本发明属于道路材料工程领域，具体涉及一种评价和表征透水路面渗透特性方法。
背景技术：
透水路面是城市雨水管理的常见解决方案，路面上的多孔区域允许水渗入地下层，减少地表径流，并通过补给地下水维持该区域的自然水文功能，降低城市基础设施对环境的影响。在透水路面的设计中，良好的渗透功能是透水路面的一个重要指标。透水路面不仅要在设计和施工时具有较高的表面流动率，还必须在整个设计使用寿命中保持其大部分原有的流动能力。因此，有必要对新建渗水路面的初始渗滤率进行测量，并继续监测其在使用过程中的变化趋势。为了评估透水路面的渗透性，在实际工程中，采用了多种不同的试验方法及指标来评价透水性路面的表面渗透性能，导致不同试验方法测得的实验结果不能直接比较。同时，目前大多试验方法均基于达西层流假设，即流速与水力梯度的线性关系，但多孔材料中的实际流动并不是层流的，因此，这种层流假设可能会影响透水材料的实际渗透能力。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种评价及表征透水路面渗透特性方法，采用渗透系数作为渗透性能评价指标，解决了目前不同机构及研究学者表征透水路面渗透能力不一致的问题，提出渗透系数作为渗透能力的表征指标，并提供流动时间、流速两个相关指标作为参考。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种评价和表征透水路面渗透特性方法，包括以下步骤：
步骤1，确定新建或现役透水路面联锁块的平面几何尺寸，确定联锁块的排列规则及基层材料；
步骤2，基于所述透水路面联锁块的平面几何尺寸、联锁块的排列规则及基层材料，采用实验方法得到透水路面结构渗透系数和基层材料渗透系数；
步骤3，基于所述透水路面联锁块的平面几何尺寸、联锁块的排列规则及基层材料，根据所述实验方法的实验条件以及所述基层材料渗透系数，通过ansys-fluent建立cfd仿真模型，运行不同情况下的仿真模型，得到透水路面结构渗透系数的模拟结果，对比所述模拟结果和步骤2所得透水路面结构渗透系数，两者差别在设定范围内时，则模型有效，反之，调节模型参数，直至所述模拟结果和步骤2所得透水路面结构渗透系数的差别在设定范围内；得到透水路面的有限元仿真渗透模型；
步骤4，根据步骤2所述的实验方法，采用现场原位实验测实际路面结构渗透系数，同时得到设定水头变化范围的水流动时间及平均流速；
步骤5，根据现场原位渗透实验条件，采用步骤3所述方法构建cfd有限元模型，设定实际路面基层及接缝材料的渗透系数并运行cfd有限元模型，得到基于仿真分析的渗透系数；判断仿真分析和基于步骤4所述实验得到的渗透系数差异性，若满足误差要求，得到基层及接缝材料的实际渗透系数，并根据仿真模型运行结果评估实际透水路面表面渗透性能，同时通过该模型可预估不同降雨条件下(即不同径流深度)透水路面的渗透能力。
步骤2中，实验方法所用装置具体包括控制器、激光仪以及渗水管，激光仪连接控制器的输入端，控制器的输出端连接电脑，进行数据采集，并设置控制器开关，激光仪设置在渗水管内部，渗水管的顶部设置支架，激光仪通过悬挂杆与支架连接，渗水管顶端开口，用于放置支架，渗水管放置在透水路面顶部，透水路面由联锁块与基层材料组成。
步骤2中，进行室内透水路面渗透实验：
采用所述实验装置进行渗透实验，通过向渗水管注水给定初始水头高度，打开控制器并通过激光测距仪记录水头随时间的变化，并根据修正达西定律v＝k*in确定测试条件下透水路面的实际渗透系数，得到给定水头变化范围的水流动时间，其中，v为水的流速，mm/s；k为修正的达西渗透系数，mm/s；i为水力梯度，mm/mm。
步骤3中，根据步骤2所述实验装置的几何参数，通过ansys-fluent建立cfd仿真模型；
设置出入口边界条件类型，输入基层材料渗透系数值；
运行不同条件下的仿真模型，得到透水路面结构渗透系数的模拟结果，对比所述模拟结果和步骤2所得透水路面结构渗透系数，两者差别在设定范围内时，则模型有效，反之，调节模型参数，直至所述模拟结果和步骤2所得透水路面结构渗透系数的差别在设定范围内；得到透水路面的有限元仿真渗透模型。
步骤2中所用实验装置为简化实验装置，实验装置尺寸满足至少一个单元排列模式即可。
步骤2中，为控制实验所需变量，所述联锁块均为不透水砖块。
步骤2中，所述渗水管为圆柱形渗水管，位移传感器精度为0.01mm。
步骤2中，至少设定三个测试位置进行渗水实验。
步骤2中，基层材料采用级配砂材料。
步骤3中，仿真模型进出口边界条件为压力入口和压力出口。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提出一种评价和表征透水路面渗透特性方法，综合比较现有渗透功能的评价指标，采用渗透系数作为表征指标，并通过修正达西定律进行表面渗透性能评估，更为符合水流在多孔结构的渗透规律；构建透水路面的数值仿真模型，并通过室内透水路面模型的试验结果验证了该方法的合理性以及适用性，可作为预测透水路面渗透性能的有效测量工具，所述模型可用于反算透水路面材料的有效渗透系数，可预估重复铺设模式透水性路面中单个单元面板的表面流动能力，以间接评价整个透水路面更加真实的渗透能力。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是室内试验平台装置图；
图3a是室内试验测试第一位置示意图；图3b是室内试验测试第二位置示意图；图3c是室内试验测试第三位置示意图；
图4是级配砂渗透系数测试结果图；
图5是有限元仿真模型边界条件示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
参考图1，(1)选定透水路面结构参数
本实例选定不透水长方体联锁块，路面结构平面尺寸为450mm×450mm，基层材料选定为级配砂材料，具体排列规则参考图2和图5；
(2)室内渗透实验平台的搭建
根据步骤(1)的几何参数搭建室内实验平台，透水路面四周通过厚度为10mm的木板进行固定，实验装置如图2所示，实验方法所用装置具体包括控制器1、激光仪3以及渗水管4，激光仪3连接控制器1的输入端，控制器的输出连接电脑2，进行数据采集，并设置控制器开关，激光仪3设置在渗水管4内部，渗水管4的顶部设置支架5，激光仪3通过悬挂杆与支架5连接，渗水管4顶端开口，用于放置支架5，渗水管5放置在透水路面顶部，透水路面由联锁块6与基层材料7组成。
(3)进行室内透水路面渗透实验
①由步骤(2)确定的实验平台进行渗透实验，向渗透管注水，打开控制器并通过激光测距仪记录水头高度随时间的变化，初始水头设定为150mm，并根据修正达西定律v＝k*in确定测试条件下透水路面的实际渗透系数，其中，v为水的流速，mm/s；k为修正的达西渗透系数，mm/s；i为水力梯度，mm/mm。实验选定三个测点进行实验，测点位置如图3a、图3b和图3c所示。本实例提供115mm～45mm水头变化范围内的流动时间及流速作为参考；
②由步骤(2)确定的实验平台测试基层材料砂的渗透系数，实验结果如图4所示，本次实验测得的砂的渗透系数值为20.97mm/s；
(4)有限元仿真渗透模型的构建与校核
由步骤(2)确定的室内实验平台几何参数，通过ansys-fluent建立cfd仿真模型；设置压力出入口边界条件，模型边界条件如图5；设置级配砂材料渗透系数值为20.97mm/s；根据图3a、图3b以及图3c，运行不同测试位置下的仿真模型，得到仿真实验数据，包括透水路面结构渗透系数，水流动时间及平均流速(水头高度变化范围为115mm～45mm)，并与步骤(3)所得的实验结果进行对比分析，结果如表1、表2所示，误差较小，该模型可用于后续透水路面表面渗透能力预估分析；
表1不同位置下路面渗透系数的仿真值与实验值误差分析
表2不同位置下流动时间及流速的仿真值与实验值误差分析
(5)透水路面表面渗透能力预估
对于具有重复铺装模式的透水路面，当在覆盖足够多重复铺装模式的足够大的面积上进行渗透试验时，其单位面积的渗透能力将趋近于一个定值。本实例针对单个及九个透水循环模块进行渗透仿真实验，测试渗流面积分别为440mm×440mm及1320mm×1320mm，其中参考径流深度选择为25mm，并预估不同测试条件下的渗透能力，包括有效渗透系数，流动时间及流速，仿真结果无明显差别(见表3)，表明利用常规渗透试验的实测数据，本发明中基于单元铺装模式模拟模型分析的反算方法能够获得透水路面的整体流动能力。综上，透水路面渗透能力综合评估如表3所示。
表3本实例下透水路面渗透能力表
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明权利要求保护的范围。
1.一种评价和表征透水路面渗透特性方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定新建或现役透水路面联锁块的平面几何尺寸，确定联锁块的排列规则及基层材料；
步骤2，基于所述透水路面联锁块的平面几何尺寸、联锁块的排列规则及基层材料，采用实验方法得到透水路面结构渗透系数和基层材料渗透系数；
步骤3，基于所述透水路面联锁块的平面几何尺寸、联锁块的排列规则及基层材料，根据所述实验方法的实验条件以及所述基层材料渗透系数，通过ansys-fluent建立cfd仿真模型，运行不同情况下的仿真模型，得到透水路面结构渗透系数的模拟结果，对比所述模拟结果和步骤2所得透水路面结构渗透系数，两者差别在设定范围内时，则模型有效，反之，调节模型参数，直至所述模拟结果和步骤2所得透水路面结构渗透系数的差别在设定范围内；得到透水路面的有限元仿真渗透模型；
步骤4，根据步骤2所述的实验方法，采用现场原位实验测实际路面结构渗透系数，同时得到设定水头变化范围的水流动时间及平均流速；
步骤5，根据现场原位渗透实验条件，采用步骤3所述方法构建cfd有限元模型，设定实际路面基层及接缝材料的渗透系数并运行cfd有限元模型，得到基于仿真分析的渗透系数；判断仿真分析和基于步骤4所述实验得到的渗透系数差异性，若满足误差要求，得到基层及接缝材料的实际渗透系数，并根据仿真模型运行结果评估实际透水路面表面渗透性能，同时通过该模型预估不同降雨条件下透水路面的渗透能力。
2.根据权利要求1所述的评价和表征透水路面渗透特性方法，其特征在于，步骤2中，实验方法所用装置具体包括控制器(1)、激光仪(3)以及渗水管(4)，激光仪(3)连接控制器(1)的输入端，控制器(1)的输出端连接电脑(2)，进行数据采集，并设置控制器开关，激光仪(3)设置在渗水管(4)内部，渗水管(4)的顶部设置支架(5)，激光仪(3)通过悬挂杆与支架(5)连接，渗水管(4)顶端开口，用于放置支架(5)，渗水管(5)放置在透水路面顶部，透水路面由联锁块(6)与基层材料(7)组成。
3.根据权利要求1所述的评价和表征透水路面渗透特性方法，其特征在于，步骤2中，进行室内透水路面渗透实验：
采用所述实验装置进行渗透实验，通过向渗水管注水给定初始水头高度，打开控制器并通过激光测距仪记录水头随时间的变化，并根据修正达西定律v＝k*in确定测试条件下透水路面的实际渗透系数，得到给定水头变化范围的水流动时间，其中，v为水的流速，mm/s；k为修正的达西渗透系数，mm/s；i为水力梯度，mm/mm。
4.根据权利要求1所述的评价和表征透水路面渗透特性方法，其特征在于，步骤3中，根据步骤2所述实验装置的几何参数，通过ansys-fluent建立cfd仿真模型；
设置出入口边界条件类型，输入基层材料渗透系数值；
运行不同条件下的仿真模型，得到透水路面结构渗透系数的模拟结果，对比所述模拟结果和步骤2所得透水路面结构渗透系数，两者差别在设定范围内时，则模型有效，反之，调节模型参数，直至所述模拟结果和步骤2所得透水路面结构渗透系数的差别在设定范围内；得到透水路面的有限元仿真渗透模型。
5.根据权利要求1所述的评价和表征透水路面渗透特性方法，其特征在于，步骤2中所用实验装置为简化实验装置，实验装置尺寸满足至少一个单元排列模式即可。
6.根据权利要求1所述的评价和表征透水路面渗透特性方法，其特征在于，步骤2中，为控制实验变量，所述联锁块均为不透水砖块。
7.根据权利要求1所述的评价和表征透水路面渗透特性方法，其特征在于，步骤2中，所述渗水管为圆柱形渗水管，位移传感器精度为0.01mm。
8.根据权利要求1所述的评价和表征透水路面渗透特性方法，其特征在于，步骤2中，至少设定三个测试位置进行渗水实验。
9.根据权利要求1所述的评价和表征透水路面渗透特性方法，其特征在于，步骤2中，基层材料采用级配砂材料。
10.根据权利要求1所述的评价和表征透水路面渗透特性方法，其特征在于，步骤3中，仿真模型进出口边界条件为压力入口和压力出口。
技术总结