基于拱形自浮攔截裝置的典型漂浮物攔截效果對(duì)比試驗(yàn)

余 葵，劉 陽(yáng)*，劉憲慶，李日鑫

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 重慶市橋梁通航安全與防撞工程技術(shù)研究中心，重慶 400074)

三峽工程是目前世界上規(guī)模最大的水利樞紐工程，具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)等方面的巨大綜合效益[1]。隨著三峽蓄水方案“175-155-145”的實(shí)施，在改善長(zhǎng)江上游航運(yùn)條件、促進(jìn)長(zhǎng)江航運(yùn)快速發(fā)展的同時(shí)，庫(kù)區(qū)堆積的大量漂浮物[2-3]，嚴(yán)重威脅三峽水電站的安全運(yùn)行。

湖南碗米坡水電廠投入運(yùn)行后，進(jìn)水口、取水口被漂浮物堵塞，洪水期降低利用水頭4 m，年發(fā)電損失高達(dá)100萬(wàn)元；且攔污柵壓差過(guò)大，將導(dǎo)致攔污柵壓垮，造成機(jī)組飛逸事故發(fā)生[4]。廣西下橋電廠自機(jī)組運(yùn)行以來(lái)，兩次因?yàn)槠∥锟ㄗ?dǎo)葉，導(dǎo)致導(dǎo)葉變形，致使剪斷銷機(jī)械剪斷保護(hù)，且維修難度大[5]。目前水電站進(jìn)水口處漂浮物主要靠人工或機(jī)械清理、水電站調(diào)度運(yùn)行等，無(wú)法高效地解決水電站漂浮物帶來(lái)的問(wèn)題[6-7]。在研究橋梁防撞裝置時(shí)[8-9]，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)防撞裝置內(nèi)側(cè)攔截了大量漂浮物(圖1)。目前，大部分浮式攔污排排身設(shè)計(jì)為直排[10-11]，考慮到漂浮物堆積后裝置中部凹陷，易斷的情況，提出了一種新型自浮升降式漂浮物攔截裝置，裝置外形呈拱形，拱形朝向河段上游，以承受更大的漂浮物撞擊力，保證裝置自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí)達(dá)到攔截水上漂浮物的要求。開(kāi)展此種新型裝置攔截效果試驗(yàn)研究，研究成果可為裝置優(yōu)化提供參考，同時(shí)為類似工程提供借鑒。

圖1 橋梁防撞裝置內(nèi)側(cè)攔截的漂浮物Fig.1 Floating objects intercepted inside bridge anti-collision device

1 漂浮物來(lái)源及分類

長(zhǎng)江干線漂浮物主要在洪水期和中洪期大量出現(xiàn)，當(dāng)洪峰來(lái)臨時(shí)，長(zhǎng)江中上游會(huì)從支汊河口和岸坡洲灘上帶來(lái)大量漂浮物，大量漂浮物來(lái)臨現(xiàn)象在長(zhǎng)江中游持續(xù)時(shí)間在3個(gè)月左右，長(zhǎng)江上游一般和下雨時(shí)間長(zhǎng)短密切相關(guān)。王茜、陳鴻麗[12-14]通過(guò)研究相關(guān)文獻(xiàn)資料，將內(nèi)河水域漂浮物的來(lái)源劃分為五類，第一類是沿岸居民產(chǎn)生的生活垃圾，第二類是農(nóng)作物秸稈、樹(shù)枝與地表植被等，第三類是沿江水上餐飲娛樂(lè)業(yè)及部分礦工企業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)垃圾，第四類是水域行駛的大小船舶[15]，第五類是從水域支流匯聚而來(lái)的漂浮物。通過(guò)對(duì)涪陵、奉節(jié)、巫山等地區(qū)漂浮物現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分類，可將漂浮物大致分為3大類：(1)枯草、枯枝類，此類漂浮物最多；(2)塑料類；(3)其他類，如居民的破舊衣物、皮革、橡膠輪胎等。具體調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 漂浮物現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果分析

表2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際模型參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of experimental model and actual model parameters

2 模型試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)用水槽：長(zhǎng)30 m、寬2.5 m、高1.0 m，最大輸出流量為500 L/s。自浮升降式漂浮物攔截裝置是一種適用于重點(diǎn)水域環(huán)境保護(hù)、水工建筑物前漂浮物阻攔的專門性水工建筑物(見(jiàn)圖2)。攔截裝置采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)固定，錨纜收放機(jī)構(gòu)通過(guò)水位檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)水位，根據(jù)實(shí)時(shí)水位信息調(diào)節(jié)錨纜長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)裝置定位。裝置外形為拱形，半徑為26.5 m、裝置直徑為1 m、吃水0.5 m；錨泊系統(tǒng)采用8根錨纜定位，中間4根對(duì)稱布置，通過(guò)定滑輪另一端固定在重力錨塊上，側(cè)邊錨纜導(dǎo)纜孔位置選擇全長(zhǎng)2/32處對(duì)稱布置，通過(guò)定滑輪固定在水槽邊。綜合考慮水槽寬度、坡度、尾門高度等因素，選定模型試驗(yàn)幾何比尺為λ=25，模型占槽寬的80%左右。裝置模型采用PVC管制作，由于漂浮物種類復(fù)雜且形態(tài)各異，其聚集形態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及相互作用機(jī)理難以準(zhǔn)確描述，模型試驗(yàn)滿足水流運(yùn)動(dòng)相似、幾何相似、漂浮度相似和漂送強(qiáng)度相似[16-18]。模型試驗(yàn)和實(shí)際模型結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 自浮升降式漂浮物攔截裝置平面布置圖Fig.2 Layout of self-floating floating object interception device

表3 模型試驗(yàn)組合Tab.3 Model test combination

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)相關(guān)資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得到的內(nèi)河漂浮物種類，試驗(yàn)分別對(duì)樹(shù)枝(細(xì)、粗、混合)、皮革、布料等代表性漂浮物進(jìn)行收集，裁剪，預(yù)浸泡。待水流穩(wěn)定后，在上游均勻散落漂浮物樣本，樣本在水流夾帶下運(yùn)動(dòng)到攔截裝置上，通過(guò)1 300萬(wàn)像素?cái)z像頭記錄漂浮物運(yùn)動(dòng)過(guò)程和最終堆積形態(tài)。

試驗(yàn)組合見(jiàn)表3，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，對(duì)每種漂浮物樣品攔截情況都進(jìn)行5次試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于篇幅所限，只展示粗樹(shù)枝樣品、皮革樣品和多種漂浮物混合的聚集過(guò)程圖，細(xì)樹(shù)枝試驗(yàn)和粗細(xì)(1:1)樹(shù)枝混合試驗(yàn)的聚集過(guò)程與粗樹(shù)枝類似，就不再贅述，只分析其聚集面積隨時(shí)間的變化規(guī)律。

3.1 聚集形態(tài)分析

(1)粗樹(shù)枝聚集形態(tài)分析。

3-a 50 s聚集形態(tài) 3-b 150 s聚集形態(tài) 3-c 飽和狀態(tài)圖3 粗樹(shù)枝聚集過(guò)程

圖3和圖4分別為粗樹(shù)枝隨時(shí)間的聚集形態(tài)和裝置前聚集面積柱狀圖。從圖4可以看出，粗樹(shù)枝在裝置前聚集面積隨時(shí)間而不斷增加，300 s時(shí)達(dá)到最大堆積面積，之后會(huì)有所減少，原因是裝置前流速快，堆積體在堆積厚度到達(dá)飽和狀態(tài)后，在負(fù)壓作用下，漂浮物從裝置下方繞過(guò)，最終在裝置后側(cè)形成少量堆積。細(xì)樹(shù)枝和粗細(xì)樹(shù)枝(1:1)混合試驗(yàn)漂浮物聚集規(guī)律與粗樹(shù)枝相似，聚集面積隨時(shí)間變化如圖5和圖6。

由圖6可知，混合樹(shù)枝的聚集面積最大，原因是細(xì)樹(shù)枝與粗樹(shù)枝混合，細(xì)樹(shù)枝填補(bǔ)了粗樹(shù)枝的空隙，使堆積體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，聚集面積也就更大。

(2)皮革聚集形態(tài)分析。

7-a 50 s聚集形態(tài) 7-b 150 s聚集形態(tài) 7-c 飽和狀態(tài)圖7 皮革聚集過(guò)程

圖7和圖8分別為皮革樣品隨時(shí)間的聚集過(guò)程與聚集面積柱狀圖。從圖7可以較為直觀的看出，試驗(yàn)初期皮革大都堆積在裝置前側(cè)，但到了試驗(yàn)后期，裝置后側(cè)的皮革比裝置前的多；裝置前的皮革樣品也主要集中在拱頂處，裝置兩側(cè)較少。究其原因，是由于皮革經(jīng)過(guò)浸泡，在水里運(yùn)動(dòng)并不是完全呈漂浮狀態(tài)，還有許多呈懸浮狀態(tài)，可能從裝置下方繞過(guò)并在后方形成聚集；裝置兩側(cè)開(kāi)敞也是導(dǎo)致兩側(cè)三角區(qū)漂浮物聚集少的主要原因，特別是皮革、布料等透水性好，質(zhì)量輕的漂浮物，裝置兩側(cè)的漂浮物數(shù)量明顯小于拱頂?shù)钠∥飻?shù)量。將圖8與樹(shù)枝樣品聚集面積柱狀圖作對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)皮革樣品聚集面積少于樹(shù)枝樣品聚集面積，而且在150 s左右到達(dá)最大聚集面積后就隨時(shí)間不斷減少，400 s時(shí)裝置前聚集面積只有最大聚集面積的一半，攔截效果較差。

圖8 皮革聚集面積隨時(shí)間變化Fig.8 Leather accumulation area changes with time

(3)布料聚集形態(tài)分析。

試驗(yàn)采用的純棉布料，有較好的透水性，在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，很難出現(xiàn)平鋪隨水流運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，大部分布料出現(xiàn)褶皺，且懸浮在水中，無(wú)法被裝置攔截，在多種樣品混合試驗(yàn)中，布料會(huì)被樹(shù)枝掛住，從而達(dá)到攔截布料的目的。

(4)泡沫聚集形態(tài)分析。

由于泡沫密度較小，樹(shù)枝的吃水深度大于泡沫的吃水深度。在相同水流條件下，樹(shù)枝可以相互擠壓重疊，形成穩(wěn)定的堆積體，而泡沫間具有互斥性，水流紊亂時(shí)，無(wú)法聚集。在多種樣品混合試驗(yàn)中，會(huì)有少量泡沫夾雜在樹(shù)枝、皮革和布料中被裝置攔截。

(5)多種樣品混合聚集形態(tài)分析。

9-a 50 s聚集形態(tài) 9-b 150 s聚集形態(tài) 9-c 飽和狀態(tài)圖9 多種樣品混合聚集過(guò)程

圖10 多種樣品混合聚集面積隨時(shí)間變化Fig.10 Variation of the mixed aggregation area of multiple samples with time

圖9和圖10分別為多種樣品混合隨時(shí)間的聚集過(guò)程與聚集面積柱狀圖。多種漂浮物樣品根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)常年漂浮物占比進(jìn)行配置[11]，樹(shù)枝70%、皮革20%、泡沫10%。從圖10可以看出因?yàn)闃?shù)枝樣品占比大，故聚集面積變化規(guī)律與樹(shù)枝漂浮物聚集面積變化規(guī)律相似，200 s時(shí)達(dá)到最大面積，之后有小幅減少，原因是，皮革經(jīng)過(guò)浸泡后，部分沉入水中；圖9可以直觀的看出，部分樣品在負(fù)壓作用下，從裝置底部繞道裝置后側(cè)，這也是聚集面積有所減小的原因，但隨著漂浮物地不斷增加，聚集面積趨于動(dòng)態(tài)平衡。

3.2 堆積面積分析

為了對(duì)比自浮升降式漂浮物攔截裝置對(duì)不同類型漂浮物攔截效果，統(tǒng)計(jì)不同工況下，漂浮物最終堆積面積，見(jiàn)表4。進(jìn)行5次試驗(yàn)，求平均值，使數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠。

表4 漂浮物最終聚集面積Tab.4 Final gathering area of floating objects cm2

由表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，裝置攔截多種混合樣品的聚集面積最大，其次是混合樹(shù)枝，細(xì)樹(shù)枝的聚集面積略大于粗樹(shù)枝和皮革樣品，由于布料和泡沫沒(méi)有形成穩(wěn)定的聚集形態(tài)，無(wú)法統(tǒng)計(jì)出聚集面積。多種混合漂浮物的5次試驗(yàn)聚集面積差異較大，原因可能是：每組試驗(yàn)人為拋下的漂浮物樣品數(shù)量存在誤差，且拋撒位置無(wú)法保證完全均勻；漂浮物尺寸有差異，大小不一；布料、泡沫樣品的攔截隨機(jī)性較強(qiáng)，樹(shù)枝攜帶布料的多少也對(duì)漂浮物最終聚集面積造成影響。

4 結(jié)論

漂浮物運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，漂浮物大小不一，且形狀不規(guī)則，在水流和波浪作用下難以準(zhǔn)確對(duì)裝置前漂浮物聚集體面積進(jìn)行測(cè)量，本文結(jié)合自浮升降式漂浮物攔截裝置整體模型試驗(yàn)，研究成果如下：

(1)對(duì)比幾種典型漂浮物在自浮升降式漂浮物攔截裝置前的聚集形態(tài)，發(fā)現(xiàn)在相同水流條件下，不同類型漂浮物在裝置前的聚集規(guī)律相似，都是先增多后出現(xiàn)少量流失，最后趨于平衡。布料和泡沫樣品由于自身體積較小，受水流影響大，只有當(dāng)樹(shù)枝或成堆漂浮物在裝置前聚集后才會(huì)被裝置攔截。

(2)漂浮物最終聚集面積有較大差異，多種混合試驗(yàn)>混合樹(shù)枝試驗(yàn)>細(xì)樹(shù)枝試驗(yàn)>粗樹(shù)枝試驗(yàn)>皮革試驗(yàn)。

(3)漂浮物堆積嚴(yán)重威脅水工建筑物的正常運(yùn)行，針對(duì)自浮升降式漂浮物攔截裝置的研究，不僅是解決山區(qū)河流汛期洪水導(dǎo)致漂浮物堆積影響水工建筑物安全的問(wèn)題，而且通過(guò)物理模型試驗(yàn)，對(duì)漂浮物在水中的聚集形態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律有了初步的探究，為漂浮物攔截裝置的研發(fā)提供理論支撐。