申请/专利权人：西安建筑科技大学

申请日：2019-07-24

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN110308084B

主分类号：G01N15/08

分类号：G01N15/08

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2019.11.01#实质审查的生效;2019.10.08#公开

摘要：本发明公开了一种模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，包括有机玻璃容器、水平雨水径流模拟装置、降雨模拟装置以及压力传感器和数据采集装置。透水砖呈一定坡度置于有机玻璃容器内渗透区，出水区末端设有可调节透水砖表面雨水径流深度的高度可调式溢流孔；水平雨水径流模拟装置设有可调节雨水径流流量的阀门，降雨模拟装置设有可调节降雨强度的单片机控制系统，可对水平雨水径流模拟装置及降雨模拟装置中阀门进行启闭组合获取各种雨水径流环境。可根据透水砖内水头损失和渗透区出水量，利用达西定律计算透水砖的实时透水系数。本发明具有模拟真实雨水径流环境、可实时测量透水系数、构造简单、使用方便等优点。

主权项：1.模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，其特征在于，包括有机玻璃容器1、水平雨水径流模拟装置2、降雨模拟装置3以及压力传感器和数据采集装置4；其中，有机玻璃容器1内部被分为并排依次相连的进水区、渗透区和出水区，且进水区和出水区的底部在同一水平面上，渗透区的底部低于进水区和出水区的底部，进水区与渗透区之间以及渗透区与出水区之间均分别通过底部的穿孔花墙5连通，出水区末端设有高度可调的溢流孔6，渗透区底部设有出水口7；压力传感器和数据采集装置4包括两个压力传感器17和数据采集系统18；试验时，透水砖8设置在有机玻璃容器1的渗透区，具有预设的坡度，具体坡度值在典型的路面坡度区间选取；两个压力传感器17分别设置于透水砖8上侧和下侧，并与数据采集系统18相连，通过模数转换器连接在电脑，用来测量透水砖8两侧压力差，从而获得水头损失的数据；水平雨水径流模拟装置2用于提供模拟的水平雨水径流，降雨模拟装置3用于提供模拟的降雨，水平雨水径流能够由进水区经穿孔花墙5与降雨一同进入渗透区或单独进入渗透区，以模拟降雨中或降雨停止后的雨水径流环境，一部分穿过设置在渗透区的透水砖8渗透到渗透区底部，由出水口7流出，另一部分由出水区溢流孔6排出；水平雨水径流模拟装置2包括雨水径流储水器9、搅拌器10、水泵11和输水管12，搅拌器10用于对雨水径流储水器9中掺杂泥沙的雨水搅拌保证水中泥沙悬浮，进而经水泵11和输水管12输送到进水区；降雨模拟装置3包括雨水储水器15、水泵11、输水管12和喷水器16，雨水储水器15中的雨水由水泵11和输水管12输送到渗透区上部，经喷水器16喷洒到透水砖8上模拟降雨过程；渗透区进水和出水均采用穿孔花墙5，通过穿孔花墙5的面积来控制水平径流的流速，穿孔花墙5的孔眼直径d和数量n根据公式确定，A为孔眼总面积，m2；Q为经过孔眼的平均流量，m3s；d为单个孔眼直径，m；n为孔眼数量，个。

全文数据：模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置技术领域本发明属于雨水净化及循环利用技术领域，具体涉及一种可以模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，适用于透水砖透水、堵塞及其控制过程与效果的研究。背景技术铺装透水砖的透水路面在实际使用过程中经常会出现孔隙堵塞而造成透水性能衰减的问题，甚至有的路面会在几年时间内完全丧失透水性能。透水砖透水性能由透水系数表征，孔隙堵塞通常表现为透水系数的降低。现有透水砖的透水系数测试装置是由《透水路面砖与透水路面板》国家标准GBT25993-2010给出，只能固定地测量某透水砖在纯水条件下的透水系数，且不能实时测量透水砖的透水系数。实际的雨水径流中一般均含有不同浓度的泥沙等固体悬浮物质，雨水径流通过透水砖下渗时，部分泥沙等固体悬浮物质会被截留在透水砖表面和内部，引起透水砖的透水性能下降，即透水砖堵塞，需要实时测量透水砖的透水系数，以评估透水砖在实际的不同雨水径流条件下的透水性能。针对普遍存在的透水砖堵塞问题，需要采取表面清扫、高压水枪冲洗和真空负压抽吸等方法清理透水砖截留的固体悬浮物质，或采用改进透水砖表面亲水及疏水性、优化透水砖孔隙结构等方法从源头上减缓透水砖堵塞；但这些方法对透水砖透水性能的改善情况如何，也需要通过实时测量透水砖透水系数来评判。虽有文献报道了一种可以实时记录透水混凝土渗透系数变化的装置崔新壮等，中国公路学报，2016，2910：1-11+19，但其不能真正模拟实际的雨水径流环境条件，主要表现为：1它采用的透水混凝土为水平铺装，与实际的坡度路面不符；2它采用不同的叶片转速来产生不同的雨水径流流速，这种雨水径流是水平旋转的无重力坡度的水流，与实际的雨水径流条件不符，实际的雨水径流是基于一定路面坡度的水平重力流；3它仅通过雨水喷头进行固定水量的喷洒来模拟降雨环境，而实际的降雨强度按一定的雨型而不断变化，并且降雨中和降雨停止后的路面雨水径流也一般都会存在，导致该装置无法模拟真实的降雨及雨水径流环境，会使试验结果的代表性欠缺，不能被真正有效用来指导实际应用。发明内容本发明的目的是针对现有的透水砖工作环境模拟和实时透水系数测量装置的不足，提供了一种可以模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置。该装置主要功能包括：模拟实际降雨过程中透水砖真实工作环境及地面雨水径流通过透水砖的向下入渗过程；同步实时检测透水砖上、下表面之间的压力水头及透水砖透过水量的变化情况。本发明采取如下技术方案予以实现的：模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，包括有机玻璃容器、水平雨水径流模拟装置、降雨模拟装置以及压力传感器和数据采集装置；其中，有机玻璃容器内部被分为并排依次相连的进水区、渗透区和出水区，且进水区和出水区的底部在同一水平面上，渗透区的底部低于进水区和出水区的底部，进水区与渗透区之间以及渗透区与出水区之间均分别通过底部的穿孔花墙连通，出水区末端设有高度可调的溢流孔，渗透区底部设有出水口；压力传感器和数据采集装置包括两个压力传感器和数据采集系统；试验时，透水砖设置在有机玻璃容器的渗透区，具有预设的坡度，具体坡度值在典型的路面坡度区间选取；两个压力传感器分别设置于透水砖上侧和下侧，并与数据采集系统相连，通过模数转换器连接在电脑，用来测量透水砖两侧压力差，从而获得水头损失的数据；水平雨水径流模拟装置用于提供模拟的水平雨水径流，降雨模拟装置用于提供模拟的降雨，水平雨水径流能够由进水区经穿孔花墙与降雨一同进入渗透区或单独进入渗透区，以模拟降雨中或降雨停止后的雨水径流环境，一部分穿过设置在渗透区的透水砖渗透到渗透区底部，由出水口流出，另一部分由出水区溢流孔排出。本发明进一步的改进在于，进水区、渗透区和出水区等宽设置。本发明进一步的改进在于，还包括储水器，由渗透区出水口流出的水和由出水区溢流孔排出的水均收集到储水器中。本发明进一步的改进在于，水平雨水径流模拟装置包括雨水径流储水器、搅拌器、水泵和输水管，搅拌器用于对雨水径流储水器中掺杂泥沙的雨水搅拌保证水中泥沙悬浮，进而经水泵和输水管输送到进水区。本发明进一步的改进在于，水平雨水径流模拟装置的输水管上还设置有阀门和流量计。本发明进一步的改进在于，降雨模拟装置包括雨水储水器、水泵、输水管和喷水器，雨水储水器中的雨水由水泵和输水管输送到渗透区上部，经喷水器喷洒到透水砖上模拟降雨过程。本发明进一步的改进在于，降雨模拟装置的输水管上还设置有阀门和流量计，阀门开启度通过基于单片机控制的系统来实现不同降雨历时下的降雨强度。本发明进一步的改进在于，在有机玻璃容器渗透区放置透水砖时，采用凡士林和橡胶圈对透水砖四周进行固定。本发明进一步的改进在于，渗透区进水和出水均采用穿孔花墙，通过穿孔花墙的面积来控制水平径流的流速，穿孔花墙的孔眼直径d和数量n根据公式确定，A为孔眼总面积，m2；Q为经过孔眼的平均流量，m3s；d为单个孔眼直径，m；n为孔眼数量，个。本发明具有如下有益的技术效果：本发明提供的可以模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，将透水砖以一定的坡度放置在渗透区，以模拟实际的透水砖路面铺装环境，将其固定后开始实验。利用搅拌器搅拌雨水径流储水器中的模拟路面雨水，使水中固体悬浮物质悬浮以模拟固体悬浮物质均匀分布的地面雨水，经水泵输送到进水区，然后利用穿孔花墙进出水模拟地面雨水径流冲刷透水砖；利用搅拌器搅拌大气降雨储水器中的模拟大气降雨，使水中固体悬浮物质悬浮以模拟固体悬浮物质均匀分布的大气降雨，用喷水器喷洒模拟降雨；具有模拟透水砖实际真实工作环境的优点，且本发明可测得不同工作环境下透水砖的实时透水系数。此外，可以通过调节出水区末端的溢流孔的高度，获取渗透区透水砖表面不同的雨水径流深度。进一步，可以根据不同雨型降雨强度随降雨历时的变化规律，利用基于单片机控制的阀门开启度变化，获取固定路面面积上的降雨量，提高了不同雨型降雨环境的模拟应用范围。进一步，可以通过单独开启降雨模拟装置中进水管阀门，以模拟降雨初期、路面未产生雨水径流时透水砖的工作环境；可以通过同时开启雨水径流模拟装置和降雨模拟装置中进水管阀门，以模拟连续降雨、路面产生雨水径流时透水砖的工作环境；可以单独开启雨水径流模拟装置中进水管阀门，以模拟降雨结束后、路面产生雨水径流时透水砖的工作环境，提高了对不同降雨时期、路面雨水径流条件下透水砖的实际工作环境的真实模拟。进一步，透水砖上下两侧的压力传感器可以快速的将传感信号输送到数据采集系统经电脑分析后得到透水砖两侧的压力差，同时通过超声波流速传感器测得出水管流速，进而得到流量。渗透系数由达西定律计算得到：式中：kT——水温为T℃时的透水系数，cms；q——t秒内渗出水量，mL；L——试样的厚度，cm；A——试样上表面的面积，cm2；H——试样上、下两侧的压力差即透水砖内水头损失，cm；t——时间，s。进一步，利用凡士林和橡胶圈将透水砖固定，待凡士林干燥后开始一种雨水径流条件下的实验；实验结束后，可取出透水砖，采用其他透水砖进行类似实验。综上所述，本发明提供的一种可以模拟透水砖在真实工作环境下实时测量透水系数变化的装置，具有模拟真实环境、可实时测量透水系数的优点；且构造简单、便于维修与实验。附图说明图1为本发明模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置示意图。附图标记说明：1-有机玻璃容器，2-水平雨水径流模拟装置，3-降雨模拟装置，4-压力传感器和数据采集装置，5-穿孔花墙，6-溢流孔，7-出水口，8-透水砖，9-径流雨水储水器，10-搅拌器，11-水泵，12-输水管，13-阀门，14-流量计，15-雨水储水器，16-喷水器，17-压力传感器，18-数据采集系统，19-凡士林和橡胶圈，20-基于单片机的阀门开启度控制系统。具体实施方式下面结合附图对本发明做出进一步的详细描述。如图1所示，本发明提供的模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，包括有机玻璃容器1、水平雨水径流模拟装置2、大气降雨模拟装置3以及压力传感器和数据采集装置4。有机玻璃容器1由有机玻璃制成的方形容器，厚度为4-5mm，用玻璃胶粘合在一起，分为等宽并排依次相连的进水区、渗透区和出水区三部分，中间渗透区底面低于进水区和出水区30cm左右，用于呈一定坡度放置的透水砖8进行渗透试验，底部留有出水口7连接输水管，把渗透过的水排入储水器19中，管上安装流量计14。放置的透水砖8用凡士林和橡胶圈进行固定。进水区和渗透区、渗透区和出水区之间用穿孔花墙5相连，穿孔花墙的孔眼大小和数量根据公式确定A为孔眼总面积，cm2；Q为经过孔眼的平均流量，m3s；d为单个孔眼直径，cm；n为孔眼数量，个，孔眼大小可设置直径d＝1cm。水平雨水径流模拟装置2由雨水径流储水器9、搅拌器10、水泵11、输水管12、阀门13和流量计14组成；储水器中掺杂泥沙的雨水在搅拌器的作用下保证水中泥沙悬浮，经水泵输送到进水区，再流经渗透区，以模拟不同的路面雨水径流过程。降雨模拟装置3由大气降雨储水器15、水泵11、输水管12、阀门13、流量计14和喷水器16组成；大气降雨储水器中的雨水由水泵输送到渗透区上部，经喷水器16喷洒到透水砖8上模拟不同的大气降雨过程。雨水径流储水器9中的雨水是掺有泥沙等固体悬浮物质的水，用来模拟真实环境下的路面雨水径流，雨水径流储水器9中的搅拌器10用来保证泥沙等固体悬浮物质的悬浮。径流雨水通过水泵11加压经输水管12送到有机玻璃容器1的进水区，输水管12上安装有阀门13和流量计14，阀门用来控制流量大小；经穿孔花墙5流入渗透区，一部分经过透水砖8渗透到储水器19中，另一部分从另一侧穿孔花墙5流入出水区，累积一定容量后，从溢流口6排出。大气降雨储水器15中的水用于模拟降雨过程，经水泵11加压后，由输水管12输送到渗透区上方，经过喷水器16喷洒模拟降雨过程；输水管12上安装有阀门13和流量计14，阀门用来控制流量大小，具体通过输水管上安装有阀门13和流量计14，阀门用来控制流量大小，阀门的不同开启度具体通过基于单片机的阀门开启度控制系统20来实现，以模拟不同降雨历时下的降雨强度，流量计用来测量管中实时通过的流量。通过调节出水区末端的溢流孔6的高度，获取渗透区透水砖表面不同的雨水径流深度。渗透过程中，渗透区液面升高，在透水砖8上下侧分别安装两个压力传感器17用来测量两侧压力差，传感数据经数据采集系统18分析后得出结果。在模拟雨水径流过程中，可以仅打开大气降雨模拟系统3中输水管12上的阀门13，以模拟大气降雨初期无路面雨水径流的环境；可以同时打开水平雨水径流系统2中输水管12上的阀门13和大气降雨模拟系统3中输水管12上的阀门13，以模拟大气降雨持续一段时间后有路面雨水径流的环境；也可以仅打开水平雨水径流系统2中输水管12上的阀门13，以模拟大气降雨停止后有路面雨水径流的环境。本发明通过穿孔花墙5来保证路面雨水径流平稳地通过透水砖表面，可以模拟真实环境下的雨水冲刷过程，同时可根据要求调整流速与流量。采用压力传感器17与流量计结合，运用数据采集系统18实时测出渗透系数。

权利要求：1.模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，其特征在于，包括有机玻璃容器1、水平雨水径流模拟装置2、降雨模拟装置3以及压力传感器和数据采集装置4；其中，有机玻璃容器1内部被分为并排依次相连的进水区、渗透区和出水区，且进水区和出水区的底部在同一水平面上，渗透区的底部低于进水区和出水区的底部，进水区与渗透区之间以及渗透区与出水区之间均分别通过底部的穿孔花墙5连通，出水区末端设有高度可调的溢流孔6，渗透区底部设有出水口7；压力传感器和数据采集装置4包括两个压力传感器17和数据采集系统18；试验时，透水砖8设置在有机玻璃容器1的渗透区，具有预设的坡度，具体坡度值在典型的路面坡度区间选取；两个压力传感器17分别设置于透水砖8上侧和下侧，并与数据采集系统18相连，通过模数转换器连接在电脑，用来测量透水砖8两侧压力差，从而获得水头损失的数据；水平雨水径流模拟装置2用于提供模拟的水平雨水径流，降雨模拟装置3用于提供模拟的降雨，水平雨水径流能够由进水区经穿孔花墙5与降雨一同进入渗透区或单独进入渗透区，以模拟降雨中或降雨停止后的雨水径流环境，一部分穿过设置在渗透区的透水砖8渗透到渗透区底部，由出水口7流出，另一部分由出水区溢流孔6排出。2.根据权利要求1所述的模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，其特征在于，进水区、渗透区和出水区等宽设置。3.根据权利要求1所述的模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，其特征在于，还包括储水器19，由渗透区出水口7流出的水和由出水区溢流孔6排出的水均收集到储水器19中。4.根据权利要求1所述的模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，其特征在于，水平雨水径流模拟装置2包括雨水径流储水器9、搅拌器10、水泵11和输水管12，搅拌器10用于对雨水径流储水器9中掺杂泥沙的雨水搅拌保证水中泥沙悬浮，进而经水泵11和输水管12输送到进水区。5.根据权利要求4所述的模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，其特征在于，水平雨水径流模拟装置2的输水管12上还设置有阀门13和流量计14。6.根据权利要求1所述的模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，其特征在于，降雨模拟装置3包括雨水储水器15、水泵11、输水管12和喷水器16，雨水储水器15中的雨水由水泵11和输水管12输送到渗透区上部，经喷水器16喷洒到透水砖8上模拟降雨过程。7.根据权利要求6所述的模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，其特征在于，降雨模拟装置3的输水管12上还设置有阀门13和流量计14，阀门开启度通过基于单片机控制的系统来实现不同降雨历时下的降雨强度。8.根据权利要求1所述的模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，其特征在于，在有机玻璃容器1渗透区放置透水砖8时，采用凡士林和橡胶圈对透水砖8四周进行固定。9.根据权利要求1所述的模拟透水砖真实工作环境及透水系数变化的实时测量装置，其特征在于，渗透区进水和出水均采用穿孔花墙5，通过穿孔花墙5的面积来控制水平径流的流速，穿孔花墙5的孔眼直径d和数量n根据公式确定，A为孔眼总面积，m2；Q为经过孔眼的平均流量，m3s；d为单个孔眼直径，m；n为孔眼数量，个。

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