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

錢塘江作為杭州市一道閃亮的名片，錢江兩岸逐漸成為杭州市重要的經(jīng)濟(jì)和文化中心，而錢塘江海塘作為錢塘江的守護(hù)者，保衛(wèi)著兩岸人民的幸福生活.而目前錢塘江海塘存在以下兩個問題：一是錢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，無法對強大的沖擊浪進(jìn)行有效的緩沖，錢塘江大潮很容易沖上海塘對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)計顯示，近20年來，超過100人被錢塘江潮水奪去了生命，其中錢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.二是錢塘江潮水對兩岸的海塘沖刷破壞非常嚴(yán)重.據(jù)先前統(tǒng)計數(shù)據(jù)，錢塘江海塘固定資產(chǎn)75億元，海塘折舊年限為80年,則年折舊費為9 300萬元.根據(jù)對省管已建及在建97 km標(biāo)準(zhǔn)塘的斷面測算,建成后年養(yǎng)護(hù)維修管理費19萬元/km，加上海塘觀測、運行費用共2 840萬元[1].而在近幾年，每年的維護(hù)費用已大大的超出這個數(shù)字.

近年來，中國每年產(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].一項統(tǒng)計數(shù)字顯示，到2020年，中國廢舊輪胎產(chǎn)量將達(dá)2 000萬t.日益加劇的“黑色污染”[3]給中國本已脆弱的生態(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.

針對這些問題，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：CN 205975479 U)[4]，并通過水槽模擬試驗，明確廢輪胎護(hù)坡的消能機理，并研究廢輪胎最佳布置方案，以期對護(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：廢輪胎上開設(shè)小孔，縱向鋼筋穿過小孔，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，廢輪胎交錯布置.廢輪胎、縱向鋼筋、橫向鋼筋位置關(guān)系示意圖(見圖1)，防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)整體布置示意圖(見圖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)主要從三個方面對沖擊海浪進(jìn)行消能.

(1)廢輪胎內(nèi)部消能

沖擊浪在通過廢輪胎中間空腔時，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

沖擊浪通過廢輪胎外部的垂直向及豎直向廢輪胎群時，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產(chǎn)生一定的反作用力，也能夠消減海浪一部分動能，同時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

3.1 試驗場地及試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗在浙江水利水電學(xué)院水流動力學(xué)試驗室

進(jìn)行，試驗儀器為浙江大學(xué)毛根海教授團(tuán)隊自主研制的自循環(huán)供水箱、潛水泵的新型自循環(huán)明渠實驗槽(型號：MGU-FF3-2-3)，水槽長度l=35 cm，寬度b=10.0 cm，最大進(jìn)口流量Q=20 m3/h，自循環(huán)明渠實驗水槽(見圖3)，試驗場地(見圖4).模型放置于試驗水槽中進(jìn)行防浪結(jié)構(gòu)沖刷試驗.利用高速相接抓拍試驗中的波浪形態(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?zāi)Ｐ停瑫r制作一個傳統(tǒng)的護(hù)坡結(jié)構(gòu)作為對比試驗.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)明渠實驗水槽

圖4 試驗場地、設(shè)備及儀器調(diào)試

3.2 試驗水力波浪強度測算

水槽流量由電磁流量系統(tǒng)控制，并通過試驗人員手動控制上游垂直提升式蓄水閘門的啟閉來控制水力波浪強度.擬提升式蓄水閘門蓄水位達(dá)到25 cm時釋放下泄水流，閘孔開合高度控制為10 cm，則沖擊浪可按照平地板閘孔出流進(jìn)行測算，沖擊浪流速及流量計算如下：

試驗水力計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)

因為Q=Acvc=vcbhc，所以有

3.3 護(hù)坡防浪水力試驗

水槽上游通過提升式閘門控制水流流速及流量，試驗過程中對消能效果進(jìn)行對比觀測.

3.3.1 試驗1 消能效果對比觀測試驗

利用水槽制造相同強度的水力波浪，觀測強波浪沖擊下傳統(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

將提升式閘門關(guān)閉并蓄至試驗所需水量，蓄水高度h=25 cm.隨后，將閘門進(jìn)行快速提升，形成一個高10 cm，寬10 cm的閘口，觀察利用高速攝像機連續(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，從閘門開啟到?jīng)_擊水流沖上護(hù)坡的時間為5 s，截取此時的水流沖擊試驗結(jié)果(見圖6).

由實驗現(xiàn)象可得，水流在沖刷傳統(tǒng)堤防護(hù)坡模型的瞬間，護(hù)坡表面并沒有對浪潮進(jìn)行有效消能，水流在勢能作用下直接涌過堤防.

(2)廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)防沖刷效果試驗

對廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行與傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)相同的實驗操作，同樣截取第5 s的水流沖擊試驗結(jié)果(見圖7).

由實驗現(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)坡表面的輪胎群對浪潮進(jìn)行充分消能，水流在輪胎群錯落結(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

(1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗

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(對比觀測試驗)

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度的水力波浪，分別對輪胎排數(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，觀測強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

在最優(yōu)的防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，測量強波浪沖擊下，護(hù)坡結(jié)構(gòu)迎水面、背水面過水量，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時間的變化.經(jīng)過一系列對比試驗，得出以下結(jié)論：①在結(jié)構(gòu)強度允許范圍內(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.這為未來進(jìn)行現(xiàn)場試驗提供重要的參考依據(jù).圖8為試驗過程中最優(yōu)護(hù)坡結(jié)構(gòu)消能效果圖.試驗中的輪胎模型僅是外形尺寸的相似,彈性的力學(xué)模擬目前難以實現(xiàn).因此文中的試驗結(jié)果并不能完全反映輪胎加糙的實際狀況.考慮到真實的輪胎是空心的,實際加糙的效果會比模型試驗的結(jié)果更好.至于輪胎加糙的機理，希望隨著先進(jìn)量測儀器的出現(xiàn)得以揭示.

圖7 廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)防沖刷效果(對比觀測試驗)

圖8 最優(yōu)護(hù)坡結(jié)構(gòu)消能效果圖

3 結(jié) 論

(1)通過對試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，新型防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)對強水流消能效果顯著，水流在輪胎群錯落結(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，防止水流在勢能作用下涌過堤防，對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)人民生命財產(chǎn)安全，降低堤防成本提供了新的設(shè)計思路，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)對廢輪胎的二次利用，綠色環(huán)保，為治理由廢輪胎帶來的“黑色污染”，提供了一種新的可行性方案.