一种新型护坡结构的消能效果水动力学模拟

罗佳敏，秦 鹏，谢 锋，王嘉威，张一祁，吴 浩

(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

随着我国汽车业的迅猛发展，每年产生的废旧轮胎在以8%～10%的速度急剧增加，已成为当前被我们忽视的一种新污染[1]。据中国橡胶工业协会统计，2012年我国轮胎产量为8.92亿条，同比去年增长4.2%。同时产生废旧轮胎2.8亿条，首次成为年产废轮胎量最大的国家[1-2]。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。急剧增加废旧轮胎已经形成一定规模，对环境构成威胁。随意丢弃或堆积的废轮胎，既会造成土地资源的浪费，还可能会造成火灾等一系列不好的影响，被称为“黑色污染”[2]。一方面是与日俱增庞大的轮胎产量，另一方面却是令多地头疼的废旧轮胎安全事故及污染问题。近年来，由废旧轮胎引发的安全事故屡见报端，废旧轮胎长期大量堆积，极易引起火灾，并容易造成二次污染。

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。然而由于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[3-4]。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。

针对废旧轮胎污染环境和钱塘江大潮“吃人”两个社会热点问题，我们对现有的防浪护坡进行创新设计，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)。这种新型的防浪护坡结构能够对废旧轮胎进行有效的废物利用，在承受潮水冲击时，利用强水流在轮胎群错落结构的碰撞、旋绕中消减大量冲刷能量的消能原理，能够达到很好的消能防浪冲击效果。我们的发明具有绿色环保、建造及维护成本低、消能护堤效果显著等诸多优点，得到推广后每年会给社会带来巨大的经济价值及社会效益[4]。

1 装置构造及工作原理

1.1 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

1.2 消能原理

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；废轮胎群协同消能。

(2)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。

2 水动力学数值模拟试验

采用FLOW-3D对废轮胎护坡结构进行水动力学数值模拟试验，考虑废轮胎排列布置的交错性，故采用三维非恒定流数值模拟，以较为真实的重现出实际情况。FLOW-3D依托其独有的True VOF方法，可以较为准确的捕捉两相流中自由水面的变动，采用标准的立方体(长方体)结构网格，对于局部复杂的体型变化捕捉需要一定的网格尺度，就可以较好的对固体边界进行拟合[5]。

考虑废轮胎排列布置的交错性，故采用三维非恒定流数值模拟，以较为真实的重现出实际情况。

2.1 控制方程

三维水动力数学模型是水体流动过程的完整描述，主要控制方程包括：

连续方程：

(1)

水动力学方程：

(2)

(3)

(4)

紊流模型采用k-ε模型：

(5)

(6)

(7)

(8)

其中：u、v、w分别为x、y、z方向流速；υh、υt分别为水平方向和垂向紊动粘性系数；ρ为密度；p为压强；fx、fy、fz分别为x、y、z方向的体积力分量；k为紊动动能；ε为紊动动能耗散率[6-8]。

2.2 三维模型的建立

使用专业三维建模软件Rhinoceros对防浪废轮胎护坡(部分)与传统护坡结构建模。防浪废轮胎护坡(部分)与传统护坡结构的三维模型(见图3)。

FLOW-3D使用立方体结构网格对计算区域进行划分，保证准确的捕捉自由水面的变动。FLOW-3D计算的网格划分(见图4)。

图3 防浪废轮胎护坡(部分)与传统护坡结构的三维模型

图4 FLOW-3D计算的网格划分

2.3 边界条件及初始条件

按照水槽的尺寸建立数值水槽，水体蓄水位达到25 cm，闸孔开度控制为10 cm。数值水槽的壁面设置为Wall。数值模拟水槽的初始状态和边界条件(见图5)。

2.4 数值计算结果

选取相同水力条件、相同水流冲击时间节点(本文为试验开始后第5 s)进行图像截取，水槽试验及数值模拟计算结果(见图6)。图中第一组为传统护坡结构防冲刷效果的水槽试验和其数值模拟试验；第二组为横向排列型废轮胎护坡结构的防冲刷效果水槽试验和其数值模拟试验；第三组为纵向排列型废轮胎护坡结构的防冲刷效果水槽试验和其数值模拟试验。(相同水流冲刷条件、相同对比时间)。

图5 数值模拟水槽的初始状态和边界条件

由图中可以看出，与传统护坡结构相比，防浪废轮胎护坡结构在承受潮水冲击时，利用强水流在轮胎群错落结构的碰撞、旋绕中消减大量冲刷能量的消能原理，能够达到很好的消能防浪减缓冲击的效果。数值模拟计算与水槽试验结果较为吻合，证明了废轮胎护坡结构防浪抗冲刷的可行性。

图6 数值模拟计算与水槽试验结果对比

3 结 论

(1)采用FLOW-3D软件对传统护坡结构、横向排列型废轮胎护坡结构、纵向排列型废轮胎护坡结构进行水动力学数值模拟试验，并与真实水力试验成果进行对比，并将计算结果与水槽试验进行对比，对比结果显示，与传统护坡结构相比，新型的防浪废轮胎护坡结构能够达到很好的消能防浪减缓冲击的效果，而且纵向排列型废轮胎护坡结构的消能效果要好于横向排列型废轮胎护坡结构的消能效果。

(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，同时能够有效的抵御浪潮对堤防、海塘等水工建筑物的冲击，具有重要的使用和推广意义。