基于拱形自浮拦截装置的典型漂浮物拦截效果对比试验

2022-05-18刘宪庆李日鑫

水道港口 2022年1期

余葵，刘阳*，刘宪庆，李日鑫

(1.重庆交通大学，重庆 400074；2.重庆交通大学重庆市桥梁通航安全与防撞工程技术研究中心，重庆 400074)

三峡工程是目前世界上规模最大的水利枢纽工程，具有防洪、发电、航运等方面的巨大综合效益[1]。随着三峡蓄水方案“175-155-145”的实施，在改善长江上游航运条件、促进长江航运快速发展的同时，库区堆积的大量漂浮物[2-3]，严重威胁三峡水电站的安全运行。

湖南碗米坡水电厂投入运行后，进水口、取水口被漂浮物堵塞，洪水期降低利用水头4 m，年发电损失高达100万元；且拦污栅压差过大，将导致拦污栅压垮，造成机组飞逸事故发生[4]。广西下桥电厂自机组运行以来，两次因为漂浮物卡住导叶，导致导叶变形，致使剪断销机械剪断保护，且维修难度大[5]。目前水电站进水口处漂浮物主要靠人工或机械清理、水电站调度运行等，无法高效地解决水电站漂浮物带来的问题[6-7]。在研究桥梁防撞装置时[8-9]，通过现场观测，发现防撞装置内侧拦截了大量漂浮物(图1)。目前，大部分浮式拦污排排身设计为直排[10-11]，考虑到漂浮物堆积后装置中部凹陷，易断的情况，提出了一种新型自浮升降式漂浮物拦截装置，装置外形呈拱形，拱形朝向河段上游，以承受更大的漂浮物撞击力，保证装置自身结构稳定的同时达到拦截水上漂浮物的要求。开展此种新型装置拦截效果试验研究，研究成果可为装置优化提供参考，同时为类似工程提供借鉴。

图1 桥梁防撞装置内侧拦截的漂浮物Fig.1 Floating objects intercepted inside bridge anti-collision device

1 漂浮物来源及分类

长江干线漂浮物主要在洪水期和中洪期大量出现，当洪峰来临时，长江中上游会从支汊河口和岸坡洲滩上带来大量漂浮物，大量漂浮物来临现象在长江中游持续时间在3个月左右，长江上游一般和下雨时间长短密切相关。王茜、陈鸿丽[12-14]通过研究相关文献资料，将内河水域漂浮物的来源划分为五类，第一类是沿岸居民产生的生活垃圾，第二类是农作物秸秆、树枝与地表植被等，第三类是沿江水上餐饮娱乐业及部分矿工企业产生的工业垃圾，第四类是水域行驶的大小船舶[15]，第五类是从水域支流汇聚而来的漂浮物。通过对涪陵、奉节、巫山等地区漂浮物现场调研分类，可将漂浮物大致分为3大类：(1)枯草、枯枝类，此类漂浮物最多；(2)塑料类；(3)其他类，如居民的破旧衣物、皮革、橡胶轮胎等。具体调查结果见表1。

表1 漂浮物现场调查结果分析

表2 试验模型与实际模型参数对比Tab.2 Comparison of experimental model and actual model parameters

2 模型试验方案

2.1 试验条件及试验模型

试验用水槽：长30 m、宽2.5 m、高1.0 m，最大输出流量为500 L/s。自浮升降式漂浮物拦截装置是一种适用于重点水域环境保护、水工建筑物前漂浮物阻拦的专门性水工建筑物(见图2)。拦截装置采用多点系泊系统固定，锚缆收放机构通过水位检测系统监测水位，根据实时水位信息调节锚缆长度，实现装置定位。装置外形为拱形，半径为26.5 m、装置直径为1 m、吃水0.5 m；锚泊系统采用8根锚缆定位，中间4根对称布置，通过定滑轮另一端固定在重力锚块上，侧边锚缆导缆孔位置选择全长2/32处对称布置，通过定滑轮固定在水槽边。综合考虑水槽宽度、坡度、尾门高度等因素，选定模型试验几何比尺为λ=25，模型占槽宽的80%左右。装置模型采用PVC管制作，由于漂浮物种类复杂且形态各异，其聚集形态、运动状态及相互作用机理难以准确描述，模型试验满足水流运动相似、几何相似、漂浮度相似和漂送强度相似[16-18]。模型试验和实际模型结构的主要参数见表2。

图2 自浮升降式漂浮物拦截装置平面布置图Fig.2 Layout of self-floating floating object interception device

表3 模型试验组合Tab.3 Model test combination

2.2 试验方法

根据相关资料和现场调查得到的内河漂浮物种类，试验分别对树枝(细、粗、混合)、皮革、布料等代表性漂浮物进行收集，裁剪，预浸泡。待水流稳定后，在上游均匀散落漂浮物样本，样本在水流夹带下运动到拦截装置上，通过1 300万像素摄像头记录漂浮物运动过程和最终堆积形态。

试验组合见表3，为保证试验数据真实可靠，对每种漂浮物样品拦截情况都进行5次试验。

3 试验结果分析

由于篇幅所限，只展示粗树枝样品、皮革样品和多种漂浮物混合的聚集过程图，细树枝试验和粗细(1:1)树枝混合试验的聚集过程与粗树枝类似，就不再赘述，只分析其聚集面积随时间的变化规律。

3.1 聚集形态分析

(1)粗树枝聚集形态分析。

3-a 50 s聚集形态 3-b 150 s聚集形态 3-c 饱和状态图3 粗树枝聚集过程

图3和图4分别为粗树枝随时间的聚集形态和装置前聚集面积柱状图。从图4可以看出，粗树枝在装置前聚集面积随时间而不断增加，300 s时达到最大堆积面积，之后会有所减少，原因是装置前流速快，堆积体在堆积厚度到达饱和状态后，在负压作用下，漂浮物从装置下方绕过，最终在装置后侧形成少量堆积。细树枝和粗细树枝(1:1)混合试验漂浮物聚集规律与粗树枝相似，聚集面积随时间变化如图5和图6。

由图6可知，混合树枝的聚集面积最大，原因是细树枝与粗树枝混合，细树枝填补了粗树枝的空隙，使堆积体结构较为稳定，聚集面积也就更大。

(2)皮革聚集形态分析。

7-a 50 s聚集形态 7-b 150 s聚集形态 7-c 饱和状态图7 皮革聚集过程

图7和图8分别为皮革样品随时间的聚集过程与聚集面积柱状图。从图7可以较为直观的看出，试验初期皮革大都堆积在装置前侧，但到了试验后期，装置后侧的皮革比装置前的多；装置前的皮革样品也主要集中在拱顶处，装置两侧较少。究其原因，是由于皮革经过浸泡，在水里运动并不是完全呈漂浮状态，还有许多呈悬浮状态，可能从装置下方绕过并在后方形成聚集；装置两侧开敞也是导致两侧三角区漂浮物聚集少的主要原因，特别是皮革、布料等透水性好，质量轻的漂浮物，装置两侧的漂浮物数量明显小于拱顶的漂浮物数量。将图8与树枝样品聚集面积柱状图作对比，不难发现皮革样品聚集面积少于树枝样品聚集面积，而且在150 s左右到达最大聚集面积后就随时间不断减少，400 s时装置前聚集面积只有最大聚集面积的一半，拦截效果较差。

图8 皮革聚集面积随时间变化Fig.8 Leather accumulation area changes with time

(3)布料聚集形态分析。

试验采用的纯棉布料，有较好的透水性，在水中运动时，很难出现平铺随水流运动的状态，大部分布料出现褶皱，且悬浮在水中，无法被装置拦截，在多种样品混合试验中，布料会被树枝挂住，从而达到拦截布料的目的。

(4)泡沫聚集形态分析。

由于泡沫密度较小，树枝的吃水深度大于泡沫的吃水深度。在相同水流条件下，树枝可以相互挤压重叠，形成稳定的堆积体，而泡沫间具有互斥性，水流紊乱时，无法聚集。在多种样品混合试验中，会有少量泡沫夹杂在树枝、皮革和布料中被装置拦截。

(5)多种样品混合聚集形态分析。

9-a 50 s聚集形态 9-b 150 s聚集形态 9-c 饱和状态图9 多种样品混合聚集过程

图10 多种样品混合聚集面积随时间变化Fig.10 Variation of the mixed aggregation area of multiple samples with time

图9和图10分别为多种样品混合随时间的聚集过程与聚集面积柱状图。多种漂浮物样品根据三峡库区常年漂浮物占比进行配置[11]，树枝70%、皮革20%、泡沫10%。从图10可以看出因为树枝样品占比大，故聚集面积变化规律与树枝漂浮物聚集面积变化规律相似，200 s时达到最大面积，之后有小幅减少，原因是，皮革经过浸泡后，部分沉入水中；图9可以直观的看出，部分样品在负压作用下，从装置底部绕道装置后侧，这也是聚集面积有所减小的原因，但随着漂浮物地不断增加，聚集面积趋于动态平衡。

3.2 堆积面积分析

为了对比自浮升降式漂浮物拦截装置对不同类型漂浮物拦截效果，统计不同工况下，漂浮物最终堆积面积，见表4。进行5次试验，求平均值，使数据更加真实可靠。

表4 漂浮物最终聚集面积Tab.4 Final gathering area of floating objects cm2

由表4统计结果显示，装置拦截多种混合样品的聚集面积最大，其次是混合树枝，细树枝的聚集面积略大于粗树枝和皮革样品，由于布料和泡沫没有形成稳定的聚集形态，无法统计出聚集面积。多种混合漂浮物的5次试验聚集面积差异较大，原因可能是：每组试验人为抛下的漂浮物样品数量存在误差，且抛撒位置无法保证完全均匀；漂浮物尺寸有差异，大小不一；布料、泡沫样品的拦截随机性较强，树枝携带布料的多少也对漂浮物最终聚集面积造成影响。