余 葵，劉 陽*，劉憲慶，李日鑫

(1.重慶交通大學，重慶 400074；2.重慶交通大學 重慶市橋梁通航安全與防撞工程技術(shù)研究中心，重慶 400074)

三峽工程是目前世界上規(guī)模最大的水利樞紐工程，具有防洪、發(fā)電、航運等方面的巨大綜合效益[1]。隨著三峽蓄水方案“175-155-145”的實施，在改善長江上游航運條件、促進長江航運快速發(fā)展的同時，庫區(qū)堆積的大量漂浮物[2-3]，嚴重威脅三峽水電站的安全運行。

湖南碗米坡水電廠投入運行后，進水口、取水口被漂浮物堵塞，洪水期降低利用水頭4 m，年發(fā)電損失高達100萬元；且攔污柵壓差過大，將導致攔污柵壓垮，造成機組飛逸事故發(fā)生[4]。廣西下橋電廠自機組運行以來，兩次因為漂浮物卡住導葉，導致導葉變形，致使剪斷銷機械剪斷保護，且維修難度大[5]。目前水電站進水口處漂浮物主要靠人工或機械清理、水電站調(diào)度運行等，無法高效地解決水電站漂浮物帶來的問題[6-7]。在研究橋梁防撞裝置時[8-9]，通過現(xiàn)場觀測，發(fā)現(xiàn)防撞裝置內(nèi)側(cè)攔截了大量漂浮物(圖1)。目前，大部分浮式攔污排排身設(shè)計為直排[10-11]，考慮到漂浮物堆積后裝置中部凹陷，易斷的情況，提出了一種新型自浮升降式漂浮物攔截裝置，裝置外形呈拱形，拱形朝向河段上游，以承受更大的漂浮物撞擊力，保證裝置自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時達到攔截水上漂浮物的要求。開展此種新型裝置攔截效果試驗研究，研究成果可為裝置優(yōu)化提供參考，同時為類似工程提供借鑒。

圖1 橋梁防撞裝置內(nèi)側(cè)攔截的漂浮物Fig.1 Floating objects intercepted inside bridge anti-collision device

1 漂浮物來源及分類

長江干線漂浮物主要在洪水期和中洪期大量出現(xiàn)，當洪峰來臨時，長江中上游會從支汊河口和岸坡洲灘上帶來大量漂浮物，大量漂浮物來臨現(xiàn)象在長江中游持續(xù)時間在3個月左右，長江上游一般和下雨時間長短密切相關(guān)。王茜、陳鴻麗[12-14]通過研究相關(guān)文獻資料，將內(nèi)河水域漂浮物的來源劃分為五類，第一類是沿岸居民產(chǎn)生的生活垃圾，第二類是農(nóng)作物秸稈、樹枝與地表植被等，第三類是沿江水上餐飲娛樂業(yè)及部分礦工企業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)垃圾，第四類是水域行駛的大小船舶[15]，第五類是從水域支流匯聚而來的漂浮物。通過對涪陵、奉節(jié)、巫山等地區(qū)漂浮物現(xiàn)場調(diào)研分類，可將漂浮物大致分為3大類：(1)枯草、枯枝類，此類漂浮物最多；(2)塑料類；(3)其他類，如居民的破舊衣物、皮革、橡膠輪胎等。具體調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 漂浮物現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果分析

表2 試驗模型與實際模型參數(shù)對比Tab.2 Comparison of experimental model and actual model parameters

2 模型試驗方案

2.1 試驗條件及試驗模型

試驗用水槽：長30 m、寬2.5 m、高1.0 m，最大輸出流量為500 L/s。自浮升降式漂浮物攔截裝置是一種適用于重點水域環(huán)境保護、水工建筑物前漂浮物阻攔的專門性水工建筑物(見圖2)。攔截裝置采用多點系泊系統(tǒng)固定，錨纜收放機構(gòu)通過水位檢測系統(tǒng)監(jiān)測水位，根據(jù)實時水位信息調(diào)節(jié)錨纜長度，實現(xiàn)裝置定位。裝置外形為拱形，半徑為26.5 m、裝置直徑為1 m、吃水0.5 m；錨泊系統(tǒng)采用8根錨纜定位，中間4根對稱布置，通過定滑輪另一端固定在重力錨塊上，側(cè)邊錨纜導纜孔位置選擇全長2/32處對稱布置，通過定滑輪固定在水槽邊。綜合考慮水槽寬度、坡度、尾門高度等因素，選定模型試驗幾何比尺為λ=25，模型占槽寬的80%左右。裝置模型采用PVC管制作，由于漂浮物種類復雜且形態(tài)各異，其聚集形態(tài)、運動狀態(tài)及相互作用機理難以準確描述，模型試驗滿足水流運動相似、幾何相似、漂浮度相似和漂送強度相似[16-18]。模型試驗和實際模型結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見表2。

圖2 自浮升降式漂浮物攔截裝置平面布置圖Fig.2 Layout of self-floating floating object interception device

表3 模型試驗組合Tab.3 Model test combination

2.2 試驗方法

根據(jù)相關(guān)資料和現(xiàn)場調(diào)查得到的內(nèi)河漂浮物種類，試驗分別對樹枝(細、粗、混合)、皮革、布料等代表性漂浮物進行收集，裁剪，預浸泡。待水流穩(wěn)定后，在上游均勻散落漂浮物樣本，樣本在水流夾帶下運動到攔截裝置上，通過1 300萬像素攝像頭記錄漂浮物運動過程和最終堆積形態(tài)。

試驗組合見表3，為保證試驗數(shù)據(jù)真實可靠，對每種漂浮物樣品攔截情況都進行5次試驗。

3 試驗結(jié)果分析

由于篇幅所限，只展示粗樹枝樣品、皮革樣品和多種漂浮物混合的聚集過程圖，細樹枝試驗和粗細(1:1)樹枝混合試驗的聚集過程與粗樹枝類似，就不再贅述，只分析其聚集面積隨時間的變化規(guī)律。

3.1 聚集形態(tài)分析

(1)粗樹枝聚集形態(tài)分析。

3-a 50 s聚集形態(tài) 3-b 150 s聚集形態(tài) 3-c 飽和狀態(tài)圖3 粗樹枝聚集過程

圖3和圖4分別為粗樹枝隨時間的聚集形態(tài)和裝置前聚集面積柱狀圖。從圖4可以看出，粗樹枝在裝置前聚集面積隨時間而不斷增加，300 s時達到最大堆積面積，之后會有所減少，原因是裝置前流速快，堆積體在堆積厚度到達飽和狀態(tài)后，在負壓作用下，漂浮物從裝置下方繞過，最終在裝置后側(cè)形成少量堆積。細樹枝和粗細樹枝(1:1)混合試驗漂浮物聚集規(guī)律與粗樹枝相似，聚集面積隨時間變化如圖5和圖6。

由圖6可知，混合樹枝的聚集面積最大，原因是細樹枝與粗樹枝混合，細樹枝填補了粗樹枝的空隙，使堆積體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，聚集面積也就更大。

(2)皮革聚集形態(tài)分析。

7-a 50 s聚集形態(tài) 7-b 150 s聚集形態(tài) 7-c 飽和狀態(tài)圖7 皮革聚集過程

圖7和圖8分別為皮革樣品隨時間的聚集過程與聚集面積柱狀圖。從圖7可以較為直觀的看出，試驗初期皮革大都堆積在裝置前側(cè)，但到了試驗后期，裝置后側(cè)的皮革比裝置前的多；裝置前的皮革樣品也主要集中在拱頂處，裝置兩側(cè)較少。究其原因，是由于皮革經(jīng)過浸泡，在水里運動并不是完全呈漂浮狀態(tài)，還有許多呈懸浮狀態(tài)，可能從裝置下方繞過并在后方形成聚集；裝置兩側(cè)開敞也是導致兩側(cè)三角區(qū)漂浮物聚集少的主要原因，特別是皮革、布料等透水性好，質(zhì)量輕的漂浮物，裝置兩側(cè)的漂浮物數(shù)量明顯小于拱頂?shù)钠∥飻?shù)量。將圖8與樹枝樣品聚集面積柱狀圖作對比，不難發(fā)現(xiàn)皮革樣品聚集面積少于樹枝樣品聚集面積，而且在150 s左右到達最大聚集面積后就隨時間不斷減少，400 s時裝置前聚集面積只有最大聚集面積的一半，攔截效果較差。

圖8 皮革聚集面積隨時間變化Fig.8 Leather accumulation area changes with time

(3)布料聚集形態(tài)分析。

試驗采用的純棉布料，有較好的透水性，在水中運動時，很難出現(xiàn)平鋪隨水流運動的狀態(tài)，大部分布料出現(xiàn)褶皺，且懸浮在水中，無法被裝置攔截，在多種樣品混合試驗中，布料會被樹枝掛住，從而達到攔截布料的目的。

(4)泡沫聚集形態(tài)分析。

由于泡沫密度較小，樹枝的吃水深度大于泡沫的吃水深度。在相同水流條件下，樹枝可以相互擠壓重疊，形成穩(wěn)定的堆積體，而泡沫間具有互斥性，水流紊亂時，無法聚集。在多種樣品混合試驗中，會有少量泡沫夾雜在樹枝、皮革和布料中被裝置攔截。

(5)多種樣品混合聚集形態(tài)分析。

9-a 50 s聚集形態(tài) 9-b 150 s聚集形態(tài) 9-c 飽和狀態(tài)圖9 多種樣品混合聚集過程

圖10 多種樣品混合聚集面積隨時間變化Fig.10 Variation of the mixed aggregation area of multiple samples with time

圖9和圖10分別為多種樣品混合隨時間的聚集過程與聚集面積柱狀圖。多種漂浮物樣品根據(jù)三峽庫區(qū)常年漂浮物占比進行配置[11]，樹枝70%、皮革20%、泡沫10%。從圖10可以看出因為樹枝樣品占比大，故聚集面積變化規(guī)律與樹枝漂浮物聚集面積變化規(guī)律相似，200 s時達到最大面積，之后有小幅減少，原因是，皮革經(jīng)過浸泡后，部分沉入水中；圖9可以直觀的看出，部分樣品在負壓作用下，從裝置底部繞道裝置后側(cè)，這也是聚集面積有所減小的原因，但隨著漂浮物地不斷增加，聚集面積趨于動態(tài)平衡。

3.2 堆積面積分析

為了對比自浮升降式漂浮物攔截裝置對不同類型漂浮物攔截效果，統(tǒng)計不同工況下，漂浮物最終堆積面積，見表4。進行5次試驗，求平均值，使數(shù)據(jù)更加真實可靠。

表4 漂浮物最終聚集面積Tab.4 Final gathering area of floating objects cm2

由表4統(tǒng)計結(jié)果顯示，裝置攔截多種混合樣品的聚集面積最大，其次是混合樹枝，細樹枝的聚集面積略大于粗樹枝和皮革樣品，由于布料和泡沫沒有形成穩(wěn)定的聚集形態(tài)，無法統(tǒng)計出聚集面積。多種混合漂浮物的5次試驗聚集面積差異較大，原因可能是：每組試驗人為拋下的漂浮物樣品數(shù)量存在誤差，且拋撒位置無法保證完全均勻；漂浮物尺寸有差異，大小不一；布料、泡沫樣品的攔截隨機性較強，樹枝攜帶布料的多少也對漂浮物最終聚集面積造成影響。

4 結(jié)論

漂浮物運動是一個非常復雜的過程，漂浮物大小不一，且形狀不規(guī)則，在水流和波浪作用下難以準確對裝置前漂浮物聚集體面積進行測量，本文結(jié)合自浮升降式漂浮物攔截裝置整體模型試驗，研究成果如下：

(1)對比幾種典型漂浮物在自浮升降式漂浮物攔截裝置前的聚集形態(tài)，發(fā)現(xiàn)在相同水流條件下，不同類型漂浮物在裝置前的聚集規(guī)律相似，都是先增多后出現(xiàn)少量流失，最后趨于平衡。布料和泡沫樣品由于自身體積較小，受水流影響大，只有當樹枝或成堆漂浮物在裝置前聚集后才會被裝置攔截。

(2)漂浮物最終聚集面積有較大差異，多種混合試驗>混合樹枝試驗>細樹枝試驗>粗樹枝試驗>皮革試驗。

(3)漂浮物堆積嚴重威脅水工建筑物的正常運行，針對自浮升降式漂浮物攔截裝置的研究，不僅是解決山區(qū)河流汛期洪水導致漂浮物堆積影響水工建筑物安全的問題，而且通過物理模型試驗，對漂浮物在水中的聚集形態(tài)和運動規(guī)律有了初步的探究，為漂浮物攔截裝置的研發(fā)提供理論支撐。