山東大學在透水路面堵塞機理研究方面取得新進展

本文作者：馬國棟

近日，我院水利工程系張炯副教授課題組研究成果“Numerical study on pore clogging mechanism in pervious pavements” （“透水路面孔隙堵塞機理數值模拟研究”）在國際著名期刊《Journal of Hydrology》上發表。“海綿城市”建設中廣泛應用了透水路面來緩解城市防澇壓力，透水路面的孔隙會随着泥沙塵土的聚集而堵塞并導緻滲透性能不斷降低，使其演變成非透水路面，造成經濟上的嚴重浪費。因此研究透水路面孔隙堵塞的機理成為解決該難題的前提。透水混凝土路面内部的堵塞情況無法通過肉眼直接觀察，目前國内外沒有有效的研究其内部堵塞過程的方法，隻能通過透水系數實驗等手段直接測試堵塞的影響結果。

針對這一問題，課題組借助工業CT掃描技術，從材料内部探究透水混凝土的孔隙結構、孔隙率，孔隙分布等一系列介觀參數，相當于内科醫生利用窺鏡檢查病人的病變原理。然後利用3D可視化軟件重構出真實的内部孔隙模型，利用計算流體力學軟件進行了滲流模拟，得出與實際滲流情況一緻的現象與結論。

圖1 透水混凝土重構模型滲流模拟研究

在此基礎上，利用DEM-CFD（離散元-計算流體力學）數值模拟方法建立了透水混凝土孔隙堵塞模型（圖2）。課題組在充分考慮實際透水路面可能遭遇到的各種外界堵塞條件下，重點研究了在泥沙粒徑分布，路面水平徑流流速，滲流流速，透水路面材料孔隙率等影響因素下透水混凝土路面内部的孔隙堵塞過程和機理。該研究發現：透水混凝土路面堵塞形成條件主要是由泥沙顆粒半徑與骨料顆粒半徑的比值決定（圖3）。路面堵塞主要發生于表面30毫米以内; 而其中的粗顆粒主要集中在表面20毫米以内；細顆粒可以穿行至60-100毫米左右；并且堵塞位置随着地表水平流速和入滲流速、孔隙率的增加而加深。随着循環模拟次數的增加，在不增加外來泥沙污染源的情況下，路面堵塞程度沒有顯著改變。

圖2 透水混凝土孔隙堵塞DEM-CFD模型

圖3 透水混凝土孔隙堵塞機理探究

與此同時，課題組還利用試驗方法驗證了數值模拟結果的可靠性，創造性的利用聚丙烯酸鈉小球來代替透水混凝土的粗集料。這是一種高分子吸水材料，當它充分吸水後體積可以膨脹近200倍，對光的折射率與水接近，因此這種材料組成的透水路面模型浸入水中就完全隐身了，泥沙顆粒的堵塞過程可以清楚的被觀察到。

（a）未浸入水中                  (b) 浸入水中

圖4 透明聚丙烯酸鈉小球代替透水混凝土集料

圖5 堵塞顆粒在透水混凝土内部的堵塞發展過程

這一系列研究成果分别發表在土木工程1區Top期刊Journal of Hydrology以及2區雜志Construction and Building Materials上。為有效的預防與治理透水路面堵塞問題奠定了堅實的理論基礎。目前課題組所在的山東省海綿城市示範工程技術研究中心已在校園内建成了透水混凝土路面試驗段（圖6）用于開展養護試驗，實驗結果将為我國海綿城市建設保駕護航。

圖6 透水混凝土路面養護試驗段

論文列表：

[1].   Zhang, J., Ma, G., Dai, Z., Ming, R., Cui, X., She, R. (2018). Numerical study on pore clogging mechanism in pervious pavements. Journal of Hydrology, 565, 589-598.

[2].   Zhang, J., Ma, G., Ming, R., Cui, X., Li, L., Xu, H. (2018). Numerical study on seepage flow in pervious concrete based on 3D CT imaging. Construction and Building Materials, 161, 468-478.

[3].   Zhang, J., She, R., Dai, Z., Ming, R., Ma, G., Cui, X., et al. (2018). Experimental simulation study on pore clogging mechanism of porous pavement. Construction and Building Materials, 187, 803-818.