一種新型護(hù)坡結(jié)構(gòu)的防浪消能效果水力試驗(yàn)

羅佳敏，秦 鵬，王嘉威，吳 浩，張一祁，羅倩憶

(浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

錢(qián)塘江作為杭州市一道閃亮的名片，錢(qián)江兩岸逐漸成為杭州市重要的經(jīng)濟(jì)和文化中心，而錢(qián)塘江海塘作為錢(qián)塘江的守護(hù)者，保衛(wèi)著兩岸人民的幸福生活.而目前錢(qián)塘江海塘存在以下兩個(gè)問(wèn)題：一是錢(qián)塘江海塘大多采用直立式或斜坡式混凝土結(jié)構(gòu)，護(hù)坡表面光滑，無(wú)法對(duì)強(qiáng)大的沖擊浪進(jìn)行有效的緩沖，錢(qián)塘江大潮很容易沖上海塘對(duì)堤壩上觀潮的人群生命安全和設(shè)施造成嚴(yán)重威脅.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，近20年來(lái)，超過(guò)100人被錢(qián)塘江潮水奪去了生命，其中錢(qián)塘潮水吞人最多的是1993年的10月3日，有86人被瞬間沖出堤岸的潮水卷入江中，其中19人死亡，27人受傷，40人下落不明.二是錢(qián)塘江潮水對(duì)兩岸的海塘沖刷破壞非常嚴(yán)重.據(jù)先前統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，錢(qián)塘江海塘固定資產(chǎn)75億元，海塘折舊年限為80年,則年折舊費(fèi)為9 300萬(wàn)元.根據(jù)對(duì)省管已建及在建97 km標(biāo)準(zhǔn)塘的斷面測(cè)算,建成后年養(yǎng)護(hù)維修管理費(fèi)19萬(wàn)元/km，加上海塘觀測(cè)、運(yùn)行費(fèi)用共2 840萬(wàn)元[1].而在近幾年，每年的維護(hù)費(fèi)用已大大的超出這個(gè)數(shù)字.

近年來(lái)，中國(guó)每年產(chǎn)生的廢舊輪胎在以8%～10%的速度急劇增加，成了一種新污染[2].一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，到2020年，中國(guó)廢舊輪胎產(chǎn)量將達(dá)2 000萬(wàn)t.日益加劇的“黑色污染”[3]給中國(guó)本已脆弱的生態(tài)環(huán)境雪上加霜.因此，治理廢舊輪胎造成的“黑色污染”刻不容緩.

針對(duì)這些問(wèn)題，結(jié)合廢輪胎二次利用的思路發(fā)明了一種防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)(專利授權(quán)號(hào)：CN 205975479 U)[4]，并通過(guò)水槽模擬試驗(yàn)，明確廢輪胎護(hù)坡的消能機(jī)理，并研究廢輪胎最佳布置方案，以期對(duì)護(hù)坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.

2 裝置構(gòu)造及工作原理

2.1 裝置構(gòu)造

防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)由廢輪胎、縱向鋼筋、橫向鋼筋、碎石層、混凝土層、垂直坡面廢輪胎群組成.結(jié)構(gòu)各組件之間的關(guān)系：廢輪胎上開(kāi)設(shè)小孔，縱向鋼筋穿過(guò)小孔，橫向鋼筋分別與縱向鋼筋焊接，構(gòu)成井字型，廢輪胎及焊接成井字型的縱向鋼筋、橫向鋼筋澆筑在混凝土層中，優(yōu)選廢輪胎外露2/5，廢輪胎交錯(cuò)布置.廢輪胎、縱向鋼筋、橫向鋼筋位置關(guān)系示意圖(見(jiàn)圖1)，防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)整體布置示意圖(見(jiàn)圖2).

圖1 廢輪胎、縱向鋼筋、橫向鋼筋位置關(guān)系示意圖

圖2 防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)整體布置示意圖

2.2 工作原理

防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)主要從三個(gè)方面對(duì)沖擊海浪進(jìn)行消能.

(1)廢輪胎內(nèi)部消能

沖擊浪在通過(guò)廢輪胎中間空腔時(shí)，流態(tài)復(fù)雜，相互碰撞、旋繞，能夠消減一部分能量.

(2)廢輪胎群協(xié)同消能

沖擊浪通過(guò)廢輪胎外部的垂直向及豎直向廢輪胎群時(shí)，宛如進(jìn)入迷宮，潮水在廢輪胎群的縫隙中相互碰撞，從而消減大量能量.

(3)廢輪胎結(jié)構(gòu)消能

由于廢輪胎具有一定的彈性，在海浪沖擊作用下會(huì)產(chǎn)生一定的反作用力，也能夠消減海浪一部分動(dòng)能，同時(shí)由于輪胎具有彈性的材料特質(zhì)，使得廢輪胎護(hù)坡比混凝土材質(zhì)護(hù)坡具有更強(qiáng)的使用耐久性.

3 防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)防沖刷效果水槽試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)在浙江水利水電學(xué)院水流動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)室

進(jìn)行，試驗(yàn)儀器為浙江大學(xué)毛根海教授團(tuán)隊(duì)自主研制的自循環(huán)供水箱、潛水泵的新型自循環(huán)明渠實(shí)驗(yàn)槽(型號(hào)：MGU-FF3-2-3)，水槽長(zhǎng)度l=35 cm，寬度b=10.0 cm，最大進(jìn)口流量Q=20 m3/h，自循環(huán)明渠實(shí)驗(yàn)水槽(見(jiàn)圖3)，試驗(yàn)場(chǎng)地(見(jiàn)圖4).模型放置于試驗(yàn)水槽中進(jìn)行防浪結(jié)構(gòu)沖刷試驗(yàn).利用高速相接抓拍試驗(yàn)中的波浪形態(tài)(佳能750D，EF-S 18-135 1：3.5-5.6 STM).

以防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)模型，根據(jù)試驗(yàn)水槽的尺寸進(jìn)行等比例縮放制作，防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)根據(jù)輪胎排數(shù)(一排、兩排、三排、多排)、輪胎間距(1/2輪胎間距、2/3輪胎間距、整個(gè)輪胎間距)、廢舊輪胎露出護(hù)坡高度比例(1/2，1/3，2/3)制作多組試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑫r(shí)制作一個(gè)傳統(tǒng)的護(hù)坡結(jié)構(gòu)作為對(duì)比試驗(yàn).防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)模型與傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，圖中左側(cè)模型為防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)，右側(cè)為傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu).

圖3 自循環(huán)明渠實(shí)驗(yàn)水槽

圖4 試驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備及儀器調(diào)試

3.2 試驗(yàn)水力波浪強(qiáng)度測(cè)算

水槽流量由電磁流量系統(tǒng)控制，并通過(guò)試驗(yàn)人員手動(dòng)控制上游垂直提升式蓄水閘門(mén)的啟閉來(lái)控制水力波浪強(qiáng)度.擬提升式蓄水閘門(mén)蓄水位達(dá)到25 cm時(shí)釋放下泄水流，閘孔開(kāi)合高度控制為10 cm，則沖擊浪可按照平地板閘孔出流進(jìn)行測(cè)算，沖擊浪流速及流量計(jì)算如下：

試驗(yàn)水力計(jì)算條件為閘孔自由出流，閘前斷面及收縮后斷面的能量方程[5-8]：

(1)

(2)

因?yàn)镼=Acvc=vcbhc，所以有

3.3 護(hù)坡防浪水力試驗(yàn)

水槽上游通過(guò)提升式閘門(mén)控制水流流速及流量，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)消能效果進(jìn)行對(duì)比觀測(cè).

3.3.1 試驗(yàn)1 消能效果對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)

利用水槽制造相同強(qiáng)度的水力波浪，觀測(cè)強(qiáng)波浪沖擊下傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)與防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)在橫截面的水流沖刷形態(tài)的區(qū)別，印證防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)的消能防浪能力.

(1)傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)防沖刷效果試驗(yàn)

將提升式閘門(mén)關(guān)閉并蓄至試驗(yàn)所需水量，蓄水高度h=25 cm.隨后，將閘門(mén)進(jìn)行快速提升，形成一個(gè)高10 cm，寬10 cm的閘口，觀察利用高速攝像機(jī)連續(xù)拍攝提閘后浪潮沖刷到傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)模型瞬間的水流形態(tài)并記錄，從閘門(mén)開(kāi)啟到?jīng)_擊水流沖上護(hù)坡的時(shí)間為5 s，截取此時(shí)的水流沖擊試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖6).

由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可得，水流在沖刷傳統(tǒng)堤防護(hù)坡模型的瞬間，護(hù)坡表面并沒(méi)有對(duì)浪潮進(jìn)行有效消能，水流在勢(shì)能作用下直接涌過(guò)堤防.

(2)廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)防沖刷效果試驗(yàn)

對(duì)廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行與傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)相同的實(shí)驗(yàn)操作，同樣截取第5 s的水流沖擊試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖7).

由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可得，水流在沖刷到防浪廢輪胎護(hù)坡模型的瞬間，該護(hù)坡表面的輪胎群對(duì)浪潮進(jìn)行充分消能，水流在輪胎群錯(cuò)落結(jié)構(gòu)的碰撞、旋繞中產(chǎn)生大量氣泡，有效消減了水流沖刷能量，水流被明顯的消能，達(dá)到了很好的消能防浪沖擊效果.

3.3.2 廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)

(1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)

圖5 防浪廢輪胎護(hù)坡(部分)與傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)模型

圖6 傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)防沖刷效果(對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn))

制作多組防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)模型，利用水槽制造相同強(qiáng)度的水力波浪，分別對(duì)輪胎排數(shù)(一排、兩排、三排、多排)、輪胎間距(1/2輪胎間距、2/3輪胎間距、整個(gè)輪胎間距)、廢舊輪胎露出護(hù)坡高度比例(1/2，1/3，2/3)、輪胎布置情況(橫排、豎排)進(jìn)行分組試驗(yàn)，觀測(cè)強(qiáng)波浪沖擊下不同組合的防浪廢輪胎在橫截面的水流沖刷形態(tài)，最終優(yōu)選出最佳的防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu).

(2)優(yōu)選護(hù)坡結(jié)構(gòu)消能效果水力試驗(yàn)

在最優(yōu)的防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，測(cè)量強(qiáng)波浪沖擊下，護(hù)坡結(jié)構(gòu)迎水面、背水面過(guò)水量，以及防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)周圍水域流速隨沖刷試驗(yàn)時(shí)間的變化.經(jīng)過(guò)一系列對(duì)比試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：①在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，廢輪胎在堤防護(hù)坡上的數(shù)量與密度與護(hù)坡的效能效果成正比關(guān)系；②輪胎豎向排列消能效果優(yōu)于橫向排列.這為未來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供重要的參考依據(jù).圖8為試驗(yàn)過(guò)程中最優(yōu)護(hù)坡結(jié)構(gòu)消能效果圖.試驗(yàn)中的輪胎模型僅是外形尺寸的相似,彈性的力學(xué)模擬目前難以實(shí)現(xiàn).因此文中的試驗(yàn)結(jié)果并不能完全反映輪胎加糙的實(shí)際狀況.考慮到真實(shí)的輪胎是空心的,實(shí)際加糙的效果會(huì)比模型試驗(yàn)的結(jié)果更好.至于輪胎加糙的機(jī)理，希望隨著先進(jìn)量測(cè)儀器的出現(xiàn)得以揭示.

圖7 廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)防沖刷效果(對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn))

圖8 最優(yōu)護(hù)坡結(jié)構(gòu)消能效果圖

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，新型防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)水流消能效果顯著，水流在輪胎群錯(cuò)落結(jié)構(gòu)的碰撞、旋繞中產(chǎn)生大量氣泡，消減了大量的沖刷能量，防止水流在勢(shì)能作用下涌過(guò)堤防，對(duì)堤防本身也有著很好的保護(hù)作用.防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)為保衛(wèi)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，降低堤防成本提供了新的設(shè)計(jì)思路，應(yīng)用前景廣闊.

(2)防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)廢輪胎的二次利用，綠色環(huán)保，為治理由廢輪胎帶來(lái)的“黑色污染”，提供了一種新的可行性方案.