羅佳敏，秦 鵬，謝 鋒，王嘉威，張一祁，吳 浩

(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

隨著我國(guó)汽車業(yè)的迅猛發(fā)展，每年產(chǎn)生的廢舊輪胎在以8%～10%的速度急劇增加，已成為當(dāng)前被我們忽視的一種新污染[1]。據(jù)中國(guó)橡膠工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2012年我國(guó)輪胎產(chǎn)量為8.92億條，同比去年增長(zhǎng)4.2%。同時(shí)產(chǎn)生廢舊輪胎2.8億條，首次成為年產(chǎn)廢輪胎量最大的國(guó)家[1-2]。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。急劇增加廢舊輪胎已經(jīng)形成一定規(guī)模，對(duì)環(huán)境構(gòu)成威脅。隨意丟棄或堆積的廢輪胎，既會(huì)造成土地資源的浪費(fèi)，還可能會(huì)造成火災(zāi)等一系列不好的影響，被稱為“黑色污染”[2]。一方面是與日俱增龐大的輪胎產(chǎn)量，另一方面卻是令多地頭疼的廢舊輪胎安全事故及污染問題。近年來(lái)，由廢舊輪胎引發(fā)的安全事故屢見報(bào)端，廢舊輪胎長(zhǎng)期大量堆積，極易引起火災(zāi)，并容易造成二次污染。

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。然而由于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(wú)法對(duì)強(qiáng)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(duì)堤壩上觀潮的人群生命安全和設(shè)施造成嚴(yán)重威脅[3-4]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，近20年來(lái)，超過(guò)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。

針對(duì)廢舊輪胎污染環(huán)境和錢塘江大潮“吃人”兩個(gè)社會(huì)熱點(diǎn)問題，我們對(duì)現(xiàn)有的防浪護(hù)坡進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，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)。這種新型的防浪護(hù)坡結(jié)構(gòu)能夠?qū)U舊輪胎進(jìn)行有效的廢物利用，在承受潮水沖擊時(shí)，利用強(qiáng)水流在輪胎群錯(cuò)落結(jié)構(gòu)的碰撞、旋繞中消減大量沖刷能量的消能原理，能夠達(dá)到很好的消能防浪沖擊效果。我們的發(fā)明具有綠色環(huán)保、建造及維護(hù)成本低、消能護(hù)堤效果顯著等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到推廣后每年會(huì)給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及社會(huì)效益[4]。

1 裝置構(gòu)造及工作原理

1.1 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(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

1.2 消能原理

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；廢輪胎群協(xié)同消能。

(2)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。

2 水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬試驗(yàn)

采用FLOW-3D對(duì)廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬試驗(yàn)，考慮廢輪胎排列布置的交錯(cuò)性，故采用三維非恒定流數(shù)值模擬，以較為真實(shí)的重現(xiàn)出實(shí)際情況。FLOW-3D依托其獨(dú)有的True VOF方法，可以較為準(zhǔn)確的捕捉兩相流中自由水面的變動(dòng)，采用標(biāo)準(zhǔn)的立方體(長(zhǎng)方體)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)于局部復(fù)雜的體型變化捕捉需要一定的網(wǎng)格尺度，就可以較好的對(duì)固體邊界進(jìn)行擬合[5]。

考慮廢輪胎排列布置的交錯(cuò)性，故采用三維非恒定流數(shù)值模擬，以較為真實(shí)的重現(xiàn)出實(shí)際情況。

2.1 控制方程

三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型是水體流動(dòng)過(guò)程的完整描述，主要控制方程包括：

連續(xù)方程：

(1)

水動(dòng)力學(xué)方程：

(2)

(3)

(4)

紊流模型采用k-ε模型：

(5)

(6)

(7)

(8)

其中：u、v、w分別為x、y、z方向流速；υh、υt分別為水平方向和垂向紊動(dòng)粘性系數(shù)；ρ為密度；p為壓強(qiáng)；fx、fy、fz分別為x、y、z方向的體積力分量；k為紊動(dòng)動(dòng)能；ε為紊動(dòng)動(dòng)能耗散率[6-8]。

2.2 三維模型的建立

使用專業(yè)三維建模軟件Rhinoceros對(duì)防浪廢輪胎護(hù)坡(部分)與傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)建模。防浪廢輪胎護(hù)坡(部分)與傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)的三維模型(見圖3)。

FLOW-3D使用立方體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，保證準(zhǔn)確的捕捉自由水面的變動(dòng)。FLOW-3D計(jì)算的網(wǎng)格劃分(見圖4)。

圖3 防浪廢輪胎護(hù)坡(部分)與傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)的三維模型

圖4 FLOW-3D計(jì)算的網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件及初始條件

按照水槽的尺寸建立數(shù)值水槽，水體蓄水位達(dá)到25 cm，閘孔開度控制為10 cm。數(shù)值水槽的壁面設(shè)置為Wall。數(shù)值模擬水槽的初始狀態(tài)和邊界條件(見圖5)。

2.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

選取相同水力條件、相同水流沖擊時(shí)間節(jié)點(diǎn)(本文為試驗(yàn)開始后第5 s)進(jìn)行圖像截取，水槽試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果(見圖6)。圖中第一組為傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)防沖刷效果的水槽試驗(yàn)和其數(shù)值模擬試驗(yàn)；第二組為橫向排列型廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)的防沖刷效果水槽試驗(yàn)和其數(shù)值模擬試驗(yàn)；第三組為縱向排列型廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)的防沖刷效果水槽試驗(yàn)和其數(shù)值模擬試驗(yàn)。(相同水流沖刷條件、相同對(duì)比時(shí)間)。

圖5 數(shù)值模擬水槽的初始狀態(tài)和邊界條件

由圖中可以看出，與傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)相比，防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)在承受潮水沖擊時(shí)，利用強(qiáng)水流在輪胎群錯(cuò)落結(jié)構(gòu)的碰撞、旋繞中消減大量沖刷能量的消能原理，能夠達(dá)到很好的消能防浪減緩沖擊的效果。數(shù)值模擬計(jì)算與水槽試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，證明了廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)防浪抗沖刷的可行性。

圖6 數(shù)值模擬計(jì)算與水槽試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 論

(1)采用FLOW-3D軟件對(duì)傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)、橫向排列型廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)、縱向排列型廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬試驗(yàn)，并與真實(shí)水力試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比，并將計(jì)算結(jié)果與水槽試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)相比，新型的防浪廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到很好的消能防浪減緩沖擊的效果，而且縱向排列型廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)的消能效果要好于橫向排列型廢輪胎護(hù)坡結(jié)構(gòu)的消能效果。

(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，同時(shí)能夠有效的抵御浪潮對(duì)堤防、海塘等水工建筑物的沖擊，具有重要的使用和推廣意義。