張 余,王永學,肖 霄

(大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧大連 116023)

隨著我國汽車數(shù)量不斷增多,廢舊輪胎的回收和再利用問題日益迫切,因此利用廢舊輪胎建造廢舊輪胎浮式防波堤不失為一種綠色環(huán)保、經(jīng)濟可行的辦法。

國外在20世紀60年代末就開始進行廢舊輪胎浮式防波堤的研究,大部分研究工作基于現(xiàn)場和原型試驗:1968年美國陸軍工程水道實驗站在Vicksburg做了Wave-maze型廢舊輪胎浮式防波堤現(xiàn)場試驗[1-2];1978年 Giles等[3]進行了全相似的Goodyear型廢舊輪胎浮式防波堤試驗研究;1982年Harms等[4]在美國陸軍海岸工程研究中心進行了全相似Wave-guard型結(jié)構(gòu)的試驗研究等,并陸續(xù)應(yīng)用到實際工程中。國內(nèi)吳維登等[5]在2002年進行了鋼管輪胎浮式防波堤消波的幾個影響因子的試驗研究。波浪對輪胎浮式防波堤結(jié)構(gòu)的作用機理十分復(fù)雜,原型試驗對試驗場地、試驗設(shè)備等要求很高,且費用極大;而模型試驗需要解決模型相似問題,當前這方面還沒有見到相關(guān)的研究工作,各種因素對廢舊輪胎浮式防波堤性能的影響還有待于深入研究。筆者依據(jù)水彈性相似理論,設(shè)計了小比尺的廢舊輪胎浮式防波堤模型試驗,通過與Harms等在美國陸軍海岸工程研究中心做的原型試驗對比,驗證了廢舊輪胎浮式防波堤等柔性防波堤結(jié)構(gòu)模型試驗技術(shù)的可行性。進行了廢舊輪胎浮式防波堤結(jié)構(gòu)相對堤寬、錨鏈拖地長度、錨鏈剛度對其消浪性能影響的試驗研究,為實際工程應(yīng)用提供參考。

1 物理模型試驗

1.1 試驗設(shè)備與儀器

模型試驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室中尺寸為23m×0.8m×0.8m(長×寬×高)、生波周期為0.5～5.0s的溢油水槽中進行。試驗水槽的前端為該實驗室研制生產(chǎn)的DL-3型液壓伺服不規(guī)則波造波機,采用微機控制并配備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),水槽的末端安裝有消能網(wǎng)。波要素測量采用該實驗室研制生產(chǎn)的DLY-1型波高-濾波-應(yīng)變混合式測量儀,波高測量范圍不小于30 cm,絕對誤差小于1mm。采用量程為0～5kg、精度小于或等于1%RL的DYL-1A型應(yīng)變式拉力傳感器測定模型的錨鏈力。

1.2 模型設(shè)計及試驗布置

依據(jù)Harms等[4]于1982年在美國陸軍海岸工程研究中心做的原型試驗的試驗參數(shù)進行模型設(shè)計。原型為3個Wave-guard型輪胎浮式防波堤結(jié)構(gòu)單元,沿波浪傳播方向?qū)挒?2.2m,長為3.66m,輪胎為標準載重車廢輪胎,平均直徑為1.016m,錨泊系統(tǒng)采用輪胎制動型,制動部分長6m,總鏈水平投影長度為12m。該試驗考慮廢舊輪胎浮式防波堤結(jié)構(gòu)的彈性特性,采用水彈性相似理論[6-7],即依據(jù)重力相似(Froude)準則和彈性相似(Cauchy)準則設(shè)計試驗?zāi)Ｐ?幾何比尺 λl、波高比尺 λH、波長比尺 λL、波周期比尺 λT、流體密度比尺 λρ、輪胎密度比尺λρ′、彈性模量比尺 λE之間的關(guān)系為

在滿足輪胎主要參數(shù)(幾何尺寸、密度、硬度)要求的前提下,綜合相似理論與模型制作實際,確定輪胎厚度比尺 λL′=10,變態(tài)率為 1.5,從而得到既能滿足幾何尺寸、密度、硬度要求又能方便制作的模型輪胎,取質(zhì)量比尺λM為浮體結(jié)構(gòu)中輪胎[8]采用硬度為70的天然橡膠制成,輪胎的主要參數(shù)見表1。

表1 輪胎主要參數(shù)

考慮原型鋼管特性,模型試驗管材采用直徑為30mm、壁厚為3mm的有機玻璃管。用玻璃絲帶做綁扎材料,將11個模型輪胎串成1排,并列12排,相鄰2排串連綁扎在有機玻璃管上,每132個模型輪胎組成1個結(jié)構(gòu)單元,相鄰2個單元共用同1個管,使3個單元連結(jié)在一起,每根管上還串有51個輪胎,合計600個模型輪胎組成寬度B=820mm、管間距G=244mm的試驗浮體,其中80個模型輪胎以13.3%的填充率填充泡沫材料,有機玻璃管兩端密封并提供一定浮力使試驗?zāi)Ｐ褪冀K保持漂浮狀態(tài)。錨泊系統(tǒng)中錨鏈考慮重力相似和彈性相似準則,模型中錨鏈單位質(zhì)量為25g/m,用彈簧模擬錨鏈剛度。驗證試驗?zāi)Ｐ驮谟藗?cè)選用輪胎制動型錨泊系統(tǒng),每根錨鏈中輪胎制動部分長400mm,共有5個模型輪胎,在迎浪側(cè)靠近浮體的4根錨鏈端各布置1個拉力傳感器;背浪側(cè)選用錨鏈錨泊,混合布鏈,總鏈水平長度為800mm,其中錨鏈拖地長度Lt=340mm,模型錨鏈布置見圖1,圖中D為輪胎直徑,d為輪胎頂端到水面的距離。浮體模型放置在水槽中間,浪高儀布置見圖2。在模型的迎浪測布置1號與2號浪高儀,1號與2號浪高儀和浮體模型中心的距離分別是215cm和200 cm;在模型的背浪測布置3號與4號浪高儀,3號與4號浪高儀和浮體模型中心的距離分別是200cm和215cm。

圖1 驗證試驗?zāi)Ｐ湾^鏈布置示意圖(單位:mm)

圖2 浪高儀布置示意圖(單位:cm)

1.3 數(shù)據(jù)處理

波面采樣時距為0.05s,采樣長度取1 024。每個試驗組次中將1號、2號浪高儀采集的波面數(shù)據(jù)用兩點法分離得到堤前入射波高和反射波高,將3號、4號浪高儀采集的波面數(shù)據(jù)各取10個波高求平均值得到透射波高。所有試驗重復(fù)3次,將3次結(jié)果取平均值,得到該組次的透射波高,從而得到表征消浪性能的透射系數(shù)。

錨鏈力通過拉力傳感器測量,每次試驗前要將傳感器調(diào)零,傳感器的信號通過A/D轉(zhuǎn)換器由計算機采集。圖3為迎浪側(cè)4個傳感器采集到的典型錨鏈力歷時曲線(此時波周期 T=0.97 s),將迎浪側(cè)4個錨鏈力數(shù)據(jù)進行同時刻疊加,得到迎浪側(cè)總的錨鏈力時間過程線。每個試驗組次取迎浪側(cè)總錨鏈力時間過程線的最大值,將3次重復(fù)試驗結(jié)果取平均,得到該組次浮堤模型迎浪側(cè)的最大總錨鏈力f。

圖3 典型錨鏈力歷時曲線(T=0.97s)

1.4 試驗結(jié)果

將原型波浪要素按1∶15比尺換算成模型試驗波浪要素。水深h為0.31m,波高H分別為0.03m,0.04m,0.05m,0.07m,0.08m,0.10m,波周期T分別為0.52s,0.61s,0.70s,0.79s,0.88s,0.97s,1.06s,1.14s。消浪性能由透射系數(shù)Kt來表征,即Kt=Ht/Hi,其中Ht為透射波高,Hi為入射波高。為方便與原型試驗比較,將模型試驗中迎浪側(cè)的最大總錨鏈力f按照式(3)換算成原型的迎浪側(cè)單寬錨鏈力FP:式中:l為模型迎浪側(cè)寬度。

圖4是在相同的相對吃水D/d=0.22、相對間隔G/D=3.3、浮體寬高比 B/D=12.0情況下,相對堤寬B/L對Kt影響的試驗結(jié)果與原型結(jié)果[4]的比較,圖中H為波高,L為波長。圖5是錨鏈力試驗結(jié)果與原型結(jié)果[4]的比較。圖4和圖5反映出試驗結(jié)果與原型結(jié)果吻合較好,證明該模型試驗采取的相似關(guān)系是合理的。由圖4和圖5可以得出:Kt隨B/L的增大而減小,當B/L＞0.6時,Kt＜0.5;FP隨H的增大而增大。

圖4 透射系數(shù)試驗結(jié)果與Harms原型結(jié)果的比較

圖5 錨鏈力試驗結(jié)果與Harms原型結(jié)果的比較

2 影響因素分析

在驗證試驗的基礎(chǔ)上,進行了不同錨鏈剛度、不同錨鏈拖地長度對廢舊輪胎浮式防波堤性能影響的試驗研究。錨泊系統(tǒng)采用平行布鏈形式,錨鏈靠近浮體端安裝拉力傳感器,均為鉸接,試驗?zāi)Ｐ筒贾靡妶D6。選取水深 h=0.31m,波高H=0.05m,波周期T分別為0.70s,0.79s,0.88s,0.97s,錨鏈拖地長度Lt分別為0m,0.15m,0.34 m,錨鏈剛度k分別為0.20kg/m,1.00 kg/m,4.50 kg/m。消浪性能由透射系數(shù)來表征,波面采樣數(shù)據(jù)處理過程與驗證試驗相同。每個試驗組次分別對迎浪側(cè)每根錨鏈力時間過程線取最大值,將每根錨鏈的3次重復(fù)錨鏈力試驗結(jié)果取平均,得到該組次浮堤模型迎浪側(cè)每根錨鏈的最大錨鏈力fi(i=1,…,4),再將迎浪側(cè)這4根錨鏈的最大錨鏈力取平均,得到單根錨鏈的錨鏈力F。

圖6 試驗?zāi)Ｐ筒贾檬疽鈭D(單位:mm)

2.1 透射系數(shù)影響因素分析

圖7 是在H=0.05m情況下,B/L,Lt和k對Kt影響的試驗結(jié)果。由圖7可以看出:相對堤寬是影響透射系數(shù)的主要因素,隨著相對堤寬的增大,透射系數(shù)減小;錨鏈剛度、錨鏈拖地長度對透射系數(shù)的影響不是很明顯。廢舊輪胎浮式防波堤結(jié)構(gòu)的擋浪面積小,波浪反射小,其主要消浪機理是通過浮體組件輪胎之間的相對運動擾亂水流質(zhì)點的軌跡以及輪胎沿程摩擦來耗散波能。相對堤寬越大,耗能作用越大,沿程摩擦所耗散的波能越大,因而消浪效果越好。浮體模型在波浪作用下主要是升沉運動,橫移運動不大,因而錨鏈剛度及錨鏈拖地長度影響不大。

圖7 B/L,Lt和k對Kt的影響

圖8 B/L,Lt和k對F的影響

2.2 錨鏈力影響因素分析

圖8 是在H=0.05m情況下,Lt,k和B/L對錨鏈力影響的試驗結(jié)果。由圖8可以看出:錨鏈剛度一定時,隨著錨鏈拖地長度的增加,錨鏈張緊程度降低,錨鏈力減小;相同錨鏈拖地長度時,錨鏈力隨錨鏈剛度的增大而增大;錨鏈剛度較小時,錨鏈拖地長度對錨鏈力的影響較小,錨鏈剛度較大時,錨鏈拖地長度對錨鏈力的影響較大;隨著相對堤寬的增加,錨鏈力達到某一峰值,這主要是受模型結(jié)構(gòu)本身自振周期的影響;對于小剛度的錨泊系統(tǒng),錨鏈力的峰值不明顯,對于剛度較大的錨泊系統(tǒng),錨鏈力的峰值十分明顯。

3 結(jié) 論

a.采用水彈性相似理論設(shè)計的輪胎浮式防波堤模型試驗與原型試驗吻合較好,表明該試驗的模型相似技術(shù)是可行的。

b.輪胎浮式防波堤結(jié)構(gòu)消浪性能的主要影響參數(shù)是浮堤的相對寬度,隨著相對堤寬的增加,透射系數(shù)減小。在該試驗范圍內(nèi),當?shù)虒挻笥?.6倍波長時,透射系數(shù)小于0.5;錨鏈剛度和錨鏈拖地長度對透射系數(shù)的影響不明顯。

c.波高、相對堤寬、錨鏈拖地長度和錨鏈剛度等對輪胎浮式防波堤的錨鏈力有明顯的影響。錨鏈力隨著波高和錨鏈剛度的增大而增大,隨著錨鏈拖地長度的增大而減小。柔性體的自振周期對錨鏈力有較大的影響,表現(xiàn)在錨鏈力在某一相對堤寬時出現(xiàn)1個峰值。

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[2]NOBLEH M.Use ofwave-maze flexible floating breakwater to protect offshore structure and landings[C]Proceedings of Offshore Technology Conference.Houston:[s.n.],1976:215-224.

[3]GILES M L,SORENSON R M.Prototype scale mooring load and transmission tests for a floating tire breakwater[R].Washington D.C.:Coastal Engineering Research Center,1978.

[4]HAR MS V W,WESTERINK J J,SORENSEN R M,et al.Wave transmission and mooring force characteristics of pipetire floating breakwaters[R].Washington D.C.:Coastal Engineering Research Center,1982.

[5]吳維登,鐘瑚穗,黃俊.鋼管輪胎浮式防波堤消波的幾個影響因子[J].河海大學學報:自然科學版,2002,30(5):79-82.

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[7]韓麗華,姜萌,馬震岳.港口海岸工程水力模型實驗教程[M].大連:大連理工大學出版社,2007:43-45.

[8]《橡膠工業(yè)手冊》編寫小組.橡膠工業(yè)手冊:輪胎、膠帶與膠管[M].北京:北京燃料化學工業(yè)出版社,1975.