一种新型护坡结构的防浪消能效果水力试验

罗佳敏，秦 鹏，王嘉威，吴 浩，张一祁，罗倩忆

(浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

钱塘江作为杭州市一道闪亮的名片，钱江两岸逐渐成为杭州市重要的经济和文化中心，而钱塘江海塘作为钱塘江的守护者，保卫着两岸人民的幸福生活.而目前钱塘江海塘存在以下两个问题：一是钱塘江海塘大多采用直立式或斜坡式混凝土结构，护坡表面光滑，无法对强大的冲击浪进行有效的缓冲，钱塘江大潮很容易冲上海塘对堤坝上观潮的人群生命安全和设施造成严重威胁.数据统计显示，近20年来，超过100人被钱塘江潮水夺去了生命，其中钱塘潮水吞人最多的是1993年的10月3日，有86人被瞬间冲出堤岸的潮水卷入江中，其中19人死亡，27人受伤，40人下落不明.二是钱塘江潮水对两岸的海塘冲刷破坏非常严重.据先前统计数据，钱塘江海塘固定资产75亿元，海塘折旧年限为80年,则年折旧费为9 300万元.根据对省管已建及在建97 km标准塘的断面测算,建成后年养护维修管理费19万元/km，加上海塘观测、运行费用共2 840万元[1].而在近几年，每年的维护费用已大大的超出这个数字.

近年来，中国每年产生的废旧轮胎在以8%～10%的速度急剧增加，成了一种新污染[2].一项统计数字显示，到2020年，中国废旧轮胎产量将达2 000万t.日益加剧的“黑色污染”[3]给中国本已脆弱的生态环境雪上加霜.因此，治理废旧轮胎造成的“黑色污染”刻不容缓.

针对这些问题，结合废轮胎二次利用的思路发明了一种防浪废轮胎护坡结构(专利授权号：CN 205975479 U)[4]，并通过水槽模拟试验，明确废轮胎护坡的消能机理，并研究废轮胎最佳布置方案，以期对护坡结构进行优化.

2 装置构造及工作原理

2.1 装置构造

防浪废轮胎护坡结构由废轮胎、纵向钢筋、横向钢筋、碎石层、混凝土层、垂直坡面废轮胎群组成.结构各组件之间的关系：废轮胎上开设小孔，纵向钢筋穿过小孔，横向钢筋分别与纵向钢筋焊接，构成井字型，废轮胎及焊接成井字型的纵向钢筋、横向钢筋浇筑在混凝土层中，优选废轮胎外露2/5，废轮胎交错布置.废轮胎、纵向钢筋、横向钢筋位置关系示意图(见图1)，防浪废轮胎护坡结构整体布置示意图(见图2).

图1 废轮胎、纵向钢筋、横向钢筋位置关系示意图

图2 防浪废轮胎护坡结构整体布置示意图

2.2 工作原理

防浪废轮胎护坡结构主要从三个方面对冲击海浪进行消能.

(1)废轮胎内部消能

冲击浪在通过废轮胎中间空腔时，流态复杂，相互碰撞、旋绕，能够消减一部分能量.

(2)废轮胎群协同消能

冲击浪通过废轮胎外部的垂直向及竖直向废轮胎群时，宛如进入迷宫，潮水在废轮胎群的缝隙中相互碰撞，从而消减大量能量.

(3)废轮胎结构消能

由于废轮胎具有一定的弹性，在海浪冲击作用下会产生一定的反作用力，也能够消减海浪一部分动能，同时由于轮胎具有弹性的材料特质，使得废轮胎护坡比混凝土材质护坡具有更强的使用耐久性.

3 防浪废轮胎护坡结构防冲刷效果水槽试验

3.1 试验场地及试验模型

试验在浙江水利水电学院水流动力学试验室

进行，试验仪器为浙江大学毛根海教授团队自主研制的自循环供水箱、潜水泵的新型自循环明渠实验槽(型号：MGU-FF3-2-3)，水槽长度l=35 cm，宽度b=10.0 cm，最大进口流量Q=20 m3/h，自循环明渠实验水槽(见图3)，试验场地(见图4).模型放置于试验水槽中进行防浪结构冲刷试验.利用高速相接抓拍试验中的波浪形态(佳能750D，EF-S 18-135 1：3.5-5.6 STM).

以防浪废轮胎护坡结构为基础模型，根据试验水槽的尺寸进行等比例缩放制作，防浪废轮胎护坡结构根据轮胎排数(一排、两排、三排、多排)、轮胎间距(1/2轮胎间距、2/3轮胎间距、整个轮胎间距)、废旧轮胎露出护坡高度比例(1/2，1/3，2/3)制作多组试验模型，同时制作一个传统的护坡结构作为对比试验.防浪废轮胎护坡结构模型与传统护坡结构模型如图5所示，图中左侧模型为防浪废轮胎护坡结构，右侧为传统护坡结构.

图3 自循环明渠实验水槽

图4 试验场地、设备及仪器调试

3.2 试验水力波浪强度测算

水槽流量由电磁流量系统控制，并通过试验人员手动控制上游垂直提升式蓄水闸门的启闭来控制水力波浪强度.拟提升式蓄水闸门蓄水位达到25 cm时释放下泄水流，闸孔开合高度控制为10 cm，则冲击浪可按照平地板闸孔出流进行测算，冲击浪流速及流量计算如下：

试验水力计算条件为闸孔自由出流，闸前断面及收缩后断面的能量方程[5-8]：

(1)

(2)

因为Q=Acvc=vcbhc，所以有

3.3 护坡防浪水力试验

水槽上游通过提升式闸门控制水流流速及流量，试验过程中对消能效果进行对比观测.

3.3.1 试验1 消能效果对比观测试验

利用水槽制造相同强度的水力波浪，观测强波浪冲击下传统护坡结构与防浪废轮胎护坡结构在横截面的水流冲刷形态的区别，印证防浪废轮胎护坡结构的消能防浪能力.

(1)传统护坡结构防冲刷效果试验

将提升式闸门关闭并蓄至试验所需水量，蓄水高度h=25 cm.随后，将闸门进行快速提升，形成一个高10 cm，宽10 cm的闸口，观察利用高速摄像机连续拍摄提闸后浪潮冲刷到传统护坡结构模型瞬间的水流形态并记录，从闸门开启到冲击水流冲上护坡的时间为5 s，截取此时的水流冲击试验结果(见图6).

由实验现象可得，水流在冲刷传统堤防护坡模型的瞬间，护坡表面并没有对浪潮进行有效消能，水流在势能作用下直接涌过堤防.

(2)废轮胎护坡结构防冲刷效果试验

对废轮胎护坡结构进行与传统护坡结构相同的实验操作，同样截取第5 s的水流冲击试验结果(见图7).

由实验现象可得，水流在冲刷到防浪废轮胎护坡模型的瞬间，该护坡表面的轮胎群对浪潮进行充分消能，水流在轮胎群错落结构的碰撞、旋绕中产生大量气泡，有效消减了水流冲刷能量，水流被明显的消能，达到了很好的消能防浪冲击效果.

3.3.2 废轮胎护坡结构优化试验

(1)结构优化试验

图5 防浪废轮胎护坡(部分)与传统护坡结构模型

图6 传统护坡结构防冲刷效果(对比观测试验)

制作多组防浪废轮胎护坡结构模型，利用水槽制造相同强度的水力波浪，分别对轮胎排数(一排、两排、三排、多排)、轮胎间距(1/2轮胎间距、2/3轮胎间距、整个轮胎间距)、废旧轮胎露出护坡高度比例(1/2，1/3，2/3)、轮胎布置情况(横排、竖排)进行分组试验，观测强波浪冲击下不同组合的防浪废轮胎在横截面的水流冲刷形态，最终优选出最佳的防浪废轮胎护坡结构.

(2)优选护坡结构消能效果水力试验

在最优的防浪废轮胎护坡结构的基础上，测量强波浪冲击下，护坡结构迎水面、背水面过水量，以及防浪废轮胎护坡结构周围水域流速随冲刷试验时间的变化.经过一系列对比试验，得出以下结论：①在结构强度允许范围内，废轮胎在堤防护坡上的数量与密度与护坡的效能效果成正比关系；②轮胎竖向排列消能效果优于横向排列.这为未来进行现场试验提供重要的参考依据.图8为试验过程中最优护坡结构消能效果图.试验中的轮胎模型仅是外形尺寸的相似,弹性的力学模拟目前难以实现.因此文中的试验结果并不能完全反映轮胎加糙的实际状况.考虑到真实的轮胎是空心的,实际加糙的效果会比模型试验的结果更好.至于轮胎加糙的机理，希望随着先进量测仪器的出现得以揭示.

图7 废轮胎护坡结构防冲刷效果(对比观测试验)

图8 最优护坡结构消能效果图

3 结 论

(1)通过对试验结果分析发现，新型防浪废轮胎护坡结构对强水流消能效果显著，水流在轮胎群错落结构的碰撞、旋绕中产生大量气泡，消减了大量的冲刷能量，防止水流在势能作用下涌过堤防，对堤防本身也有着很好的保护作用.防浪废轮胎护坡结构为保卫人民生命财产安全，降低堤防成本提供了新的设计思路，应用前景广阔.

(2)防浪废轮胎护坡结构能够实现对废轮胎的二次利用，绿色环保，为治理由废轮胎带来的“黑色污染”，提供了一种新的可行性方案.