透水路面孔隙堵塞演化及其渗流特征与机制研究

Permeable pavements are being adopted as a green solution in many parts of the world to manage urban stormwater. It is very important to further clarify the clogging mechanism, water flow mechanism in road structures and its ydrological characteristics for analyzing the hydrological benefits of permeable pavements. This project aims to quantify the clogging process, developing a fully coupled flow model and a water balance model for well understanding the hydrological characteristics of permeable pavement. In this study, a time-depended K value model is established by pore clogging simulation test, CT scanning technical and image processing for developing a dynamic clogging model, which provides to blockage the clogging process and rebuilding the three-dimensional pore structure of the permeable pavements. Establishment of the fully coupled flow analysis model and the water balance model will be conducted based on the computational fluid dynamics and rainfall simulation test. The relationship between infiltration and outflow of rainwater could be clarified. The final goal of the research is to analyze the hydrological benefits of permeable pavement accurately, and provide technical support for the sponge city and the recycling of water resources.

透水路面是改善暴雨时路面积水、提高水资源循环利用的一种有效措施。目前完整有效地解释其堵塞机制和渗流特征的应用模型相对较少，影响了对透水路面水文效益的准确分析，阻碍其实际应用。该项目拟针对全透水路面的堵塞机理、全耦合渗流建模与水量平衡分析展开研究。采用理论分析与实践论证相结合的方法，阐明异常降雨条件下透水路面结构中雨水的渗、滞、蓄、排等特点及其相关关系。利用孔隙堵塞动态模拟实验，以及CT扫描与图像数字处理技术重构三维孔隙结构，以离散元模型模拟颗粒运动还原透水孔隙的堵塞过程，建立时变K值递减模型。以流体动力学和供求均衡理论为依据，结合计算流体力学和降雨模拟实验，建立全耦合渗流模型与水量平衡模型，阐明异常降雨条件下全透水路面的渗流特征与机理，提出评价透水路面水文效益的综合指标。最终达到可以准确地分析全透水路面水文效益的目的，为海绵城市的建设和水资源的循环利用提供技术支持。

透水路面是改善暴雨时路面积水、提高水资源循环利用的一种有效措施。目前完整有效地解释其堵塞机制和渗流特征的应用模型相对较少，影响了对透水路面水文效益的准确分析。该项目采用理论分析与实践论证相结合的方法，对雨水在路面结构中的“渗、滞、蓄、排”等水文特征进行相关研究。首先，通过力学建模和孔隙堵塞动态模拟实验等手段演化了孔隙堵塞过程。其次，利用扩展有限元法对不规则孔隙结构下雨水的渗流过程进行模拟，完成了透水路面全耦合渗流分析模型的构建。最后，提出了一个可以评价透水路面水文效益的综合评价指标，比较不同结构透水路面结构水文效益的差异。.研究结果表明：（1）堵塞颗粒粒径大小、堵塞颗粒质量大小和雨水渗流流速对透水路面堵塞影响显著，较小粒径的堵塞颗粒，更容易造成透水混凝土内部孔隙整体的堵塞。堵塞颗粒质量的增多，会提升透水混凝土内部深层的堵塞程度。随着雨水渗流强度的增加，透水混凝土内部深层结构的堵塞颗粒面积逐渐增多，但颗粒堵塞仍集中表面以下至30mm深度区间。（2）透水混凝土材料的骨料粒径、有效孔隙率以及雨水渗流速度都会对透水混凝土路面的透水性能产生影响。当骨料粒径为5mm—10mm时，其透水性能最好。透水混凝土的雨水渗透速度与孔隙率呈正相关性。但是随着透水混凝土孔隙率的增大，其抗压能力也在减小。随着雨水渗流速度的增加，透水混凝土路面的透水性能逐渐减小。且当降雨等级为暴雨以上时，将会出现雨水溢流现象。（3）该研究中提出的透水路面水文效益评价方法可以有效评价透水路面的水文特征。孔隙率较高的材料产生的启动延迟较短，层越厚，启动延迟效应越大。无论降雨强度如何，透水路面都有大约10分钟的延迟效应。研究表明，可以通过材料特性的评价间接估算透水路面最大蓄水量。研究成果对改善透水路面使用寿命过短的现状，为海绵城市的建设和水资源的循环利用提供技术支持。