废旧轮胎在水利工程中的应用综述

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废旧轮胎在水利工程中的应用综述

摘要：综述了废旧轮胎在水利工程抗冲磨防护、止水、消能防冲、浮式防波堤、岸坡防护等方

面的研究成果和应用案例。但国内水利工程中应用废旧轮胎的案例还是较少，因此，有必要借

鉴西方发达国家经验，通过立法推动废旧轮胎在工程上的应用、制定废旧轮胎工程应用规范、

加强宣传教育和技术培训等途径，促进废旧轮胎在我国水利工程中的应用。

关键词：废旧轮胎;水利工程;抗冲磨;消能防冲;浮式防波堤;岸坡防护;

Abstract：This paper introduces the research results and application cases of scrap tires in water

conservancy projects, such as anti-abrasion protection, water stop, energy dissipation and scour

prevention, floating breakwater, bank slope protection, etc. However, there are few cases of using

scrap tires in domestic water conservancy projects. Therefore, we should learn from the experience of

western developed countries, promote the application of scrap tires in water conservancy projects

through legislation, formulate engineering application specifications of scrap tires, strengthen

publicity, education and technical training, and so on.

Keyword：scrap tires; water conservancy projects; anti-abrasion; energy dissipation and scour

prevention; floating breakwater; bank slope protection;

　　 1　概述

我国汽车保有量随着经济的快速发展而急剧攀升，2012 年我国就已超过美国成为世界汽车轮胎

第一生产国和消费国[1]。随之而来的是废旧轮胎产出量与日俱增，我国废旧轮胎产出量现已居

全球首位。根据中国橡胶工业协会发布的数据显示，我国废旧轮胎产出量，从 2014 年的 1 145

万t发展到 2019 年的 1 480 万t左右，年均复合增长率约为 5.3%;根据商务部发布的数据，2018

年我国废轮胎回收量为 512 万t, 仅占当年废轮胎产生量(约1 450 万t)35.3%的比重，还有近 2/3

的废轮胎未得到有效利用。废旧轮胎不适合掩埋处理，常采用露天堆放方式存储。大量废旧轮

“ ”胎长期堆积，不仅浪费土地资源形成黑色污染 ,而且对周边的环境卫生及公共安全造成严重威

“ ”胁。因此，治理废旧轮胎造成的黑色污染刻不容缓。中央要求推进绿色发展，推进资源全面

节约和循环利用以降低能耗、物耗，这为废旧轮胎治理指明了方向：加快推进对废旧轮胎的循

环与资源化利用，从源头上减少资源的消耗和废弃物的排放。

废旧轮胎是可以再利用的资源。废旧轮胎资源化利用主要有翻新再利用、再生胶、制胶粉、热

裂解等方式[1]。传统的轮胎翻新、机械加工等二次加工通常能耗较大，成本较高，还存在二次

污染问题，而直接将废旧轮胎加工作为土建材料应用到工程建设中，不仅可以消纳、处理大量

的废旧轮胎，减轻废旧轮胎造成的环境问题，还可降低工程造价。国内讨论废旧轮胎资源化利

用的文献少有提及将废旧轮胎应用于工程上，而国外早就开展废旧轮胎在土木工程上的应用研

究，并已取得可观的成果。据美国环保署介绍，美国废旧轮胎主要进入轮胎衍生燃料、地面橡

胶和土木工程应用 3个市场[2],可见把废旧轮胎应用到土木工程上已成为美国废旧轮胎的主要

处理方式之一。工程上利用废旧轮胎主要有原形直接利用和原形改制利用两种方式，均可在耗

费能源和人工较少的情况下使废旧轮胎物尽其用。原形直接利用是指按废旧轮胎现有形态直接

废物利用，如用于码头防撞、堤坝风浪冲刷防护、公路交通路标、漂浮灯塔、游乐用具等，但

使用量很少。原形改制利用是指通过裁剪、冲切等方式对废旧轮胎加以改造利用，是废旧轮胎

在土木工程中应用的主要方式。国外废旧轮胎在土木工程中的应用主要集中在道路工程领域。

我国是水利大国，将废旧轮胎应用于水利工程大有可为，而且废旧轮胎在水利工程上的应用也

早已有之。本文将主要介绍废旧轮胎在水利工程中的应用情况和研究成果以及尚待解决的问

题，以期促进废旧轮胎在水利工程中的应用。

　　 2　废旧轮胎在水利工程直接利用的可行性

2.1 轮胎的结构组成和性质

轮胎由硫化橡胶制成，包括加强的纺织网线、高强度钢带或纤维筋带及用于加强胎边的高强度

钢丝，胎的侧边由不易变形覆盖橡胶的钢丝片或编织物组成。轮胎具有如下性质[3]: ①强度

高，轮胎由橡胶和加筋材料制成，强度较高；② 抗腐蚀性强，硫化橡胶抗腐蚀性强，在一般酸

性环境中(pH=4～5) 可以忽略腐蚀作用；③ 耐火性差，橡胶是比较容易着火的材料，在直接利

用废旧轮胎时要注意避免火灾；④ 具有很好的弹性和韧性；⑤ 具有高摩擦性；⑥ 质量轻，可

用作轻质填料。在耐久性上，废轮胎性质稳定，可在自然环境中长久存在，原形胎可超过 100

a以上不发生腐烂分解。

2.2 废旧轮胎应用于水利工程的环境评价

废旧轮胎应用于水利工程的主要环境问题是轮胎中的有害物质是否会浸出污染环境。文献[3]给

出20 世纪90 年代发表的一些轮胎碎片的浸出试验结果(见表 1),可知废旧轮胎应用于水利工程

对环境的影响较小。废轮胎经 TCLP 测试，轮胎块不属于有害废弃物，使用于土木工程不会对

土体产生污染。

表1 轮胎浸出试验结果

　　 3　废旧轮胎在水利工程中的应用

3.1 废旧轮胎用于抗冲磨防护

冲击磨损破坏是水工泄水建筑物的常见问题，调查发现近 70%大型水电工程在运行过程中存在

冲磨破坏现象[4],此类破坏会导致水工建筑物过流面表层材料剥落、配筋外露，影响泄水建筑

物的正常运行，如不进行防护，建筑物将会遭到破坏，甚至导致工程失事。因此，对于抗冲磨

材料的研究一直是水工泄水建筑物抗冲磨研究的重点，而冲磨破坏修复则是水工建筑物加固工

程中频次最高的工作内容之一。

工程上常用抗冲磨混凝土为硅粉混凝土、纤维混凝土和 HF “ ”混凝土等，特点均是以硬碰硬 ,不

能有效解决泄水建筑物的抗冲磨问题[5,6] “ ”。因此有学者提出以柔克刚的思路来解决高速水流

携带推移质对水工泄水建筑物的冲击及磨损：通过在泄水建筑物过流面设置柔性保护层吸收推

移质沙石的冲击能量，达到抗冲磨破损的目的。废旧轮胎具有高弹性、良好的耐磨性和耐屈挠

性等特性，是合适的柔性保护层。在高速水流带动下的石块对建筑物的撞击破坏力极强，而废

旧轮胎受到撞击时会产生变形，使得接触面积增大，可达到分散应力以保护建筑物的效果。据

王文学[7]介绍，早在1988 年就已对金沟河电站冲沙闸后底板采用废旧轮胎作抗冲磨保护层试

验，发现废旧轮胎比其它护面材料防护效果更好，维修方便，且造价低，使用时间长，是一种

经济实用的抗冲耐磨材料。据崔智[8]介绍，新疆阿克苏河协合拉引水枢纽汛期洪峰流量大且携

带大量推移质，对泄洪闸底板和闸下陡坡磨损严重，采用各种方法进行维修，效果均不理想；

最后采用废旧轮胎作为防冲抗磨材料，取得良好效果。

虽然废旧轮胎应用于水工泄水建筑物抗冲磨防护已有多个成功案例，证明废旧轮胎是良好的抗

冲磨材料，但还应认识到正确的设计对保证抗冲磨效果很关键。李学红[9]介绍了尼雅河八一八

渠首应用废旧轮胎进行抗冲磨设计的教训和经验：2006 年5月主体工程完工，7月尼雅河发生

洪水，洪水携带大量推移质，造成已建好的抗磨轮胎条全部被冲毁；根据现场破坏情况分析，

发现原设计存在轮胎条宽度偏大，胎面不平，顺水流方向搭接长度偏小等缺陷，改进设计加固

后运行效果良好。

闸门止水多用橡胶带，容易受到水力冲击、泥沙摩擦、树枝杂物擦刮、冰冻等而造成损坏漏

水。废旧轮胎比现有的橡胶止水带更耐磨持久，且价格低廉，可替代橡胶止水。据赵春林[10]

介绍：汾河灌区的3处拦河闸一直采用橡胶带止水，但使用不到 1 a 就会出现漏水现象，屡修

屡坏；后来采用废旧轮胎(尼龙胎)去两边取中间制作止水带；在汛期水沙冲击、杂物乱刮情况

下，废旧轮胎止水带没有损坏，效果远超正品橡胶止水。

3.2 废旧轮胎用于闸下消能防冲

通过对全国病险水闸的调查发现，3 764 座大中型水闸中就有 42.3%的水闸闸下游消能防冲设施

严重损坏[11],可见闸下冲刷破坏普遍存在。闸下冲刷破坏的原因很多，其中海漫未能充分发挥

其进一步消能、调整流速分布以减小或防止下游的冲刷作用，是重要原因之一。为实现增加糙

率降低近底流速的目的，牟献友等[12]提出用废旧轮胎制作海漫表面的加糙体。室内水工模型

试验表明，废旧轮胎加糙可降低 50%的近底流速。1998—2000 年，牟献友等[12]对内蒙古河套

灌区 3个设计流量分别为38 m3/s、26 m3/s、15 m3/s 的水闸做了利用废旧轮胎加糙海漫的原型

试验，轮胎直径取1/3 设计水深；试验表明，轮胎加糙海漫的消能减冲效果明显，表现为 3个

水闸的冲坑深度从海漫加糙前的3.3 m、4.5 m、4.4 m 分别回淤到1.1 m、1.2 m、0.7 m, 平均减

少75.7%,冲坑面积平均减少 19.3%。

废旧轮胎的消能效果与水流冲击力使轮胎产生振动有关，在轮胎反复振动过程中，阻尼作用消

耗部分水流能量。废旧轮胎既有之凹痕、孔洞也有助于消减水流之能量。因此，在不改变水闸

工程原有其它消能设施的情况下，只在海漫段布设废旧轮胎，就可以有效降低近底流速，减轻

闸下冲刷，且取材方便、造价低廉。

3.3 废旧轮胎用于浮式防波堤

防波堤是常见的港口、海岸工程结构，主要用于防御外海传来的波浪。与固定式防波堤相比，

浮式防波堤具有移动性、临时机动性、可重复使用、不受水深和地质条件限制、不影响水流和

泥沙的运动条件等优点，且结构简单、造价低。浮式防波堤通常由消波浮体和锚泊系统组成的

防浪设施组成。其消波原理是利用浮体在水中上下浮动和左右摆动来干扰波浪的水质点运动，

从而阻止波浪传播或使波浪破碎，以达到消减波能的目的。

20 世纪60 年代末美国就已开始废旧轮胎用于浮式防波堤的研究[13]:1968 年美国陆军工程水道

实验站在Vicksburg 做了Wave-Maze 型废旧轮胎浮式防波堤现场试验；1978 年Giles 等人做了

全相似的Goodyear 型废旧轮胎浮式防波堤试验研究；1982 年Harms 等人做了全相似的Wave-

Guard 型废旧轮胎浮式防波堤试验研究，并陆续应用到实际工程中。国内对于废旧轮胎浮式防

波堤的研究起步较晚：2002 年吴维登等[14] —做了钢管轮胎浮式防波堤室内模型试验，探究其

影响消浪效果的几个影响因素，提出一种新的钢管轮胎浮式结构，可使波高传递系数最低达

0.22;2010 年张余等[13]研究了废旧轮胎浮式防波堤结构衰减波能量的机理，认为其结构消浪性

能的主要影响参数是浮堤的相对宽度，透射系数随着相对宽度的增加而减小，而锚链刚度和锚

链拖地长度对透射系数的影响不明显；2016 年金涛等[15]通过物理模型试验研究半潜式废旧轮

胎结构在规则波作用下的消浪特性，分析了透射系数随宽度、吃水、水平净间距等因素的变化

规律；2018 年祁隆等[16]通过物理模型试验对多层废旧轮胎半潜式防波堤的消浪性能及其影响

因素进行研究，发现多层废旧轮胎半潜式防波堤的消浪性能主要受模型层数、相对潜水深度、

波高和周期的影响。目前国内对废旧轮胎浮式防波堤的研究还是以室内试验研究为主，少见工

程应用实例介绍。只搜索到2002 年我国在连云港港口旗台山海域建成首条废旧轮胎浮式防波

堤的报道。据报道[17],防波堤全长 1 km, 通过锚链把作为消波浮体的两排直径 90 cm 的废旧轮

胎与 10 t 钢筋混凝土块锚定物连接起来；具有造价低、可移动拆装、不影响水体交换等优点。

3.4 废旧轮胎用于岸坡防护

废旧轮胎用于边坡防护早已有之。美国加利福尼亚州自1973 年以来一直利用废旧轮胎加固土

质路堤边坡[18]。我国虽然起步较晚，现在大面积护坡复绿中也开始使用废旧轮胎。通常将废

旧轮胎沿着坡面逐一铺设，再将各单体废旧轮胎用诸如钢绞线等防腐性好的材料绑紧连接起

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摘要：

废旧轮胎在水利工程中的应用综述摘要：综述了废旧轮胎在水利工程抗冲磨防护、止水、消能防冲、浮式防波堤、岸坡防护等方面的研究成果和应用案例。但国内水利工程中应用废旧轮胎的案例还是较少，因此，有必要借鉴西方发达国家经验，通过立法推动废旧轮胎在工程上的应用、制定废旧轮胎工程应用规范、加强宣传教育和技术培训等途径，促进废旧轮胎在我国水利工程中的应用。关键词：废旧轮胎;水利工程;抗冲磨;消能防冲;浮式防波堤;岸坡防护;Abstract：Thispaperintroducestheresearchresultsandapplicationcasesofscraptiresinwaterconservancy...

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