一种环保的港口航道防淤积装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种环保的港口航道防淤积装置及其工作方法。

背景技术

航道是船舶航行的通道，因此需要有平静的水流条件保障船只航行。然而正因为水流较为平静（水动力条件不足），世界上大小港口或航道都有不同程度的淤积，其后果是水深减小而无法提供足够的吃水深度，最终阻碍船舶航行。淤积严重的港口甚至成为废港，给当地居民带来严重的经济损失。工程上，常采取定期疏浚的方式来防淤，然而每年定期投入的疏浚工程耗资巨大，疏浚船占用航道影响港口正常物流，且疏浚船舶尾气及噪声对环境造成污染。在港址选择、港口设计，直至建成后的维护阶段，均须始终密切注意淤积问题，因此有必要在建港之初就应预见后期的淤积趋势，考虑可能采用的防淤减淤措施。

在以往的港口工程中，一般通过修建防波堤或岛堤来防止泥沙淤积，或者在内河航道修建丁坝采用束水攻沙遏制上游来沙，还可在航道上挖出一些深坑以聚沙，比如在湖口门建港时，宜建筑导堤，在海峡内建港时，宜排除口门及两侧的障碍物，使潮流畅通。上述各种防淤、减淤措施的局限在于：其一，水工建筑物工期长、耗资大，且在可行性分析过程中需要进行实验来确定建筑物尺寸导致尺寸大小会随着水流因素改变而改变，具有不确定性；另一方面，建筑物修建完成后再想拆除，难度大耗资多，且对河流或港池原本的生态环境影响较为严重。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种环保的港口航道防淤积装置及其工作方法，解决上述现有技术存在的问题，在航道船只船行波及螺旋桨尾流的作用下具有良好的防淤效果。该装置不仅可以合理利用废弃轮胎，变废为宝，还可以减少在疏浚工程中的投入。

本发明采用以下方案实现：一种环保的港口航道防淤积装置，包括混凝土基桩，所述混凝土基桩上安装有若干由上至下依次堆叠的轮胎组成的竖直的轮胎柱，所述混凝土基桩旁侧通过索链连接有水平的分沙筒，所述分沙筒为圆柱形壳体，所述分沙通的一端通过索链与混凝土基桩连接，所述分沙筒靠近混凝土基桩一端的端面与分沙筒圆周外壁靠近水面侧不封闭。

进一步的，所述混凝土基桩上安装有用于固定轮胎柱的机架，所述机架包括底圆框，所述底圆框上圆周均布有若干固定框架，所述固定框架呈冂字型，固定框架的一脚部固定于底圆框，另一脚部位于底圆框的圆周内，固定框架的两脚部之间的距离配合轮胎的断面高度。

进一步的，相邻固定框架外侧的脚部之间通过至少一个的弧形框连接。

进一步的，所述混凝土基桩包括自重底座，自重底座设置有安装平台，安装平台上预埋有绑扎构件，底圆框通过绑扎构件与安装平台固连。

进一步的，所述分沙筒与机架之间的距离是轮胎柱直径的5-10倍。

进一步的，所述矩形框架的个数k与轮胎直径D满足，当D≤2米时k=4，当D＞2米时k=4+D/2。

进一步的，所述索链由聚四氟乙烯制成的长杆构件链接组成。

进一步的，所述分沙筒靠近混凝土基桩一端的左右边缘均通过索链与安装平台两侧连接。

进一步的，所述分沙筒圆周外壁靠近水面侧设置网格状开口。

一种环保的港口航道防淤积装置的工作方法：

步骤1：预先观测需要整治淤积的航道的水文情况和船只航行情况，划定布置线。

步骤2：混凝土基桩预制完成后，放置在需要整治淤积的航道中，放置时应沿布置线，混凝土基桩需要埋深至设计深度，整平桩基周边场地；

步骤3：运输废旧轮胎至码头基地，把轮胎放入支架中，使轮胎分组成若干形成漩涡流场的单元；

步骤4：将组装好的各个漩涡生成单元，经抛锚定位后，沿船行波和螺旋桨尾流方向均匀间隔布置，相邻的漩涡生成单元的轮胎柱中心的距离为支架底圆直径的5倍以上，选择适合的位置，潜水员入水安装轮胎柱和分沙筒。

步骤5：通过船只往来，产生了大量强大的船行波和螺旋桨尾流，使用轮胎柱可捕获船行波及螺旋桨尾流湍流区，通过双柱串列创造出连续的分离区，加大水流对水流底部的冲刷作用。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：1、本装置分为三个主要结构——轮胎柱、混凝土基桩、分沙筒。在冲刷过程中容易在两个柱子之间形成沙脊，导致柱间的冲刷效果减弱，其原因是前一柱后部形成流场随之带走泥沙，泥沙在向后移动时遇到后一根柱阻碍，导致沿线的泥沙淤积。因此本发明设置分沙筒，可以有效的把前一柱后部带走的泥沙分到两边，有效地减弱了沙脊的形成，与前两个装置一起构成完全体控制航道或港池的水深。

2.本发明中混凝土基桩通过预制而成，随后投放到防淤目的地，相对于水上成桩而言施工成本大大减小。混凝土基桩由上部安装平台和下部自重底座组成，两部份的作用为：在水底处，流场复杂水流速度快，一旦轮胎柱安装上，在其附近产生的涡流流场会使轮胎柱受到巨大的摇晃力，轮胎柱在没有安全固定的条件下易被冲走，为了达到稳定轮胎柱的目的，通过埋置在混凝土中的绑扎构件将轮胎柱与安装平台固定在一起，承受在水中轮胎柱受到水流冲击力、自身上浮力等。同时，待整治结束后除混凝土基桩不可回收外，可以卸下并且回收轮胎柱和分沙筒，无需后续维护费用，省钱省力。

3.对于内河航道而言，根据流速在不同水位期的变化规律，枯水期浅滩河段流速大，深槽河段流速小，而洪水期则正好相反。在枯水期时，布置该装置能有效利用浅滩流速大的特点使得桩柱间形成充足稳定的漩涡，不稳定的流场能够较快的达到泥沙启动流速，使浅滩的泥沙被冲刷带往下游，给当前河流的航道提供的充足的水深，避免船只搁浅或被损伤，维护了财产安全。

4.凌汛时期，下游往往还处于封冻状态，上游大量的冰、水拥向下游，形成较大的冰凌洪峰，极易在弯曲、狭窄河段卡冰结坝，壅高水位，造成凌汛灾害。在此期间，一方面，传统的堤体防淤结构容易受到流冰的冲击而损坏，损坏的碎片变成较难清理的障碍物反而淤积的河流航道。而本发明采用了柔性轮胎材料，在水中不易损坏，结构可靠。另一方面，传统防淤积堤坝结构堤头、堤身、堤根与水下基础链接，阻碍的流冰的前进，增高了凌汛时期堤坝以上水位，给下游水库带来严重影响，本发明相比于传统防淤建筑物，本结构处于水底，避免了与水面大型漂浮物和船只接触的可能，安全性大大提高。

5.在港口航道通行期间，船只往来繁忙，产生了大量强大的船行波和螺旋桨尾流。本发明使用轮胎圆柱体模型，捕获船行波及螺旋桨尾流湍流区，通过双柱串列创造出连续的分离区，加大水流对水流底部的冲刷作用。。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的轮胎柱与支架组合示意图；

图3为本发明的混凝土基础示意图；

图4为本发明的分沙筒示意图。

图中：1-混凝土基桩；2-轮胎柱；3-分沙筒；4-索链；5-机架；6-底圆框；7-固定框架；8-弧形框；9-自重底座；10-安装平台；11-网格状开口；12-轮胎。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1-4所示，本实施例提供了一种环保的港口航道防淤积装置，包括混凝土基桩1，所述混凝土基桩上安装有若干由上至下依次堆叠的轮胎12组成的竖直的轮胎柱2，所述混凝土基桩旁侧通过索链连接有水平的分沙筒3，所述分沙筒为圆柱形壳体，所述分沙通的一端通过索链4与混凝土基桩连接，所述分沙筒靠近混凝土基桩一端的端面与分沙筒圆周外壁靠近水面侧不封闭。

防冲刷结构与防淤积结构不同，防冲刷结构的目的为防止水流冲刷河床、岸坡的保护措施，以维护枢纽各建筑物的安全运行；而防淤积的结构旨在维持航道或港池内的正常水深，避免水深减少使船舶搁浅或者无法在水域内正常航行。本发明采用经典流体力学当中的理论——圆柱绕流作为理论支持。根据1904年Prandtl提出的边界层理论，绕物体的大雷诺数下的流动可分为边界层和外流区。当流体绕圆柱流动时，边界层内产生的压差会使其从某一位置开始脱离柱体表面，在附近出现回流，这称为边界层分离现象。在此分离区中，湍流流速大，流场变化十分剧烈，导致冲刷坑的形成。由此，边界层理论的应用需要有强大的动力来源。故而，航道中的船行波和螺旋桨尾流若能被成功捕获，则可成为该动力来源。在船行波计算理论中，散波与航线呈约19°的夹角（横波与散波波峰交会点的连线与航线的夹角约19°）从船首扩散，散波波峰方向与扩散方向的夹角约为35°，在深水情况下散波的扩散方向不受航速影响，散波在相当长的扩散距离内很少衰减。在螺旋桨尾流中，螺旋桨后流出的受扰动的加速水流，可以分解为三个分速度:轴向诱导速度,切向诱导速度,和径向诱导速度。本发明旨在使用轮胎圆柱体模型，捕获船行波及螺旋桨尾流湍流区，通过双柱串列创造出连续的分离区，加大水流对水流底部的冲刷作用。但是安装轮胎柱后，由于轮胎与其自身与支架间留有安装缝隙，船行波和螺旋桨尾流不能完全被阻挡在轮胎柱前，即：有少量的水流和泥沙通过缝隙扰乱了后部的流场。由于缝隙水流的扰动作用，不可避免的产生了柱后沙脊，该沙脊在大约5D（D为轮胎框架柱直径）后形成并且垂直于轮胎柱。为消减沙脊的高度，所以设置分沙筒。

在本实施例中，所述混凝土基桩上安装有用于固定轮胎柱的机架5，所述机架包括底圆框6，所述底圆框上圆周均布有若干固定框架7，所述固定框架呈冂字型，固定框架的一脚部固定于底圆框，另一脚部位于底圆框的圆周内，固定框架的两脚部之间的距离配合轮胎的断面高度，机架的作用是：一方面可以方便装载轮胎，另一方面使轮胎能够牢牢固定在混凝土基桩上，若干轮胎与机架组成的轮胎柱能够使下部水流在支架周围形成马蹄形漩涡，并在后方形成尾涡，从而使两种流场在水流底部形成。其中，流场的大小与轮胎柱的直径和高度有关，支架控制着另外两个结构尺寸。

在本实施例中，相邻固定框架外侧的脚部之间通过至少一个的弧形框8连接。

在本实施例中，所述混凝土基桩包括自重底座9，自重底座设置有安装平台10，安装平台上预埋有绑扎构件，底圆框通过绑扎构件与安装平台固连，混凝土基桩有三方面作用：1、在水底处，流场复杂水流速度快，一旦轮胎柱安装上，在其附近产生的涡流流场会使轮胎柱受到巨大的摇晃力，轮胎柱在没有安全固定的条件下易被冲走。为了达到稳定轮胎柱的目的，通过埋置在混凝土中的绑扎构件将轮胎柱与安装平台固定在一起。在水中，轮胎柱受到船行波和螺旋桨尾流冲击力、自身上浮力等，因此设置下部自重底座固定为第一部分构件提供稳定性，下部自重底座高度应不小于1m；2、由于基础自重大且有凸起的平面，可以作为类似珊瑚礁、海草、贝壳等生长的底座，同时珊瑚礁、海草、贝壳等又提供海生物的栖息及产卵地，形成良好的海底生态结构，实现良性循环；3、由于混凝土基础按线布置且布置一定的密度，由于其自身重量大，在布置的同时挤出淤泥减弱淤积。如果航道淤泥厚度大，应增加混凝土基础的高度，避免不均匀沉降导致冲刷效果减弱。

在本实施例中，自重底座预埋与水中，当桩柱直径较大时，应埋置0.7~0.9h（h为轮胎支架高度）。

在本实施例中，由于轮胎柱直径的5-10倍处会产生柱后沙脊，所以所述分沙筒与机架之间的距离是轮胎柱直径的5-10倍。

在本实施例中，所述分沙筒圆周外壁靠近水面侧设置网格状开口11，船行波和螺旋桨尾流由向柱上侧进入，无法从底部流出，迫使水流向周围分裂来防止或减弱沙脊的形成，一方面，分沙筒有效的防止泥沙在布置线内的淤积；另一方面，把泥沙分到两边的河滩上，有利于岸滩附近的动植物生长，稳固了滩地减少水土流失。

在本实施例中，所述矩形框架的个数k与轮胎直径D满足，当D≤2米时k=4，当D＞2米时k=4+D/2。

在本实施例中，单个装置的作用范围有限，而航道、港池范围通常较大，因而需要沿着船行波和螺旋桨尾流方向布置一系列的装置，多个装置的作用与双柱串联的作用相同。双柱串列时流态特征主要为:（1）单一涡脱落形态（2）边界层附着（3）漩涡脱落撞击形态。研究发现当1

所以，为了充分利用装置后方形成的冲刷坑，布置范围应满足：

L/D≥5（L为相邻柱中心间的距离）（D为轮胎框架柱直径）。

同时，在船只经过时，可有效捕获船行波和螺旋桨尾流，由于轮胎表面摩阻较大，有效的增大了马蹄形漩涡和尾涡，形成冲刷流场。

轮胎柱的高度因考虑河流深度的变化，而设置最佳的高度：一方面，装置应满足形成漩涡流场所需要的最佳高度，以达到冲刷最佳效果；一方面，在还有船舶行驶的航道中，应考虑顶部不与船舶发生刮碰（即为富余的轮船吃水深度），避免船只损伤和装置移位。且高度应满足：

h≤0.5H（h为装置高度，H为水深）。

在本实施例中，所述索链由聚四氟乙烯制成的长杆构件链接组成，机架应采用具备较高刚度的、耐腐蚀的、环保的材料，可以是聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物构成的材料，胎之间及其与机架的固定应采用防水耐磨耐腐绳缆，可以是由有若干股聚乙烯醇缩甲醛纤维内设置不锈钢丝的绳缆，同时，轮胎与机架应采用柔性连接，提高减弱流速的效果。

在本实施例中，利用已使用过的车辆轮胎用于此目的是尤其有利的。使用过的轮胎用在海底中表现出相对低的污染风险，因为它们经过多年缓慢的降解，而不浸出有毒或有害的物质。由于本实施例采用废旧轮胎，为使施工方便，轮胎的基本尺寸应尽量统一。

在本实施例中，所述分沙筒靠近混凝土基桩一端的左右边缘均通过索链与安装平台两侧连接。

一种环保的港口航道防淤积装置的工作方法：

步骤1：预先观测需要整治淤积的航道的水文情况和船只航行情况，划定布置线，布置装置时，应沿线布置且布置线应减少或不出现弧度，否则影响冲刷效果，其中布置线应布置于航道中点或水深较大处，并综合考虑航道船只航行线路，布置线的数量应大于等于2条。

步骤2：混凝土基桩预制完成后，放置在需要整治淤积的航道中，放置时应沿布置线，混凝土基桩需要埋深至设计深度，整平桩基周边场地；

步骤3：运输废旧轮胎至码头基地，把轮胎放入支架中，使轮胎分组成若干形成漩涡流场的单元；

步骤4：将组装好的各个漩涡生成单元，经抛锚定位后，沿船行波和螺旋桨尾流方向均匀间隔布置，相邻的漩涡生成单元的轮胎柱中心的距离为支架底圆直径的5倍以上，选择适合的位置，潜水员入水安装轮胎柱和分沙筒。

步骤5：通过船只往来，产生了大量强大的船行波和螺旋桨尾流，使用轮胎柱可捕获船行波及螺旋桨尾流湍流区，通过双柱串列创造出连续的分离区，加大水流对水流底部的冲刷作用。

本实施例在设置安装的过程中，可以在安装桩基的地基时，安装排列好的元件。可选择地，可以通过将排列好的元件放置得比安装在海底的地基或桩柱的冲刷范围大得多或者填充该冲刷范围并将排列好的元件放置在填料上面来安装排列好的结构以修补。

本防冲刷结构的防冲刷原理先进但结构简单，从而使海上施工所需的辅助船舶和装备尽可能少，而且水下施工作业的时间相对的短；沉放到位后，几乎立刻便能起作用，开始冲刷，防止淤积。

本防冲刷结构使用时，通过有效捕获船行波和螺旋桨尾流，水中泥沙通过分沙筒从航道中心线向外部排除在沉积的过程中，分布到河边的岸滩，一方面减少或减弱了沙脊，另一方面可以形成相当密实的泥沙层最终形成与岸边融合为一体的沙滩，这种沙滩的将给水生物的生长提供环境，符合绿色生态和海洋环境保护要求；

本防冲刷结构海上施工费用远低于传统抛填石料泥沙等后期维护费用巨大的防淤积措施，并且待整治结束后可以卸下并且回收轮胎框架柱和分沙筒，无需后续维护费用，省钱省力。

针对轮胎对环境的影响，本实施例对其做了相关试验（并参考了相关文献），包含捕获船行波和螺旋桨尾流的结构优化，应用于港口航道中的冲刷效果研究，轮胎对地下水，有机化合物及无机化合物的影响等试验，试验结果表明无论是整个轮胎或轮胎碎块，虽然某些金属（例如铁和锰）含量在放置过填埋的过程中有所增加，但轮胎渗滤液对地下水饮用水质的影响有限，渗液中没有发现苯、银、镉和硒等有害物质。目前国内外的相关试验都表明废旧轮胎在水环境条件下，对环境的影响是非常有限的。

在本实施例中，为防止废旧轮胎上的油污污染海洋，每个轮胎在使用之前需要用肥皂水清洗以除去任何残油。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系例如“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制，且上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。