小型袋裝砂拋填水下軌跡模擬與分析

陶潤禮，袁超哲，王健，江帥

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心，上海 201208）

小型袋裝砂拋填水下軌跡模擬與分析

陶潤禮，袁超哲*，王健，江帥

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心，上海 201208）

袋裝砂筑堤拋填過程，由于施工區(qū)域水深、流急，袋裝砂在拋落過程中發(fā)生偏移，使得拋填精度難以控制?；赗ANS方程和VOF方法，建立了小型袋裝砂拋填的數(shù)學(xué)模型，對(duì)小型袋裝砂拋填水下軌跡進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析。結(jié)果表明：小型袋裝砂拋袋偏移量隨拋袋水深和流速的增大而增大；拋袋角度順流而下時(shí)，袋體姿態(tài)良好，利于保證拋袋質(zhì)量。

深水筑堤；小型袋裝砂；拋袋軌跡；偏移量；數(shù)值模擬

0 引言

拋填筑堤施工工藝，廣泛應(yīng)用于圍堰、堤壩、護(hù)岸等工程。其主要的實(shí)現(xiàn)方式有：翻板拋袋、網(wǎng)兜拋袋和升降平臺(tái)拋袋3種施工工藝[1]。目前全世界均致力于升級(jí)海洋經(jīng)濟(jì)，海洋工程不斷遠(yuǎn)離沿海區(qū)域。在深水碼頭圍堰、深水人工島、遠(yuǎn)海島礁開發(fā)中遇到的水深、流急等問題，對(duì)現(xiàn)有的拋填筑堤施工工藝提出了更高的要求[2]。

洋山深水港工程中，拋填筑堤施工水深達(dá)到-20 m，漲落潮流速最大為2.2 m/s；上海青草沙水庫東堤龍口水深達(dá)到-12 m，水流流速最大可達(dá)7 m/s?，F(xiàn)有的袋裝砂拋填筑堤施工工藝，采用4 m×6 m和6 m×8 m的袋體，該扁形袋體存在拋填袋體的成型斷面難以控制、破袋率高的問題?，F(xiàn)階段主要采用加強(qiáng)斷面測(cè)量、袋體系浮標(biāo)進(jìn)行試拋、簡易公式計(jì)算等方法來估算拋填袋體的偏移量。均不能直接根據(jù)拋袋水深、流速的變化，指導(dǎo)施工船舶預(yù)留出拋袋偏移量，保證袋體拋落點(diǎn)的準(zhǔn)確性[3-5]。

鑒于此，本文通過數(shù)值方法模擬小型袋裝砂在深水和急流條件下的拋袋過程，以此研究小型袋體在不同拋袋水深和水流流速條件下的袋體偏移量和袋體落底姿態(tài)。使得在深水域拋填筑堤施工過程中，能夠精準(zhǔn)預(yù)判拋袋落點(diǎn)，保證袋體落底姿態(tài)，有效控制水下成型斷面并減低袋體破損率，完善深水域袋裝砂拋填筑堤工藝[6-8]。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

采用三維兩相流模型，并假設(shè)水與空氣均為不可壓縮流體。在笛卡爾坐標(biāo)系（x，y，z）下控制方程及RANS方程為：

式中：t為時(shí)間；x、y、z分別為笛卡爾三維坐標(biāo)；u、v、w分別為流速的坐標(biāo)軸分量；P為壓強(qiáng)；Ax、Ay、Az分別為VOF方法中使用的面積分?jǐn)?shù)；Gx、Gy、Gz分別為各方向上的慣性力項(xiàng)，此處取Gx=Gy=0，重力Gz=-g；fx、fy、fz分別為各個(gè)方向的黏性項(xiàng)。并采用RNG k-ε湍流模型封閉方程組，其中湍流黏滯系數(shù)為：

式中：kt為湍流動(dòng)能；εt為湍流動(dòng)能耗散率；Cμ為常數(shù)，在RNG k-ε模型中取值為0.085。

自由液面模擬采用VOF方法，并采用雙流體均質(zhì)流體模型同時(shí)計(jì)算空氣和水的運(yùn)動(dòng)。

1.2 計(jì)算域設(shè)置

本文的計(jì)算域如圖1所示。-z方向?yàn)橹亓Ψ较?，y方向?yàn)樗蛩鞣较?，x為袋體水平軸方向。參考洋山港施工水域水深，本文研究拋袋水深H=10 m、15 m和20 m。根據(jù)拋袋水深，計(jì)算域分別設(shè)置為4 m×26 m×13 m、4 m×26 m× 18 m和4 m×26 m×23 m，網(wǎng)格尺度為0.1 m，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)分別為1 352 000個(gè)、1 872 000個(gè)和2 392 000個(gè)。

1.3 邊界條件

圖1所示為小型袋裝砂拋袋模型的邊界條件示意圖。該模型計(jì)算域的下部為墻邊界（Wall），上部為壓力邊界（Specified Pressure），取值為1個(gè)大氣壓強(qiáng)；x方向邊界為對(duì)稱邊界（Symmetry）；y方向邊界為流速邊界（Specified Velocity），流速邊界為垂向平均流速，根據(jù)計(jì)算工況的不同分別設(shè)置為v=0 m/s、1 m/s、2 m/s和3 m/s。

1.4 初始條件

小型袋裝砂拋填數(shù)值模擬過程中，小型袋裝砂的形狀、密度、拋袋高度（袋底中心距水面高度）和拋入速度Vin均以現(xiàn)場(chǎng)拋袋試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

經(jīng)過多組小型袋裝砂現(xiàn)場(chǎng)拋填試驗(yàn)，得到小型袋裝砂最佳形狀、拋袋高度、拋袋角度和拋入速度如圖2、圖3所示。

由圖2可知：小型袋裝砂拋袋高度h=1 m，拋入角度α=30°，拋入速度為2 m/s。如圖3所示，小型袋裝砂下部圓柱高1.05 m，直徑2.2 m；上部圓臺(tái)高0.35 m，圓臺(tái)上部直徑為0.5 m。該小型袋裝砂為干法裝袋，填充料含水率低、密實(shí)度高，總體密度約為1 800 kg/m3。

小型袋裝砂與目前的深水拋填筑堤施工工藝所用的扁平袋體不同，采用水力充灌的扁平袋體，袋內(nèi)含水率較高極易造成破袋；采用干法裝袋的小型袋裝砂，具有含水率低、密實(shí)度高和整體性好的優(yōu)點(diǎn)[1]。在拋填過程中，小型袋裝砂不會(huì)發(fā)生較大的形變。因此，小型袋裝砂在數(shù)值模擬計(jì)算過程中，設(shè)置為密度1 800 kg/m3的剛性體。

綜上所述，小型袋裝砂拋填數(shù)值模擬的計(jì)算過程中，袋體拋入高度設(shè)定為1m；拋入速度為1 m/s；拋入角度為30°；拋袋水深為10 m、15 m和20 m；水體流速設(shè)置為：0 m/s、1 m/s、2 m/s和3 m/s。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 拋袋模擬驗(yàn)證

為驗(yàn)證拋袋模型的正確性，將小型袋裝砂拋填數(shù)值模擬的偏移量與現(xiàn)場(chǎng)拋填小型袋裝砂試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

選取具有代表性的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工況（如圖2所示）：拋袋水深H=6 m、水體靜止v=0 m/s、袋體拋入角α=30°、拋入速度Vin=2 m/s、袋體底面中心距離水面h=1 m。現(xiàn)場(chǎng)拋袋試驗(yàn)中，袋體偏移量S（拋入點(diǎn)距離落點(diǎn)）約為3.3 m。

圖4為相同初始條件下，小型袋裝砂拋填水下軌跡的模擬結(jié)果。數(shù)值模擬的袋體偏移量S為3.26 m。拋袋現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果誤差約為1.2%。驗(yàn)證結(jié)果表明：通過該數(shù)值模擬方法來模擬小型袋裝砂拋填水下軌跡、偏移距離和落底姿態(tài)是可行的。

2.2 拋袋數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖5為小型袋裝砂在拋袋水深20 m，不同流速條件下，袋體拋填水下軌跡及偏移量示意圖。

拋袋水深為20 m，當(dāng)流速為0 m/s和1 m/s時(shí)，袋體在水深0～12 m之間，其水下軌跡為類拋物線；當(dāng)流速為2 m/s時(shí)，袋體在水深0～8 m之間，其水下軌跡亦為類拋物線，水深8～20 m之間的水下軌跡為線性；當(dāng)流速為3 m/s時(shí)，袋體的水下軌跡類似為線性。

表1所示的數(shù)據(jù)為圖5數(shù)值模擬所得的小型袋裝砂拋填偏移量。結(jié)合圖6可知，當(dāng)水體靜止時(shí)，隨著拋袋水深的增加，袋體漂移距離增加趨于平緩；當(dāng)水體具有流速時(shí)，袋體的偏移量隨著拋袋水深的變大而增加，且隨著流速的增加偏移量的增長趨勢(shì)顯著提高。

圖7為當(dāng)拋入角度與水流流速頂沖時(shí)，拋袋水深15 m條件下，袋體拋入角與水流流速為150°時(shí)，水流流速對(duì)袋體偏移量和落底姿態(tài)的影響情況示意圖。由圖7可知，漂移距離隨著水流流速的增加而沿-y軸方向變大。且在水流流速為2 m/s和3 m/s時(shí)，袋體出現(xiàn)傾角（袋體底面與水平面夾角）大于70°的情況。

圖8為當(dāng)拋入角度順著水流時(shí)，拋袋水深15 m條件下，袋體拋入角與水流流速為30°時(shí)，水流流速對(duì)袋體偏移量和落底姿態(tài)的影響情況示意圖。

對(duì)比圖7和圖8可知：順著水流方向拋袋，袋體在落底過程中姿態(tài)良好，袋體最大傾角發(fā)生在拋袋入水時(shí)刻，落底過程中的傾角均小于30°；頂著水流方向拋袋，袋體在落底過程中姿態(tài)較差，出現(xiàn)約為70°傾角，使得袋體在落底過程中容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，造成袋體不必要的破裂。

3 結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬方式研究了袋裝砂在給定拋袋水深條件下，不同水流流速作用下，袋體偏移量和袋體的落底姿態(tài)，得到了如下結(jié)論：

1）袋體拋入角順著水流流動(dòng)方向，在流速1～3 m/s時(shí)，袋體在水流流速的作用下偏轉(zhuǎn)角較小，不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，落底過程中始終保持袋底朝下的姿態(tài)，利于保證拋袋質(zhì)量。

2）袋體拋入角頂沖水流流動(dòng)方向，在流速1～3 m/s時(shí)，袋體的偏轉(zhuǎn)角較大，容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在落底過程中容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，不利于保證拋袋的質(zhì)量。

3）袋體拋入水體過程中，當(dāng)水深給定時(shí)，隨著水流流速的增加，袋體漂移距離亦增大；當(dāng)水流流速給定時(shí)，隨著拋袋水深的增大，袋體漂移距離亦增大。

4）根據(jù)本文系列的拋袋的數(shù)值模擬結(jié)果，在已知施工區(qū)水流流速及拋袋水深條件下，能夠精準(zhǔn)預(yù)判拋袋落點(diǎn)，保證袋體落底姿態(tài)，能夠有效控制水下成型斷面并減低袋體破損率，進(jìn)一步完善了深水域袋裝砂拋填筑堤工藝。

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Simulation and analysis of underwater moving curve of small sandbag thrown fill

TAO Run-li,YUAN Chao-zhe*,WANG Jian,JIANG Shuai
（CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

In the process of sandbag thrown fill in the deep water,existed a significant sandbag offset due to the high velocity and deep water in the construction area.It's hard to control the filling accuracy because of the sandbag offset.We established a numerical model to simulate the underwater moving curve of the small sandbag thrown fill,based on the Reynolds averaged N-S equation and the conservation equations of the Volume of Fluid function.The results show that the offset of the small sandbag thrown fill in deep water increases with the water depth and the flow velocity;the landing posture is suitable for throwing the small sandbag downstream the flow velocity in high quality.

deepwater diking;small sandbag;landing posture;offset;numerical simulation

U655.54；TU751.5

A

2095-7874（2017）03-0018-04

10.7640/zggwjs201703004

2016-09-26

2016-11-10

陶潤禮（1970— ），男，湖南綏寧人，高級(jí)工程師，港口、航道及近海工程專業(yè)。

*通訊作者：袁超哲，E-mail：yuanchaozhe@cccc-drc.com