CN1120913C - 调集潮汐能源浚深航道和促淤造地的单向阻尼器及其方法 - Google Patents

Abstract

利用潮汐能源竣深航道和促淤造地的单向阻尼器，类似电路中的“二极管”，设在欲竣深的航道旁边和欲促淤造地的水域之中，以群体状态出现。它地面制作，压桩船水面作业，潜水员水下装配。它在往复潮流中，破坏原来的水力与淤沙之间的动态平衡，建立新的有利的上述动态平衡：凡存在往复潮流造成航道淤积处，就能让这往复潮流去竣深该处的航道；凡往复潮流中有较明显的泥沙含量，就能让它在附近指定的水域中实施快速促淤造地。

Description

调集潮汐能源浚深航道和促淤造地的单向阻尼器及其方法

本发明涉及潮能利用技术与水下工程技术。

现有技术状况：

1.在疏浚并稳定航道的方面：

目前国内外疏浚并稳定航道的方法主要是依靠：挖泥船一类的机械手段完成的，以及抛石筑坝一类的永久性水利工程来完成的。前者要消耗人为提供的油和煤一类的能源，而且不能制止以后的再淤积，要永久定期挖泥才行，因此所需要的投资不少；后者是工程大，投资大，风险大的永久性工程，因此，通常要在水利模型试验后才能上马，以降低它的风险性。

2.在水中造地的方面：

人们向海洋扩展陆地的行为在国内外较为普遍，在沿海或河口地带的造地，主要是依靠人为的添土工程完成的，以及自然的积淤形式完成的。前者工程大，投资大，因此造地面积很有限；后者造地面积可能会很大，但所需时间一般都很长，要有相当的耐心，并且造地的形状与地点难以随人意而定。

在水域中疏浚并稳定航道，以及在水域中造出陆地来，这二者都与水有关，如果这些有关的水域又是与往复运动的自然潮流有关的，那么，岂不是可以借助于潮汐能源来直接地或间接地为达到人们的上述欲望服务吗？

潮汐能源的第一大利用，即：“潮汐发电”，有了电能，万事不愁，也包括会有助于实现“疏浚并稳定航道”和“水中造地”二个人类欲望。可以说：“潮汐发电”，是人们充分利用潮汐能源的第一大发明。

然而，由于“潮汐发电”的实现，受到海洋地理环境的限制太大，因此不可能得到普遍应用。否则，就必需用很大的工程量来改变这一海洋地理环境的限制，这与得到的潮汐发电量相比较，很可能有些得不偿失。但是，“潮汐发电”的提出与实现，毕竟是人们首次实现了利用潮汐能源，并向大自然成功索取了潮汐能源的重大成果。

本发明的目的是：

为直接利用潮汐能源来完成上述的“疏浚并稳定航道”和“水中造地”二方面人们的欲望而提出的一种具有自动单向阻尼功能的水下可拆卸的工具型工程装置，以及通过它来调集潮汐能源实现上述二方面人们欲望的方法。

本发明的结构特性与适用关键是：

利用设置在主航道旁边的，或者利用设置在希望促淤造地水域中的，类似于电子线路中“二极管”的单相阻尼潜水装置，即：单向阻尼器的群体，在往复潮流中，破坏原来不利的水力与淤沙之间的“动态平衡”，建立新的有利的上述“动态平衡”，就能做到：

1.只要存在往复潮流造成航道淤积的地方，就可以让这往复潮流变害为利，达到浚深航道的目的--有利的正效应。

2.只要往复潮流中有明显的或较明显的泥沙含量，就能让它在附近指定的水域中实现快速促淤造地的目的--有利的负效应。

本发明是这样实现的：

一.其中的单向阻尼器，它含有：至少是三边形(三角形)的阻尼片；在往复潮流中的一个潮流方向上，阻尼片被潮流推动而张启，对潮流产生阻尼作用；在与此相反的另一个潮流方向上，阻尼片是被潮流压迫而倒伏在水底面的，对潮流的阻尼作用撤消。

单向阻尼器在结构上包括：至少是三边形的一块阻尼片、至少一根绳索和至少三根桩；其中的阻尼片，它的下部直接定位在桩上，它的上部通过绳索间接定位在另外的桩上；绳索的长度以保证：在一个方向上能充分让阻尼片被潮水推动张启为准；

阻尼片是由尼隆一类的材料编织而成的柔性片体；绳索是由尼隆或金属链条一类的柔性材料构成；桩是由钢筋混凝土或金属材料一类的刚性材料构成。

二.单向阻尼器用于浚深航道或(和)促淤造地的方法：

将单向阻尼器以群体的形式，分散设置在河流主航道以外的促淤区域之内，并且，涨潮时阻尼片是张启的(设阻)；落潮时阻尼片是倒伏的(撤阻)。

三.单向阻尼器用于促淤造地的另一种方法：

将单向阻尼器以群体的形式，分散设置在欲促淤造地的促淤区域之内，并且，涨潮时阻尼片是张启的(设阻)；落潮时阻尼片是倒伏的(撤阻)。

当潮流方向与海岸线基本垂直时，促淤区域与陆地之间最好设有隔离地带：辅助促淤区域，目的是吸引更多的涨潮水在落潮时途经促淤区域，并将它携带的泥沙在该区域中回淤。

本发明与现有技术比较的特点：

1.由于本发明中的执行装置：单向阻尼器所有部件都是在陆地上制作；施工时又无需断流并能避开主航道；由压桩船水面作业；潜水员下水装配；这就为大幅度减少相关的工程量和与有关方面的矛盾(主要是水面交通)创造了条件；

2.由于本发明中的执行装置：单向阻尼器具有上述的“1”中的特点，这就确定了它作为一项完成以浚深航道或(和)促淤造地为目的的工程来说：具有可拆卸的最大特点，而且拆卸简单，这就为它能进行现场试验创造了条件，也就是为设置它的无风险性创造了条件；

3.由于本发明中的执行装置：单向阻尼器具有上述的“1”和“2”中的特点，与其说它是一项为了达到某一目的服务的工程，还不如说它是作为一种为了执行某任务：调集潮汐能源做“浚深航道或(和)促淤造地”功的水工“工具”，这就为当它完成任务后，还可以将它换一个地方再使用，即：作为“工具”的属性来进行重复使用创造了条件。

图1是本发明采用的一种最简单且较为实用的执行装置：单向阻尼器的结构示意。

图2示意了本发明在中小型潮汐河流中(河口附近横跨河宽的高坎部位)主要是包括浚深航道和促淤造地方案在内的综宗合治理方案的应用实例。

图3示意了图2的“K-K”断面图，即：效果分析示意图。

图4示意了本发明在沿海岸附近位置的促淤造地方法的应用实例。

图5示意了本发明在岛屿连接工程中的促淤造地方法的应用实例。

1：单向阻尼器；2：桩；3：绳索；4：三边形的阻尼片；5：浮球；6：码头；Q：涨潮流；S1；缓流的断面部分；S2：速流的断面部分；D1：淤积的断面部分；D2：冲淤的断面部分；E：促淤区域；F：辅助促淤区域；P：二股潮流相遇的区间。

图1示意了：本发明中的一种最简单而实用的单向阻尼器〖1〗，它主要是由柔性的三边形，即：三角形阻尼片〖4〗、绳索〖3〗和桩〖2〗构成。它们可全部在地面制作，由压桩船水面作业，将桩〖2〗压入水底面指定的位置，由潜水员下水在定位的三根桩〖2〗的顶部连接一块“倒三角形”方位定位的阻尼片〖4〗和二根绳索〖5〗。如果，这阻尼片〖4〗是以“正三角形”方位定位在水下的，那么，只要启用一根绳索〖5〗将它的顶部与桩〖2〗相连即可，只是“正三角形”方位的效果差于前者。浮球〖5〗在三边形的阻尼片〖4〗迎潮流张启时，能起到一个让阻尼片〖4〗开始启动时的牵引作用，以及待它张启后，作为单向阻尼器〖1〗单向阻水工作时在水面的一个标志物来使用。

安装单向阻尼器〖1〗全过程无需断流，并且它们安装的位置绝对是避开主航道〖L〗的。安装时，桩〖2〗的顶部尽可能露出水底面多一些，以便于在附近淤积后可以随时提升阻尼片〖4〗和绳索〖3〗的连接位置。

图2和图3分别示意了：涨潮时，单向阻尼器〖1〗阻水限流时在水下的分布情况(落潮时，单向阻尼器〖1〗阻水限流作用自动撤除)，以及造成的水利效果。

一般的中小型潮汐河流大多流经港口城市，受潮汐的影响程度不很大。通常它需要关注的问题有三个：疏浚航道、水源保护和防汛排涝。既然本发明服务于疏浚航道，那就必需要考虑到：不能与河流的水源保护和防汛排涝发生矛盾，而应该有助于这二者才是上策。

在采用本发明实施潮汐挖泥或(和)潮汐造地之前，由图2所示的河流在河口附近的水段中，由于河流的上游兴建了不少的如拦河大坝一类的水利和水电工程，以及近代历史中农田用水激增，使得该河流的日常排水量和最大排水量剧减，形成现在的横跨河宽的“高坎”地理状况，此处落潮时的平均水深比河流上游浅得多，相差好几倍，甚至近十倍，已形成明显的碍航“门坎”，就是百来吨的船只进出都要等候涨潮时行驶。

若通过挖泥船来挖泥，刚挖好的地方，用不了几个潮次的时间，就又被潮水带来的泥沙淤上了。这是因为：

在这“高坎”水段中，涨潮时，短时间的汹涌的潮水将河底泥沙冲起带往河流的上游，落潮时，较长时间的缓流的潮水又将泥沙回淤在原处，常期以来，已形成固有的水力与泥沙之间在该地点的“动态平衡”。通常情况下，仅仅依靠挖泥是无法打破这个“动态平衡”的。只是在挖泥完毕至又被重新淤积之间的相隔时间上，不同的河流是有所不同的。因此，挖泥船的工作是个不能一劳永逸的“治表”工作。

采用本发明浚深航道，属“治本”的性质：通过建立了新的水力与泥沙之间的“动态平衡”，就能保证被浚深处永远不会被淤积，甚至，往该主航道〖L〗浚深水段中故意倾倒的外来泥沙，也会被往复运动的潮流“请走”，淤在别处。

以下，对照图2和图3介绍本发明的有关内容：

涨潮时：

涨潮流〖Q〗从河口外涌入河流，迫使所有单向阻尼器〖1〗的阻尼片〖4〗迎着潮流自动张启，对涨潮流〖Q〗形成部分河段的区域性阻尼。在该河段中，河流过水断面由于阻尼片〖4〗的张启而缩小了，此时主航道〖L〗仍然对船只通行无阻。

由于单向阻尼器〖1〗群体在河流的入口处形成的局部水段的阻水限流，将会有效地限制了整条河流的涨潮流〖Q〗量。

此时，在河口附近水段中，使得原过水断面被人为地分为二个断面区域：

其一是缓流的断面部分〖S1〗：其中汹涌的涨潮流〖Q〗被消能，流速减缓，河底泥沙被冲起的不多，甚至未被冲起(当单向阻尼器〖1〗的分布密度足够大时)。

其二是速流的断面部分〖S2〗：其中汹涌的涨潮流〖Q〗与原来一样地高速通过(如果有变化也是微小的)，并且和原来一样地冲起河底的淤沙(如果量有变化也是微小的)。

落潮时：

落潮流退出河口的过程中，迫使所有单向阻尼器〖1〗的阻尼片〖4〗迎流自动倒伏于水底，对落潮流不形成阻尼，河流过水断面复原。

落潮持续时间较长，流速较缓，在涨潮时冲起的泥沙又会回淤在河流中。

不难想像：涨潮时在这个形成部分区域性的阻尼水段里，在速流的断面部分〖S2〗中被常规的高速水流冲起的的泥沙，和在缓流的断面部分〖S1〗中被非常规的减速水流冲起的少量泥沙，二者在往复运动的潮水中混合后，会较均匀地分散回淤在复原的整个过水断面上。也就是说：在断面部分〖S2〗中被高速水流冲起的泥沙中的相当部分，将会回淤在断面部分〖S1〗中。最后形成的格局是：冲除的断面部分〖D2〗的泥沙，会很自然地迁移到淤积的断面部分〖D1〗中。

通过现场试验(调整设置单向阻尼器〖1〗的密度)，总可以设法使得：

冲除的断面部分〖D2〗大于，或等于，或小于(当涨潮水有含沙量时更易做到)：淤积的断面部分〖D1〗。

如果需要浚深的航道段过长，或(和)需要促淤的面积过大，可采用分段或分块的办法分期逐步进行，好在单向阻尼器〖1〗的拆装十分方便，为此举提供了可行性的条件。

涨潮时由于原先设阻而被削减了的涨潮流〖Q〗量在落潮时流很快就退出河口，而落潮延续时间不变，则势必造成增引上游来水的趋势，这将增加对整条河流广泛的止淤和冲淤的能力。

不难看出：由于上述的“单向阻尼”作用在浚深航道时进而造成的“限制涨潮流〖Q〗量--增引上游来水趋势”的结果，同时对该潮汐河流的水源保护(降污染与抗咸潮)和防汛排涝都是有利的。

上述的实施例较适合于钱塘江一类河口段高坎部位的局部浚深治理，让形成该高坎的壮观的钱江潮，变害为利，充分发挥一条闲置江河的最大经济效益：

让杭州建港。--目前，钱塘江一桥下可以达到过万吨轮的要求，而它的河口附近高坎水段中，落潮时水深最浅处不足一米。既然钱江潮可以在钱塘江河口的附近水段淤筑起千米多宽的拦江高坎，那么，让它在该高坎上打通一条百多米宽的深水航道(深八米以上就可通过万吨轮)并将其稳住，是它现有的潮汐能量力所能及的，关键是如何调集它的问题。

如果最后再结合促淤造地的综合治理就更能达到廉价的综合治理的目的。--钱塘江目前年最大上游下泄水量，与远古时代形成它时的最大上游下泄水量相比较，已成很多倍的减少，不再需要原来那样大的过水断面，因此，才从河口开始向它上游方向逐步淤浅。如果在钱塘江近河口的附近适量“缩颈”，这样既对航道的浚深有利，又于杭州的防洪和抗咸(自来水水源)有利，也不会破坏钱塘江流域的环境和生态平衡。--一条入海的自然河流的过水断面大小，主要取决于该河流上游的日常下泄水量和最大下泄水量的多少，即：河流排水量的多少。因此，河流的人为“缩颈”程度，应该与河流排水量相匹配。

如果不顾及其它的纯为获取深水航道为目的的“缩颈”，是不可行的，必须考虑百年，甚至千年一遇的意外特大洪峰形成时的河流过水断面的承受能力才行，因此，若考虑最终将实施“缩颈”方案，就应该是留有充分余量的适量“缩颈”方案，这样当然不会获取理想的深水航道，还需外加本发明一类的其它技术手段，才能既获取理想的深水航道，又不会在最大洪峰(例：上游水库大坝意外毁坏)来临之时由于河流过水断面过小而造成河水泛滥现像。

这样，才能最终做到：既解决了获取百米多宽的深水航道和适量的促淤造地的问题，又与河流的防洪问题没有矛盾，还于河流的防汛和水源保护(主要是抗咸潮)有利。

图4示意了在沿海附近的一个促淤实施例：该实施例能够实现的前提是海水中应有较明显的泥沙含量，这样就能吸引这海水中的泥沙，依靠潮汐的力量，在指定的地域中促淤造地。

原来该沿海海岸涨潮水汹涌，涨潮时会冲起一定的沉积泥沙，落潮时又将其在原处淤积，形成了固有的水力与泥沙之间的“动态平衡”，潮水中尽管还有一定的含沙量，但不会在近海淤积更多的泥沙而形成明显的陆地。

欲想吸引汹涌的涨潮水中更多的泥沙沉积在指定的促淤区域〖E〗，就得通过单向阻尼器〖1〗群体，在这个促淤区域〖E〗，破坏原来固有的水力与泥沙之间的“动态平衡”，重新建立新的上述的“动态平衡”，即：其一是变原来汹涌的涨潮水为不再汹涌；其二是吸引其它更多外来的涨潮水，让其中携带的泥沙落潮时也在该地点回淤。这样，就能破坏原来上述的“动态平衡”，调集潮汐力量“运沙”，实现按需定点的，快速自然促淤造地的目的。

将单向阻尼器〖1〗群体设置在人为圈定的辅助促淤区域〖F〗以外(离陆地有一定距离)的促淤区域〖E〗内，并且它们采用涨潮时设阻而落潮时撤阻的工作状态：

涨潮时：

第一股涨潮流〖Q〗，即：在图4当中的那股涨潮流〖Q〗，自然地进入由单向阻尼器〖1〗群体所形成的阻水限流促淤区域〖E〗，并被迫因受阻而减速流动，使它在涨潮时本该冲起，但现在却少冲起，甚至不冲起促淤区域〖E〗内的水底泥沙。

由于在促淤区域〖E〗与陆地之间，有一个不设单向阻尼器〖1〗群体的辅助促淤区域〖F〗存在，目的是使不通过促淤区域〖E〗的其它地方涌来的涨潮流〖Q〗，能够从促淤区域〖E〗的二侧前进至它后侧的辅助促淤区域〖F〗，并先于进入促淤水域〖E〗的第一股涨潮流〖Q〗(受阻减速)到达辅助促淤区域〖F〗，并以它们为主将其填满。

则：第二股涨潮流〖Q〗和第三股涨潮流〖Q〗从左右二侧包抄到促淤区域〖E〗的后方，在辅助促淤区域〖F〗中的区间〖P〗相遇。在这二股流向相反的涨潮流〖Q〗相遇的区间〖P〗中，由于流速较缓，部分由它们携带的泥沙在此沉积下来，最终将会在这个区间〖P〗内形成：由泥沙淤积的连接陆地与促淤区域〖E〗的高坎“走廊”。

落潮时：

座落在促淤区域〖E〗的单向阻尼器〖1〗群体阻水限流的作用自动撤除。

在涨潮时进入促淤区域〖E〗的第一股涨潮流〖Q〗首先缓慢地由原路落潮退出，并且将其携带的泥沙回淤在促淤区域〖E〗中；此时，已填满在辅助促淤区域〖F〗的主要由先前涨进的另二股涨潮流〖Q〗量，其中的一部分(另一部分由原路落潮退出)，很可能是其中的大部分，将尾随在落潮退出促淤区域〖E〗的第一股涨潮流〖Q〗之后，也途经宽扩而无阻挡的促淤区域〖E〗落潮而去，并且也将其中的泥沙回淤在促淤区域〖E〗中。

上述的过程结果是：

正面(中间)过来的第一股涨潮流〖Q〗，涨潮时由于设阻消能，流速减缓，在促淤水域〖E〗中冲起的淤沙量和原来相比较是不多的；落潮时，它在促淤区域〖E〗按常规也只能进行少量的回淤；然而，这不多的回淤量的一部分，是这第一股涨潮流〖Q〗在涨潮时进入促淤区域〖E〗以前，从它以外的其它地方携带(“搬运”)来的。

两侧迂回来的第二股和第三股涨潮流〖Q〗，涨潮时基本上不对促淤区域〖E〗造成多大的影响，而在落潮时其中的相当部分，也可以说是大部分将被吸引至：途经阻尼已撤消的促淤区域〖E〗落潮而去，并将它们涨潮时携带来的泥沙在其中回淤。--这些构成了促淤区域〖E〗中的主要回淤量，是从促淤区域〖E〗以外的地方被潮水“搬运”过来的泥沙。

当潮流方向与海岸线基本垂直情况下而淤成的这个“沉沙岛”〖E〗成形后，将它的外沿筑围加固。它与陆地相连的高坎“走廊”也将也会在双点划线区间〖P〗中成形。

这类“促淤岛”的速成工程，对于含沙量较大的黄海涉及的近海潮汐地区，较为适用。

图5示意了利用近岸岛屿为扩展促淤造地面积的支撑点，实施“浅峡”促淤的实例。

在“浅峡”促淤区域〖E〗中分散设置单向阻尼器〖1〗，其促淤基理是这样的：

涨潮时设阻，限制了涨潮流〖Q〗量，使之消能减速，减少在促淤区域〖E〗中的冲淤量。落潮时撤阻，先前的涨潮流〖Q〗量进行了少量回淤后很快从原路退出。紧接着，就是其它地方过来的落潮水被吸引到促淤区域〖E〗中流过，并在其中进行回淤。

这后者回淤量是促淤造地的主要成分；潮流方向与海、河岸线基本平行是该实例的前提。

Claims (6)

1.一种单向阻尼器，

a.单向阻尼器〖1〗在结构形式上：

  含有至少是三边形的阻尼片〖4〗；

b.单向阻尼器〖1〗在往复潮流中的工作方式：

在一个潮流方向上，阻尼片〖4〗处于张启状态，在与该潮流相反的潮流方向上，阻尼片〖4〗处于倒伏状态。

2.一种如权利要求1所述的单向阻尼器，所述的单向阻尼器〖1〗，它的整体结构中含有：一块阻尼片〖4〗，至少一根绳索〖3〗和至少三根桩〖2〗，其中：阻尼片〖4〗的下部直接定位在桩〖2〗上，阻尼片〖4〗的上部通过绳索〖3〗间接定位在另外的桩〖2〗上绳索〖3〗的长度以保证：在一个潮流方向上能够充分让阻尼片〖4〗被潮水推动张启为准。

3.一种如权利要求1所述的一种单向阻尼器，所述的阻尼片〖4〗是由尼隆一类的材料编织而成的柔性片体。

4.一种单向阻尼器权利要求1的用于浚深航道或(和)促淤造地的方法：

单向阻尼器〖1〗以群体的形式，分散设置在河流主航道〖L〗旁侧的促淤区域〖E〗之内，并使得：涨潮时阻尼片〖4〗处于张启状态，落潮时阻尼片〖4〗处于倒伏状态。

5.一种单向阻尼器权利要求1的用于促淤造地的另一种方法：

单向阻尼器〖1〗以群体的形式，分散设置在促淤区域〖E〗之内，并使得：涨潮时阻尼片〖4〗处于张启状态，落潮时阻尼片〖4〗处于倒伏状态。

6.一种如权利要求5所述的单向阻尼器用于促淤造地的另一种方法，所述的促淤区域〖E〗与陆地之间设有隔离地带：辅助促淤区域〖F〗。

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