烯酸钠球材质小球代替不透明的透水路面,从而可以观察到“透水路面”内部实时堵塞进程,设计了透水路面堵塞试验装置,进行一系列的室内对比试验,研究揭示这一过程中透水路面结构孔隙率、水平径流流速、渗流速度和砂级配等因素所起的作用。同时本论文提出了一种将离散元方法与计算流体动力学相结合的仿真模型(即CFD-DEM模型),初步模拟了透水路面中泥沙颗粒在水流作用下的堵塞效果。试验考虑了不同工况下孔隙率、水平径流流速、渗流流速以及砂级配的影响,根据试验结果,对透水路面堵塞发展演变过程、堵塞发展速度以及透水路面堵塞稳定状态颗粒分布三个方面进行分析。通过分析堵塞颗粒在透水路面某位置处的堵塞发展演变过程,分析透水路面不同深度堵塞发展全过程,分析透水路面沿深度方向的颗粒体积占比和堵塞发展速度,统计堵塞最终稳定状态时颗粒坐标信息得到的各层堵塞颗粒占比,来研究透水路面堵塞发展状况和堵塞机理。结果表明堵塞过程分为快速堵塞段、堵塞恢复段、缓慢堵塞段和稳定堵塞段。透水路面的堵塞发展过程最明显的变化集中在最开始的2～10s,孔隙率、水平径流速度、渗流速度、砂级配等各因素对堵塞发展过程产生不同程度的影响。砂级配对堵塞起着决定性影响,不同尺寸的砂子有着不同的堵塞机理和堵塞发展过程,同时通过CFD-DEM模型进行数值模拟初步探究,得到与试验较为一致的结论。该课题研究为透水路面孔隙堵塞预防及恢复,透水路面的优化设计和养护方案提供了一定的依据。
【图文】：

透水混凝土,透水路面,优点,透水混凝土路面

致降雨的产汇流增大，径流系数明显偏大，这将改变甚至破坏城市生态环境，尤逡逑其是在降雨期间所产生的地表径流，无法及时入渗致使城市内产生积水灾害，导逡逑致城市内涝问题频发［１］，如图１－１所示为近年来北京、武汉、广州、济南等城市出逡逑现严重的内涝灾害，威胁着人民的生命财产安全。除此之外，传统城市建设是将逡逑雨水尽快排除而忽略雨水资源的利用价值。因此，采用透水混凝土路面结构有助逡逑于改善道路的设计，从而使降雨不产生或尽量少产生地表径流。逡逑我国于２０１４年开始的“海绵城市’’建设中广泛应用透水混凝土路面来缓解城逡逑市防涝压力。作为一种高渗透性路面材料，透水路面系统因其集料骨架之间具备逡逑大量贯通性孔隙，，是一种蜂窝状结构的混凝土，又被称作多孔混凝土，可以将初逡逑期降雨形成的地表径流渗入至地下。因此可实现补充地下水资源以及削减城市洪逡逑峰流量。自２０世纪７０年代就开始利用其渗透性排除降雨产生的积水［２］。通过贯逡逑通性孔隙，透水混凝土还可实现吸音、降噪等功能。除此之外，透水混凝土还可逡逑以改善地表温湿度，可有效缓解城市“热岛效应”。近年来，我国透水混凝土的研逡逑＿逦宄与应用发展迅速

状态图,试验曲线,管道流动,雷诺数

逦（２－５）逡逑￣Ｒｅ＾逡逑应用范围为４０００＜／？ｅ＜１０５。如图２－１为尼古拉兹试验曲线。逡逑，！邋ＦＴＴ］逦１逦ｉ邋Ｔ＇Ｔ］逦｜逦了一ｒ．ｎ逦Ｉ邋ｒ－ｙｒｉ逦—逡逑Ｉ，１．…ｊ逦丨：＇邋＊邋１１１１邋＇ｊ＇逦逦Ｉ逦｜逦？邋＾１１１邋＾邋＂｜邋■邋？？｜ｌ逦：逡逑ｍ＼—ｒ—「ｒｉｊｉ逡逑ｓ．邋＇邋ｒｔ逡逑４邋Ｉ邋邋邋ｐｉ？，—，厂口：－ｆ邋ｔ逦逡逑二：ｄ逡逑■邋＊邋＊邋１２６邋Ｎ＾ｕｒｏｔｉｓ％邋？？邋＾邋■邋ＷＯ邋ＱｏＬａ＾ｃａ逦？邋？邋，邋—＊＾＊＊￣＾邋—逡逑■邋ＳＣ邋ｉｓｓｆｘｆｒａ＾ｓｅｓｓｉ逦ｆｅｏｅｖｓｍｉｍ邋ｆｏｖｆｈ、逦？逡逑ｆＴＴｌ逦！逦ＴＴＴ１逦ｒ逦ｒ邋＊邋ｈ逦！邋ｉ逦‘逡逑？邋逦＊邋ｉ邋￣７ｗｅ邋ｆ逡逑图２－１尼古拉兹试验曲线逡逑随着雷诺数的增大，管道流动依次出现五种状态。逡逑１２逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U416.2;TU992

【参考文献】