黃中文，胡 力，劉紅燕

(1.廣西壯族自治區(qū)公路發(fā)展中心，廣西 南寧 530028；2.重慶渝湘復(fù)線高速公路有限公司，重慶 武隆 408500；3.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 南岸 400074)

0 引言

近些年隨著城市化步伐的加快，硬化的城市路面占據(jù)了城市地表的極大面積，天然的水循環(huán)過程改變，形成了生態(tài)學(xué)上的“人造沙漠”[1-3]。在降雨期間，雨水僅依靠有限的地下管道排出，遇上極端暴雨天氣，便出現(xiàn)城市里看海的“城市內(nèi)澇”，同時城市地下水長期得不到有效補充，會增加地面出現(xiàn)沉陷的風(fēng)險[4-6]。為改變上述問題，透水路面主要結(jié)構(gòu)透水磚應(yīng)運而生，但使用過程中泥沙和污染物的堵塞使其透水性能下降很快，大大縮短了其使用年限，降低社會效益。通常透水磚堵塞過程在內(nèi)部發(fā)生，堵塞分布與路徑無法用常規(guī)的方法進行觀察。因此采用有效的方法和手段對孔隙堵塞問題進行深入的研究和分析，揭示堵塞規(guī)律，有針對性地采用措施延長壽命非常有必要。

微觀透射成像及數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，為研究透水混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及水流路徑提供了更多的可能性。Chung[7]等使用斷層掃描(CT)對透水混凝土的孔隙空間分布進行成像，并用低階概率函數(shù)重構(gòu)透水混凝土孔隙分布模型，研究結(jié)果顯示重構(gòu)模型與原始CT成像表現(xiàn)統(tǒng)計特征幾乎完全相同。張躍榮[8]將多孔磚內(nèi)部孔隙尺度上的各種物理過程以及達西尺度的宏觀平均性質(zhì)聯(lián)系在一起，建立規(guī)則堆積多孔介質(zhì)模型，進行微尺度滲流模擬，研究壓差驅(qū)動下多孔介質(zhì)內(nèi)部滲流機理，得出合適的多孔磚滲流性能預(yù)測模型。Pieralisi[9]等對透水混凝土路面的滲透系數(shù)進行數(shù)值模擬評估，開發(fā)了基于流體離散軟件分析透水混凝土的模型，研究成果顯示流體離散模型能考慮流體材料變量來預(yù)測滲透系數(shù)；通過建立高級數(shù)值模型來構(gòu)建混合物的內(nèi)涵和加快生產(chǎn)過程，準(zhǔn)確評估滲透過程從而節(jié)約資源。李莉[10]首創(chuàng)性利用透明聚丙烯酸鈉球材質(zhì)小球組成的堆積體替代不透明的透水路面，從而觀察到“透水路面”內(nèi)部實時堵塞進程，通過分析堵塞顆粒在透水路

面某位置處的堵塞發(fā)展演變過程，得出透水路面沿深度方向的顆粒體積占比和堵塞發(fā)展速度，統(tǒng)計堵塞最終穩(wěn)定狀態(tài)時顆粒坐標(biāo)信息得到的各層堵塞顆粒占比，揭示透水路面堵塞發(fā)展?fàn)顩r和堵塞機理。馬國棟[11]采用CT斷層掃描技術(shù)，采用特征參數(shù)對透水混凝土路面的內(nèi)部孔隙進行表征，重構(gòu)透水混凝土空間數(shù)值模型，并采用仿真模擬再現(xiàn)透水混凝土連通孔隙堵塞過程演化。

本文針對這一問題研究兩種常見的透水磚，分別為普通混凝土透水磚(主體為大孔隙透水混凝土)，雙層砂基透水磚，下層采用透水混凝土，上層以風(fēng)積沙為骨料由環(huán)氧樹脂粘結(jié)復(fù)合而成。本文采用流動動力學(xué)分析軟件Fluent與流體顆粒分析軟件EDEM進行耦合來模擬透水磚的孔隙堵塞問題，此方法同時考慮了物體泥沙或污染顆粒與水流之間、固體顆粒之間、固體顆粒與透水磚模型之間的相互作用，同時也能模擬水流攜帶入滲過程中在兩種透水磚中的滯留軌跡及水流滲透通道，揭示該復(fù)雜運動的演化規(guī)律，得出驅(qū)動透水磚孔隙堵塞的機理。

1 FLU-EDEM數(shù)值模擬方法與參數(shù)

1.1 FLU-EDEM耦合方法

FLU-EDEM耦合方法如圖1所示。該耦合模型同時實現(xiàn)水流下滲和顆粒堵塞兩個過程，這兩個功能分別由Fluent單元和EDEM單元來模擬實現(xiàn)，在Fluent單元體中，根據(jù)實體假定一個步長時間用于流場的計算以模擬水流下滲；在EDEM單元體中，以Fluent單元體中假設(shè)的步長為基礎(chǔ)，計算假定粒徑組成的顆粒受力，得到每個顆粒當(dāng)前的位置和受力狀態(tài)，把這些位置和受力參數(shù)重新傳回Fluent單元體，進行動態(tài)位置與速度的更新，兩者以假定的質(zhì)量、動量和能量傳遞，實現(xiàn)動態(tài)過程耦合。這樣耦合模擬的優(yōu)勢是流體與顆粒都采用體現(xiàn)各自特點的數(shù)值單元模塊進行模擬表征，水流和顆粒的特征參數(shù)如粒徑、數(shù)量、屬性和摩擦力等都得到綜合考慮，這樣的模擬更精準(zhǔn)地描述顆粒運動軌跡及其與水流流場的相互影響[12]。

圖1 FLU-EDEM耦合循環(huán)示意圖

1.2 FLU-EDEM數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

在EDEM模型中雙層砂基透水磚面層粒徑設(shè)置為10～20目，模型分析的重點是堵塞顆粒在水流帶動下的堵塞機理，模型中面層粒徑設(shè)計與實體接近，同時考慮實體的孔隙率，如果顆粒粒徑選擇過小，堵塞顆粒將無法在面層中運動而是在表面產(chǎn)生堆積。為了實現(xiàn)堵塞顆粒在水流攜帶下進入透水磚體內(nèi)，模型中流場范圍包括模型上方10 mm內(nèi)的水位以及顆粒。在Fluent單元體流場區(qū)域，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，選用的模型耦合時間步長為5.0×10-4s，EDEM時間步長為5.0×10-6s。

在保持透水磚模型結(jié)構(gòu)的同時分析顆粒堵塞磚體的實時深度，兼顧耦合模擬的時間步長，將透水磚結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)置為：長100 mm×寬20 mm×高60 mm。在軟件中混凝土透水磚與雙層砂基透水磚的基層由粒徑為2.36～4.75 mm顆粒各向異性堆積而成，經(jīng)1 mm/s的速度擠壓密實以實現(xiàn)磚體內(nèi)的孔隙率在20%左右，滿足透水磚的一般要求，將骨料顆粒用粘結(jié)力形成透水磚實體部分。在軟件模擬中忽略水流對磚體強度的影響，將顆粒之間粘結(jié)力(正應(yīng)力和剪應(yīng)力)設(shè)置到足夠大以抵抗水流對磚體的沖擊力。圖2為普通混凝土透水磚重力堆積過程示意圖，圖3為雙層砂基透水磚面層添加示意圖，建模過程首先為預(yù)定粒徑顆粒的堆積，當(dāng)面層顆粒堆積完成后進行平板擠壓達到預(yù)定的孔隙目標(biāo)。

圖2 普通混凝土透水磚重力堆積示意圖

圖3 復(fù)合透水磚面層添加示意圖

2 FLU-EDEM數(shù)值模擬試驗

2.1 堵塞材料的參數(shù)

在堵塞模擬分析中，為了區(qū)別不同粒徑大小顆粒的堵塞分布情況，清楚呈現(xiàn)顆粒堵塞透水磚孔隙路徑與粒徑的關(guān)系，在軟件模擬時，采用大小不一的小球代替不同粒徑的堵塞材料，并將不同粒徑堵塞顆粒用量的質(zhì)量比例換算成個數(shù)比例。模型中假設(shè)所有堵塞顆粒密度相同，取粒徑中值進行體積換算，并以粒徑最大的顆粒為計算基準(zhǔn)，最后按級配分布比例換算為用量倍數(shù)，各粒徑顆粒的材料參數(shù)如表1所示。

表1 堵塞顆粒材料參數(shù)表

2.2 堵塞顆粒組合方式

當(dāng)使用級配砂進行堵塞時，在軟件中按照表2所示比例設(shè)置所選取的堵塞顆粒各自的用量，以此對不同組合方式堵塞顆粒在兩種透水磚中的分布狀態(tài)、過程進行模擬。

表2 堵塞顆粒用量表

3 FLU-EDEM數(shù)值模擬結(jié)果與分析

在顆粒分布云圖中，數(shù)值代表顆粒聚集度，從第二條橫線開始向下，每一條代表透水磚體向下1 cm。

3.1 組合方式1試驗結(jié)果與分析

分析連續(xù)級配堵塞顆粒組合方式1的過程模擬云圖可知：

(1)在圖4混凝土透水結(jié)構(gòu)中，最大粒徑(1.18～2.36 mm)的顆粒基本分布在距表面0～1 cm處，粒徑(0.6～1.18 mm)的顆粒70%聚集在表面0～1 cm處，20%聚集在表面1～2 cm處，其余分布在結(jié)構(gòu)2～6 cm處，整個區(qū)域內(nèi)代表0.3～0.6 mm粒徑的顆粒分布范圍最廣，0～6 cm處均有聚集，聚集程度比較均勻，更小的顆粒的規(guī)律比較一致。總體上來說，>0.6 mm的顆粒主要集中于磚體結(jié)構(gòu)表面；<0.6 mm的顆粒在整個6 cm范圍內(nèi)分布均勻。磚體表面0～2 cm處堵塞顆粒分布的密集程度最大，在2～5 cm處細顆粒的分布更廣，但顆粒密集程度比較低，這說明透水磚的堵塞是因不同粒徑的顆粒在表面的高度聚集引起的，嚴(yán)重聚集處的孔隙關(guān)閉，水流尋找新的通道，把顆粒更小的粒徑帶到更大更廣的范圍，透水性能逐漸衰減。

圖4 組合1下混凝土透水磚堵塞顆粒分布區(qū)域圖

(2)在圖5雙層砂基透水磚結(jié)構(gòu)中，粒徑>0.6 mm的顆粒幾乎無法到達磚體1 cm以下，基本聚集在0～1 cm，而粒徑<0.6 mm的顆粒幾乎均勻分布于整個透水磚體，分布的聚集度也明顯低于普通的混凝土透水磚。這說明雙層砂基透水磚有效地阻擋了較大顆粒的進入，透水性能衰減進程要慢于普通混凝土透水磚。

圖5 組合1下雙層砂基透水磚堵塞顆粒分布區(qū)域圖

(3)軟件徑流模擬過程中不難發(fā)現(xiàn)，表面徑流與堵塞顆粒的結(jié)合，既可以幫助帶走大顆粒的堵塞物，對表面產(chǎn)生清潔作用，也能使小顆粒較難在表面靜止停留，會將其帶入磚體內(nèi)更深處，如果不能及時清除，逐漸堆積必將產(chǎn)生更深層次的堵塞。

3.2 組合方式2試驗結(jié)果與分析

考慮以較小粒徑為主要堵塞模式的組合方式2，主要由(0.3～0.6 mm)、(0.15～0.3 mm)、(0.075～0.15 mm)三種顆粒按等比例組成，在模型軟件中按照表2中組合方式2比例設(shè)置所選取的小粒徑堵塞顆粒各自的用量，以此對堵塞顆粒組合方式2在兩種透水磚中的分布狀態(tài)進行過程模擬。模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 組合2混凝土透水磚堵塞顆粒分布區(qū)域圖

圖7 組合2雙層砂基透水磚堵塞顆粒分布區(qū)域圖

從堵塞粒徑組合方式2的過程模擬云圖可知：

(1)設(shè)置各偏小粒徑總量相近的情況下，在普通混凝土透水磚中如圖6所示，各個深度范圍內(nèi)的顆粒聚集度比較均勻，從表面的188衰減到底部的77，細小的顆粒幾乎均勻地布滿了整個混凝土透水磚的內(nèi)部，只要分散的堵塞物逐漸堆積，堵塞通道的分布面積就更加廣泛。

(2)在雙層砂基透水磚堵塞顆粒分布云圖中可以發(fā)現(xiàn)，顆粒分布的均勻程度有很大的不同，表面0～1 cm處顆粒聚集度為482，1～2 cm處迅速衰減為102，減小了4倍，到了底部的5～6 cm顆粒聚集度只有15，縮小了30倍。可見在雙層砂基透水磚的堵塞主要還是發(fā)生在表面。這種情況比組合方式1的連續(xù)級配更為明顯。

(3)通過對比普通混凝土透水磚和雙層砂基透水磚可以發(fā)現(xiàn)：在兩種磚體的中、小粒徑在表面聚集度上普通混凝土透水磚小于雙層砂基透水磚，表現(xiàn)為使用過程中表面清潔度比較高，但從內(nèi)部堵塞顆粒云圖發(fā)現(xiàn)，這些顆粒很大程度上進入到內(nèi)部，在內(nèi)部出現(xiàn)更大機率的不可視堵點，給清理工作帶來困難，也為性能的衰減埋下隱患。而雙層砂基透水磚結(jié)構(gòu)僅在0～1 cm區(qū)域聚集，雖然對表面水的入滲有部分影響，但是在水流的表面流動作用影響下會實時側(cè)向帶走部分堵塞物，如果配合部分人工表面清理，透水磚體結(jié)構(gòu)透水性能的衰減會緩慢很多。

3.3 組合方式3試驗結(jié)果與分析

考慮以較大粒徑為主要堵塞模式的組合方式3，主要由(1.18～2.36 mm)、(0.6～1.18 mm)、(0.3～0.6 mm)三種顆粒按等比例組成，在模型軟件中按照表2中組合方式3比例設(shè)置所選取的較大粒徑堵塞顆粒各自的用量，以此對堵塞顆粒組合方式3中的堵塞顆粒在兩種透水磚中的分布狀態(tài)進行過程模擬。模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 組合3混凝土透水磚堵塞顆粒分布區(qū)域圖

圖9 組合3復(fù)合透水磚堵塞顆粒分布區(qū)域圖

從堵塞粒徑組合方式3的過程模擬云圖可知：

(1)在普通混凝土透水磚中，僅有較大顆粒存在的情況下，最大粒徑的顆粒在表面0～1 cm處聚集度最大，但是仍然有部分進入到1～2 cm處，還有少部分均勻地分布在3～6 cm處，較小顆粒則均勻地分布在整個透水結(jié)構(gòu)的整個深度范圍。

(2)在雙層砂基透水磚中，較大顆粒仍然只分布在磚體表面0～1 cm，同時較小顆粒在表面0～1 cm處聚集度最大，2～3 cm處聚集度立刻衰減10倍，在2～6 cm極少有顆粒堵塞或聚集，整個透水磚體比較潔凈，內(nèi)部透水性能幾乎沒有衰減。

(3)對比兩種透水磚在大顆粒堵塞的分布云圖中發(fā)現(xiàn)，在普通混凝土磚體中，在沒有細小粒徑存在的情況下，大粒徑的顆粒能進入到結(jié)構(gòu)層的底部，這與組合方式1有很大的區(qū)別，組合方式1中有小顆粒存在的情況下，大顆粒只能在表面0～1 cm處堆積，其原因是大顆粒在沒有了小顆粒的阻擋，在水流入滲過程的動水作用下，大粒徑的堵塞路徑越來越長，幾乎可以達到結(jié)構(gòu)層的任何深度和任何位置，這樣的現(xiàn)象一方面說明水流入滲過程會加速堵點的形成，對大顆粒堵塞物的影響更為明顯，只有大顆粒堵塞存在的情況下，普通混凝土透水磚的性能衰減更為明顯。同時雙層的砂基透水磚在組合方式3的情況下反而呈現(xiàn)出更好的工況，大顆粒幾乎全部堆積在磚體表面，對堵塞物起到了很好的隔離作用，內(nèi)部清潔度比較好，只要做好表面的清洗，透水性能幾乎不受影響。

4 基于FLU-EDEM的透水磚堵塞演變分析

在流體速度云圖中(圖10)，高速水流路徑代表連通孔隙透水順暢，低速水流處或次要水流處可視為路徑受阻孔隙不連通，孔隙堵塞或部分堵塞。通過放大低流速部分的云圖，可以得到低流速區(qū)域幾種典型的堵塞演化過程如圖10所示，分析總結(jié)出水流嚴(yán)重堵塞的區(qū)域演化的堵塞機理如下：

圖10 部分堵塞嚴(yán)重區(qū)域演變過程圖

圖10(a)區(qū)域：該處的水流通道指向磚體的左下和右下方，中等粒徑顆粒率先到達此處，形成主要的堵點，逐漸堆積較小的顆粒，由于級配差異比較明顯，在顆粒表面的摩擦力使顆粒間逐漸壓密實，只要再大的顆粒到達，該堵點明顯形成，如果沒有更大的動水壓力，該處很難再次疏通。

圖10(b)區(qū)域：該處堵塞區(qū)域的形成大致是由眾多的小粒徑顆粒形成，最小的顆粒在滲水的攜帶下聚集在孔隙通道內(nèi)但初期還沒有造成明顯的堵塞，隨后同樣較細的顆粒逐漸到達該區(qū)域并停滯聚集導(dǎo)致此處通道更為狹窄。由于細顆粒更容易相互靠近而擠壓密實，隨時間的推移，更多的中等顆粒到達，本來就狹窄的通道變得不可通行，此處稱為新的內(nèi)部堵點。

圖10(c)區(qū)域：最大粒徑的顆粒首先停留在磚體孔隙通道內(nèi)，顆粒體積占據(jù)了孔隙大部分位置，造成透水通道突然急劇堵塞，水流速度在此處急劇減緩，同時水流帶來的次小顆粒由于流速的減緩而滯留此處，從最大粒徑的顆粒的兩側(cè)填充孔隙剩余部分，使得狹窄的通道更加擁堵。

圖10(d)區(qū)域：該區(qū)域由小粒徑顆粒堵塞發(fā)展而形成細長的“狹縫”，沒有其他顆粒的聚集，雖然粒徑的聚集程度比較高，但是由于通道均勻狹窄體，其他顆粒基本沒有辦法到達，不過這樣的堵塞對整個磚體的透水效果影響比較小。

5 結(jié)語

本文通過流體離散耦合FLU-EDEM模型初步模擬了不同粒徑組成的堵塞顆粒在水流作用下對普通混凝土透水磚和雙層砂基透水磚堵塞過程，實現(xiàn)了堵塞過程路徑的可視化，并得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)連續(xù)級配堵塞顆粒進入透水磚后，總體上在表面0～2 cm處的聚集度最大，這種現(xiàn)象在雙層砂基透水磚中表現(xiàn)得更為明顯，粗顆粒主要聚集在0～1 cm處，<0.6 mm的顆粒均勻地分布于整個透水磚深度，在模型中上部出現(xiàn)以粗顆粒為主的骨架密實型堵塞特點，在中部出現(xiàn)中等顆粒為主的堵塞，下部出現(xiàn)懸浮密實型堵塞特點。這些堵塞區(qū)域的出現(xiàn)均會使磚體的透水性能下降。

(2)當(dāng)偏小粒徑堵塞顆粒進入兩種磚體后，在普通透水混凝土中各粒徑基本均勻分布在磚體的各個深度范圍內(nèi)，在雙層砂基透水磚中仍然是各粒徑均勻在表層聚集，在中下級幾乎沒有堵塞顆粒，在模型中一般出現(xiàn)細長“狹窄”通道，這樣的堵塞形式對透水性能影響不大。

(3)當(dāng)偏大粒徑顆粒進入兩種磚體后，顆粒的分布差異明顯，大顆?？梢赃M入普通混凝土透水磚的任何深度任何位置，配合中等粒徑的顆粒運動，在結(jié)構(gòu)層的任何部位都可能形成堵塞通道。而在雙層砂基透水磚中，大顆粒幾乎只能聚集在表面。

(4)連續(xù)級配顆粒堵塞對兩種透水磚的影響最大，偏粗顆粒對普通混凝土透水磚的透水性能影響較大，及時清掃表面堵塞顆粒無論對哪種透水磚都可以減小其堵塞程度，砂基透水磚對堵塞顆粒的進入有明顯的效果，清理難度較小，效果也更明顯。