透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置,包括一個(gè)水槽，在水槽的底部設(shè)有一個(gè)能調(diào)節(jié)透水路面模型坡度的支撐，在水槽內(nèi)設(shè)有一個(gè)透水路面模型，在水槽內(nèi)設(shè)有一個(gè)透水路面模型，在透水路面模型的頭部和尾部設(shè)有延伸至水槽頭部和尾部的支撐板，在支撐板的底部設(shè)有排水管，且位于水槽入口位置的支撐板上設(shè)有用于減少水流狀態(tài)變化而引起渦旋和氣泡的裝置，裝置由吸管陣列而成；在水槽的頭部設(shè)有一個(gè)與其內(nèi)部連通的恒定水頭的水箱I，在水槽的尾部設(shè)有一個(gè)與其內(nèi)部連通的水箱II，水箱I、II里的水通過水泵在試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)；在透水路面模型的上方設(shè)有一套用于測(cè)量流速場(chǎng)的粒子速度場(chǎng)儀。
【專利說明】透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M方法的確定，屬于土木工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]透水路面也稱為多孔路面，包括透水混凝土路面和OGFC(開級(jí)配抗滑磨耗層)浙青路面等，在粗集料骨架內(nèi)部有大量的貫通性孔隙。透水性路面的高孔隙結(jié)構(gòu)能讓雨水有效滲入地下，減少城市地表徑流。在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，近幾年我國透水路面工程研究應(yīng)用迅速發(fā)展，這將對(duì)解決大都市的市內(nèi)排水不暢問題起到巨大的作用。粗糙的透水路面對(duì)在它之上的自由表面徑流以及路面附近的流動(dòng)特性和動(dòng)量轉(zhuǎn)移都有非常大的影響。這些復(fù)雜的作用影響地表徑流的水深和流速，并將極大地影響徑流攜帶泥沙的能力，然而目前該方面的研究相對(duì)較少，因此有必要對(duì)這種復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行更深入的研究。
實(shí)用新型內(nèi)容:
[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提出了一種透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M方法，利用近似模擬的方法對(duì)透水路面及雨洪徑流的相互作用進(jìn)行了全面的研究，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法分析入流流量、入滲流量、坡度等參數(shù)對(duì)路表雨洪徑流的影響，為完善透水路面的水力學(xué)奠定基礎(chǔ)，建立一種透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置，確定雨洪徑流近似模擬試驗(yàn)方法。
[0004]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0005]一種透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置，包括一個(gè)水槽，在所述的水槽的底部設(shè)有一個(gè)能調(diào)節(jié)透水路面模型坡度的支撐，在所述的水槽內(nèi)設(shè)有一個(gè)透水路面模型，在所述的水槽內(nèi)設(shè)有一個(gè)透水路面模型，在透水路面模型的頭部和尾部設(shè)有延伸至水槽頭部和尾部的支撐板，在支撐板的底部設(shè)有排水管，且位于水槽入口位置的支撐板上設(shè)有用于減少水流狀態(tài)變化而引起渦旋和氣泡的裝置，所述的裝置由吸管陣列而成；在水槽的頭部設(shè)有一個(gè)與其內(nèi)部連通的恒定水頭的水箱I，在水槽的尾部設(shè)有一個(gè)與其內(nèi)部連通的水箱II，水箱1、II里的水通過水泵在試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)；在透水路面模型的上方設(shè)有一套用于測(cè)量流速場(chǎng)的粒子速度場(chǎng)儀；水流(Q)隨后流經(jīng)設(shè)置在水槽中間部位近似模擬透水路面的結(jié)構(gòu)，一部分水流(Q1)經(jīng)透水路面滲透進(jìn)入下部的排水管，而其余水流(Q2)沿路面直接流入水箱。
[0006]所述水槽的頭部與恒定水頭的水箱I之間連通的管路上設(shè)有調(diào)節(jié)閥。
[0007]所述的水箱II的底部設(shè)有一個(gè)電子天平。
[0008]所述的透水路面模型，包括由磁性不銹鋼球按立方體緊密堆積排列組成的透水路面，在所述的透水路面下是由化學(xué)纖維組成的透水層，透水層的下面是帶孔的支撐板。
[0009]在所述的透水路面模型底部由支柱支撐，并在透水路面模型的下游端設(shè)置一根排水管將透水路面滲入的水流排出水槽。
[0010]所述的透水路面模型尺寸為20ImmX 30mmX 9mm ;由2010個(gè)直徑為3mm的磁性不銹鋼球按立方體緊密堆積排列組成，其孔隙率47.64%。
[0011]在透水路面模型的前、后兩端的支撐板上鋪有一層磁性小球，使上下游水槽和透水路面處于同一高度。
[0012]所述的粒子速度場(chǎng)儀，包括激光片光源、高速相機(jī)、時(shí)序控制器和計(jì)算機(jī)；所述的激光片光源安裝在透水路面正上方，用于給透水路面附近的流場(chǎng)提供光源；所述的高速相機(jī)安裝在透水路面的側(cè)面，用于拍攝透水路面上的流場(chǎng)情況；所述的時(shí)序控制器用于協(xié)調(diào)控制激光源與高速相機(jī)的拍攝；高速相機(jī)拍攝的圖像發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行流速場(chǎng)分析。
[0013]所述的水槽為200cm(長(zhǎng))X3cm(寬)X8.5cm(高)的有機(jī)玻璃水槽，兩個(gè)方向都有很好視角。
[0014]所述的吸管直徑為5mm,長(zhǎng)10cm。
[0015]所述的水箱1、II里的水通過水泵在試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。
[0016]透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置的試驗(yàn)方法如下:
[0017]步驟(I)用電動(dòng)機(jī)調(diào)整透水路面模擬裝置的坡度；
[0018]步驟(2)打開水泵并將循環(huán)水注入恒定水頭箱，利用調(diào)節(jié)閥和電子天平調(diào)整入流流量和滲入流量。
[0019]步驟(3)待水流穩(wěn)定后，利用PIV系統(tǒng)測(cè)量流速場(chǎng)，并根據(jù)所測(cè)得的流速場(chǎng)分析水槽內(nèi)透水路面附近的流場(chǎng)變化；
[0020]步驟(4)改變坡度、入流流量和滲入流量等變量，重復(fù)步驟I?3。
[0021]每次實(shí)驗(yàn)采集100組雙幀圖像，一組雙幀圖像的兩幀之間的時(shí)間是500μ S。PIV使用的粒子的大小大約為50 μ m。
[0022]本實(shí)用新型的有益效果如下:
[0023]本實(shí)用新型在一個(gè)尺寸為200cm(長(zhǎng))X 3cm(寬)X8.5cm(高)的有機(jī)玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行，兩個(gè)方向都有很好視角。水槽放置在光滑的大理石面上，由可調(diào)節(jié)坡度的鋼架結(jié)構(gòu)支撐，鋼架的坡度是通過電機(jī)來調(diào)節(jié)的。水被注入一個(gè)恒定水頭的水箱，然后到達(dá)水槽入口，水槽入口處放置一系列直徑為5mm,長(zhǎng)1cm的吸管陣列而成的裝置來減少由于水流狀態(tài)變化而引起的渦旋和氣泡等。
[0024]水流(Q)隨后流經(jīng)設(shè)置在水槽中間部位近似模擬透水路面的結(jié)構(gòu)，一部分水流(Q1)經(jīng)透水路面滲透進(jìn)入下部的排水管，而其余水流(Q2)沿路面直接流入水箱。水箱里的水通過水泵在試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。
[0025]本實(shí)用新型提出的透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M方法，利用近似模擬的方法對(duì)透水路面及雨洪徑流的相互作用進(jìn)行了全面的研究，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法分析入流流量、入滲流量、坡度等參數(shù)對(duì)路表雨洪徑流的影響。為完善透水路面的水力學(xué)奠定基礎(chǔ)，建立一種透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置，確定雨洪徑流近似模擬試驗(yàn)方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1透水路面雨洪徑流近似實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置；
[0027]圖2 (a)-圖2 (b)透水路面的近似模擬裝置；
[0028]圖3 (a)-圖3 (b) 一組PIV得到的雙幀圖像；
[0029]圖4不同坡度下透水路面徑流流速曲線；
[0030]圖5不同入流流量下透水路面徑流流速曲線；
[0031]圖中:1、恒定水頭的水箱I ;2、調(diào)節(jié)閥；3、高速相機(jī)；4、透水路面模型；5、激光片光源；6、水箱II ;7、水泵，8水槽，9吸管陣列，4-1、透水路面；4-2、透水層；4_3、孔；4_4、支柱；4-5、排水管，4-6塑料板。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0033]透水路面雨洪徑流近似實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)論證，確定了透水路面雨洪徑流近似實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，如圖1所示。
[0034]本試驗(yàn)在一個(gè)尺寸為200cm(長(zhǎng))X3cm(寬)Χ8.5cm(高)的有機(jī)玻璃水槽8內(nèi)進(jìn)行，兩個(gè)方向都有很好視角。水槽8放置在光滑的大理石面上，由可調(diào)節(jié)坡度的鋼架結(jié)構(gòu)支撐，鋼架的坡度是通過電機(jī)來調(diào)節(jié)的。水被注入一個(gè)恒定水頭的水箱II，然后通過調(diào)節(jié)閥2后到達(dá)水槽8入口，水槽8入口處放置一系列直徑為5mm,長(zhǎng)1cm的吸管陣列9而成的裝置來減少由于水流狀態(tài)變化而引起的渦旋和氣泡等。
[0035]在水槽8內(nèi)設(shè)有一個(gè)透水路面模型4，在透水路面模型4的頭部和尾部設(shè)有延伸至水槽頭部和尾部的塑料板4-6，在塑料板4-6的底部設(shè)有排水管4-5，且位于水槽入口位置的塑料板上設(shè)有用于減少水流狀態(tài)變化而引起渦旋和氣泡的裝置，所述的裝置由吸管陣列9而成；在水槽的尾部設(shè)有一個(gè)與其內(nèi)部連通的水箱116，水箱1、II里的水通過水泵在試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)；水箱II的底部設(shè)有一個(gè)電子天平，在透水路面模型4的上方設(shè)有一套用于測(cè)量流速場(chǎng)的粒子速度場(chǎng)儀；
[0036]水流(Q)隨后流經(jīng)設(shè)置在水槽中間部位近似模擬透水路面的結(jié)構(gòu)，一部分水流(Q1)經(jīng)透水路面滲透進(jìn)入下部的排水管，而其余水流(Q2)沿路面直接流入水箱。水箱里的水通過水泵在試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。
[0037]透水路面雨洪徑流近似實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置中的流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，利用PIV來測(cè)量瞬時(shí)二維流速場(chǎng)。Piv系統(tǒng)由激光片光源5、高速相機(jī)3、時(shí)序控制器和計(jì)算機(jī)。
[0038]所述的激光片光源5安裝在透水路面正上方，用于給透水路面附近的流場(chǎng)提供光源；所述的高速相機(jī)3安裝在透水路面的側(cè)面，用于拍攝透水路面上的流場(chǎng)情況；所述的時(shí)序控制器用于協(xié)調(diào)控制激光源與高速相機(jī)的拍攝；高速相機(jī)拍攝的圖像發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行流速場(chǎng)分析。
[0039]每次實(shí)驗(yàn)采集100組雙幀圖像，一組雙幀圖像的兩幀之間的時(shí)間是500 μ S。PIV使用的粒子的大小大約為50 μ m。
[0040]圖4所示為一組PIV得到的雙巾貞圖像的實(shí)例(流動(dòng)狀態(tài):入流流量Q = 6L/min,坡度 S0 = 0.0105)。
[0041]透水路面模擬裝置安裝在水槽中部(距離水槽上游端10cm處)，其結(jié)構(gòu)如圖2所
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[0042]透水路面模型4尺寸為201mmX30mmX9mm，由磁性不銹鋼小球組成，由2010個(gè)直徑為3mm的磁性不銹鋼球按立方體緊密堆積排列組成(孔隙率47.64%),透水路面4_1下是由化學(xué)纖維組成的透水層4-2，其下為帶孔4-3的塑料板4-6。在模型底部由支柱4-4支撐，并在下游端設(shè)置一根排水管將透水路面滲入的水流(Q1)排出水槽。水槽內(nèi)除去透水路面模型之外的塑料板上鋪有一層磁性小球，使上下游水槽和透水路面處于同一高度。
[0043]徑流流量的測(cè)量
[0044]水槽出水口放置的連通電腦的電子天平會(huì)連續(xù)記錄水箱質(zhì)量的變化，這樣就可以控制徑流的總流量(Q)和透水路面入滲流量(Q1):
[0045]Q = (πιΔ1-+1-ηιΔ1-) X 60/1000
[0046]式中(πιΔ?+1-πιΔ?)是每秒鐘水箱質(zhì)量的變化。因?yàn)殡娮犹炱降木仁?.0lg，所以流量測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.0009L/min。這種流量的測(cè)量方式可以提供很高的精度并且不會(huì)造成水頭損失。
[0047]透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置的試驗(yàn)方法，如下:
[0048]步驟(I)用電動(dòng)機(jī)調(diào)整透水路面模擬裝置的坡度。
[0049]步驟(2)打開水泵并將循環(huán)水注入恒定水頭箱，利用調(diào)節(jié)閥和電子天平調(diào)整入流流量和滲入流量。
[0050]步驟(3)待水流穩(wěn)定后,利用PIV系統(tǒng)測(cè)量流速場(chǎng)。
[0051]步驟(4)改變坡度、入流流量和滲入流量等變量，重復(fù)步驟I?3。
[0052]實(shí)例一:
[0053]本次試驗(yàn)選擇了四組坡度(Stl)來測(cè)試路面坡度對(duì)透水路面上雨洪徑流的影響，分別為:0.0035,0.0105,0.0175和0.0244，入流流量(Q)固定為6.001/min,入滲流量(Q1)為入流流量的5%。
[0054]圖4給出了不同坡度的透水路面徑流流速分布曲線。顯然，較大的坡度將導(dǎo)致在流體/透水路面界面處以及湍流流動(dòng)區(qū)域內(nèi)較高的流速。因此，透水路面設(shè)計(jì)時(shí)利用平緩坡及可以有效地減小暴雨徑流流速。根據(jù)圖4同樣可以得到不同坡度下的水深變化，試驗(yàn)所得到的水深都隨著坡度的增大而降低。
[0055]實(shí)例二:
[0056]本次試驗(yàn)選擇了四組入流流量(Q)來測(cè)試入流流量對(duì)透水路面上雨洪徑流的影響，分別為:3.20L/min, 4.50L/min, 6.0OL/min,和 6.80L/min,坡度固定為 0.0105，入滲流量(Q1)為入流流量的5%。
[0057]圖5給出了不同入流流量的透水路面徑流流速分布曲線，試驗(yàn)流速都隨著入流流量的增加而顯著的增加；根據(jù)圖5同樣可以得到不同的入流流量下水深隨入流流量的增大而增大的變化趨勢(shì)。
【權(quán)利要求】
1.一種透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置，其特征在于:包括一個(gè)水槽，在所述的水槽的底部設(shè)有一個(gè)能調(diào)節(jié)透水路面模型坡度的支撐，在所述的水槽內(nèi)設(shè)有一個(gè)透水路面模型，在透水路面模型的頭部和尾部設(shè)有延伸至水槽頭部和尾部的支撐板，在支撐板的底部設(shè)有排水管，且位于水槽入口位置的支撐板上設(shè)有用于減少水流狀態(tài)變化而引起渦旋和氣泡的裝置，所述的裝置由吸管陣列而成；在水槽的頭部設(shè)有一個(gè)與其內(nèi)部連通的恒定水頭的水箱I，在水槽的尾部設(shè)有一個(gè)與其內(nèi)部連通的水箱II，水箱1、II里的水通過水泵在試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)；在透水路面模型的上方設(shè)有一套用于測(cè)量流速場(chǎng)的粒子速度場(chǎng)儀。
2.如權(quán)利要求1所述的透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置，其特征在于:所述的粒子速度場(chǎng)儀，包括激光片光源、高速相機(jī)、時(shí)序控制器和計(jì)算機(jī)； 所述的激光片光源安裝在透水路面正上方，用于給透水路面附近的流場(chǎng)提供光源； 所述的高速相機(jī)安裝在透水路面的側(cè)面，用于拍攝透水路面上的流場(chǎng)情況； 所述的時(shí)序控制器用于協(xié)調(diào)控制激光源與高速相機(jī)的拍攝； 所述的計(jì)算機(jī)，用于對(duì)高速相機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行流速場(chǎng)分析。
3.如權(quán)利要求1所述的透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置，其特征在于:所述水槽的頭部與恒定水頭的水箱I之間連通的管路上設(shè)有調(diào)節(jié)閥。
4.如權(quán)利要求1所述的透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置，其特征在于:所述的水箱II的底部設(shè)有一個(gè)電子天平。
5.如權(quán)利要求1所述的透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置，其特征在于:所述的透水路面模型，包括由磁性不銹鋼球按立方體緊密堆積排列組成的透水路面，在所述的透水路面下是由化學(xué)纖維組成的透水層，透水層的下面是帶孔的支撐板。
6.如權(quán)利要求4所述的透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置，其特征在于:在所述的透水路面模型底部由支柱支撐，并在透水路面模型的下游端設(shè)置一根排水管將透水路面滲入的水流排出水槽。
7.如權(quán)利要求1所述的透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置，其特征在于:所述的透水路面模型尺寸為20ImmX 30mmX 9mm ;由2010個(gè)直徑為3mm的磁性不銹鋼球按立方體緊密堆積排列組成，其孔隙率47.64%。
8.如權(quán)利要求1所述的透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置，其特征在于:在透水路面模型的前、后兩端的支撐板上鋪有一層磁性小球，使上下游水槽和透水路面處于同一高度。
9.如權(quán)利要求1所述的透水路面雨洪徑流近似試驗(yàn)?zāi)M裝置，其特征在于:所述的吸管直徑為5mm,長(zhǎng)10cm。
【文檔編號(hào)】G01N15/08GK204116185SQ201420535082
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】張炯, 崔新壯, 侯飛, 黃丹, 湯濰澤 申請(qǐng)人:山東大學(xué)