摘要 透水水泥混凝土路面因其多孔易堵塞性，影響排水功能，需研究其孔隙堵塞機(jī)理。文章模擬了透水水泥混凝土阻塞情況，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析阻塞顆粒的演變過(guò)程，并根據(jù)不同深度堵塞的發(fā)展過(guò)程、阻塞顆粒的平均深度，對(duì)阻塞平均深度與相關(guān)變量進(jìn)行了研究，分析了相關(guān)變量與滲透系數(shù)的相關(guān)性，以期為透水路面設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞 透水水泥混凝土；孔隙；阻塞；滲透系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào) U414.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）24-0112-03

0 引言

透水路面可增加雨水下滲，減少路面雨水徑流，其透水性能與物理性能相互制約。為推廣透水混凝土路面，需深入研究孔隙堵塞的影響因素，以確保長(zhǎng)久的抗阻塞性能。

1 透水多孔介質(zhì)滲流和阻塞機(jī)制

1.1 多孔介質(zhì)

透水混凝土以骨料和黏合劑作為固體骨架，內(nèi)部形成連通、半連通或不連通空洞，這些空洞稱(chēng)作多孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)內(nèi)的流體以滲流方式運(yùn)動(dòng)。

1.2 滲流

在滲流模型中，邊界條件按實(shí)際設(shè)置，用流場(chǎng)連續(xù)函數(shù)、水力學(xué)法進(jìn)行研究。研究時(shí)把多孔介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的真實(shí)水流假設(shè)為充滿(mǎn)整個(gè)滲流區(qū)連續(xù)穩(wěn)定與均勻的水流[1]。

1.3 透水性能阻塞機(jī)制和影響因素

（1）透水多孔介質(zhì)的阻塞機(jī)制

透水混凝土多孔介質(zhì)顆粒逐漸堵塞共有5個(gè)階段：堵塞初始、架橋、堆積、填充、截流。堵塞程度與材料相關(guān)性大，阻塞研究的堵塞材料是懸浮物[2]。

（2）透水多孔介質(zhì)阻塞的影響因素

1）骨料和水泥影響。骨料和水泥均影響透水混凝土的透水性能，骨料的級(jí)配、大小、種類(lèi)和形狀均會(huì)影響阻塞情況。

2）目標(biāo)孔隙率影響?？紫堵适軌簩?shí)度影響，施工時(shí)不同級(jí)配、骨料均會(huì)導(dǎo)致透水混凝土產(chǎn)生不同的孔隙率?；炷量紫堵试酱?，進(jìn)入水多孔介質(zhì)的阻塞顆粒通過(guò)孔隙排出的可能性更大。

3）阻塞顆粒影響?；覊m顆粒污染物會(huì)通過(guò)不同途徑滲入混凝土內(nèi)部的孔隙，使孔隙率降低、滲透功能減弱，導(dǎo)致滲透系數(shù)和水利傳導(dǎo)系數(shù)下降，喪失透水功能。

1.4 多孔介質(zhì)中的顆粒阻塞

骨料在堆積時(shí)成多孔介質(zhì)，具有高彎曲度、變直徑截面等特點(diǎn)，顆粒易在孔隙內(nèi)堆積、堵塞。堵塞有三個(gè)階段：快速堵塞、短暫恢復(fù)、漸進(jìn)堵塞。

2 透水水泥混凝土路面阻塞和滲流模型

2.1 透水水泥混凝土阻塞試驗(yàn)

試驗(yàn)不考慮孔隙率、級(jí)配參數(shù)，僅用40 Hz震動(dòng)頻率和1年、2年、5年、7年、9年阻塞顆粒進(jìn)行震動(dòng)阻塞。震動(dòng)結(jié)束后通過(guò)定水頭法進(jìn)行滲透系數(shù)的測(cè)定，擬合混凝土滲透系數(shù)隨使用年限變化的曲線(xiàn)如圖1所示，可知隨使用年限增加，滲透系數(shù)逐漸減小。

2.2 透水水泥混凝土阻塞仿真模型

水泥混凝土粗骨料選用碎石。為簡(jiǎn)化計(jì)算，模型采用圓形骨料，將水泥體積計(jì)入骨料中。將阻塞顆粒釋放至混凝土表面，通過(guò)震動(dòng)混凝土塊，模擬車(chē)輛壓過(guò)路面，研究阻塞顆粒的堵塞情況和狀態(tài)。使用離散元生成路面顆粒，同時(shí)確定混凝土孔隙率和骨料級(jí)配。生成時(shí)假設(shè)為50 mm×50 mm×70 mm的長(zhǎng)方體，骨料上層厚10 mm，下層厚60 mm。此次使用線(xiàn)性模型生成中，可以忽略水泥黏結(jié)力。

粒徑≥1.2 mm的阻塞顆粒無(wú)法通過(guò)表面孔隙進(jìn)入內(nèi)部，不納入考慮范圍；粒徑＜0.15 mm的阻塞顆?？稍诨炷羶?nèi)部自然下滲，對(duì)其內(nèi)部阻塞無(wú)影響，也不納入考慮。阻塞顆?；謴?fù)、靜摩擦、滾動(dòng)系數(shù)分別為0.5、0.5、0.001。最終，阻塞顆粒的級(jí)配如圖2所示，阻塞顆粒與時(shí)間關(guān)系的數(shù)量如表1所示。

采用控制變量法研究透水混凝土的阻塞情況，以分析單一變量對(duì)透水混凝土性能的影響。如表2所示，工況1、工況2、工況3模擬不同透水水泥骨料級(jí)配的影響，工況1、工況4、工況5模擬不同透水混凝土孔隙率的影響，工況1、工況6、工況7模擬不同阻塞顆粒數(shù)量的影響，工況1、工況8、工況9模擬不同震動(dòng)頻率的影響。其中，工況1是基準(zhǔn)組。阻塞顆粒釋放完成后，將模擬時(shí)間歸零，開(kāi)始透水混凝土試件震動(dòng)的阻塞模擬。

2.3 透水水泥混凝土路面滲流模型

水泥混凝土路面滲流模型中使用和混凝土阻塞相同的工況模擬。在逐漸阻塞試驗(yàn)時(shí)，其孔隙率、阻力系數(shù)發(fā)生變化，將透水水泥混凝土按10 mm劃分成不同部分，取每10 mm的孔隙率、阻塞顆粒數(shù)量、平均粒徑、路面顆粒體積和位置，計(jì)算滲流模擬的孔隙率、黏性阻力、慣性阻力系數(shù)。此次試驗(yàn)選用時(shí)間點(diǎn)作為滲透系數(shù)的測(cè)量點(diǎn)。

選擇k-epsilon模型及Navier-Stokes方程等，使用Fluent自帶網(wǎng)格劃分法對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，生成的網(wǎng)格模型如圖3所示。

3 透水水泥混凝土阻塞仿真分析

在相關(guān)度分析中，其應(yīng)變量為阻塞顆粒深度，自變量為震動(dòng)頻率、孔隙率、級(jí)配和使用年限。不同頻率下阻塞顆粒所處的平均深度見(jiàn)圖4所示：

由試驗(yàn)可知，孔隙率顯著性水平較高，孔隙率增加對(duì)阻塞顆粒進(jìn)入透水水泥深度的影響較大，而其余變量的顯著性較低，原因是上層骨料粒徑為1 mm，70%以上的0.15～0.6 mm粒徑顆粒堵塞在透水混凝土試件上層。

使用年限的增加，對(duì)0.15～0.3 mm粒徑阻塞顆粒所處深度的影響較0.3～0.6 mm粒徑阻塞顆粒更明顯，前者相關(guān)系數(shù)為0.2，而后者相關(guān)系數(shù)為0.1。0.15～0.3 mm

阻塞顆粒和0.3～0.6 mm阻塞顆粒在60 s時(shí)的位置，分別在線(xiàn)性擬合檢驗(yàn)中R2為95%、84%，即震動(dòng)頻率、孔隙率、路面級(jí)配、使用年限等這4個(gè)變量可較好地反映透水混凝土的阻塞顆粒深度。0.15～0.3 mm阻塞顆粒在60 s時(shí)的位置與震動(dòng)頻率、孔隙率高度相關(guān)，而

0.3～0.6 mm阻塞顆粒在60 s時(shí)的位置與孔隙率相關(guān)。阻塞顆粒位置的線(xiàn)性擬合方程如下：

（1）

式中：D——阻塞顆粒深度（m）；F——震動(dòng)頻率（Hz）；P——孔隙率。

在單雙層透水混凝土對(duì)比中，雙層透水混凝土在阻塞時(shí)可將大顆粒阻塞顆粒有效地?cái)r截在透水混凝土上層中，具有更好的抗阻塞效果。在不同震動(dòng)頻率時(shí)，阻塞顆粒深度隨震動(dòng)頻率增加，滲透系數(shù)隨震動(dòng)增加而減少。

4 透水水泥混凝土滲透仿真分析

首先獲得每層的阻塞顆粒、路面顆粒數(shù)量、平均粒徑及各層孔隙率；然后獲得透水混凝土各層顆粒的當(dāng)量粒徑；最終獲取每層透水混凝土的阻力系數(shù)。將黏性阻力、慣性阻力系數(shù)放入模型中的多孔介質(zhì)，即可獲得多孔介質(zhì)的內(nèi)部滲透速度。以工況1震動(dòng)結(jié)束后的滲流速度為例，輸出結(jié)果見(jiàn)圖5所示。獲得4次透水混凝土阻塞后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并將其擬合，擬合所得曲線(xiàn)為指數(shù)曲線(xiàn)，可知滲透系數(shù)在阻塞時(shí)的整體趨勢(shì)較為準(zhǔn)確，但在具體滲透系數(shù)方面略有差距，這是由于透水混凝土上層部分中大量阻塞顆粒堆積在表層，而未進(jìn)入透水混凝土內(nèi)部所致。在此次模擬中，透水混凝土模型與實(shí)際阻塞趨勢(shì)相似，孔隙結(jié)構(gòu)也相似。

采用定水頭法模擬并測(cè)定滲透系數(shù)，滲透系數(shù)與時(shí)間變化有關(guān)，在45s時(shí)滲透系數(shù)處于低位。在單雙層透水混凝土對(duì)比中，雙層可將阻塞顆粒中的大顆粒有效地?cái)r截在上層中，具有更好的抗阻塞效果。下層骨料級(jí)配僅影響小阻塞顆粒的位置和速度，對(duì)滲透系數(shù)影響不大。在不同震動(dòng)頻率情況下，滲透系數(shù)隨震動(dòng)增加而減少；隨透水混凝土的阻塞顆粒數(shù)量增加，阻塞顆粒阻塞狀態(tài)的穩(wěn)固速率越快。

5 總結(jié)

（1）級(jí)配阻塞相對(duì)較小的粒徑阻塞更穩(wěn)固，其顆粒難以再次進(jìn)入透水混凝土深處。

（2）0.6～1.2 mm粒徑阻塞顆粒難進(jìn)入透水混凝土上層，0.3～0.6 mm粒徑難進(jìn)入透水混凝土下層，單層透水混凝土阻塞集中在0～10 mm，驗(yàn)證了雙層透水混凝土能更好防止顆粒進(jìn)入其內(nèi)部。

（3）阻塞顆粒數(shù)量和孔隙率影響了透水混凝土的最終滲透系數(shù)，震動(dòng)僅影響進(jìn)入孔隙的速度?？紫堵适怯绊懲杆炷羶?nèi)部阻塞位置的主因，通過(guò)顆粒平均位置擬合可以得知，在雙層透水混凝土使用時(shí)0.3～0.6 mm粒徑在4 mm處，0.15～0.3 mm粒徑則在23 mm處。因此，可通過(guò)在雙層透水混凝土間使用土工布進(jìn)行阻隔，以減少小顆粒進(jìn)入透水混凝土深處，保持下層透水系數(shù)的穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]葉涵.透水路面孔隙堵塞演化及滲流特征研究[D].上海：上海海事大學(xué)， 2023.

[2]夏霜.透水路面結(jié)構(gòu)抗堵塞性能的優(yōu)化[D].濟(jì)南：山東大學(xué)， 2021.