裝配式快速堵口裝置水下運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)研究

洪娟 王榮 高昂 謝朝勇 馬冬冬

摘要：為了解新型裝配式快速堵口裝置的水動(dòng)力特性，從而為堵口裝置選型及拋投方案的制定提供依據(jù)，針對單件堵口裝置開展了系統(tǒng)的室內(nèi)水槽試驗(yàn)研究，對比分析了不同水流條件（水深、流速）及裝置質(zhì)量（不同填充物）等因素對其水下運(yùn)動(dòng)的影響。結(jié)果表明：裝置觸底橫向漂距與裝置質(zhì)量有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，水深及流速與裝置觸底橫向漂距成正相關(guān)關(guān)系：基于量綱分析方法，建立了表征水流條件及裝置質(zhì)量的無量綱數(shù)，構(gòu)建了裝置觸底橫向漂距預(yù)測公式，并得到原型試驗(yàn)合理性驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：堵口裝置：水槽試驗(yàn)：水下運(yùn)動(dòng)：量綱分析：橫向漂距

中圖分類號：TV135

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2020. 01.007

1 引言

堤壩在水資源利用及洪水災(zāi)害防治等方面具有重要作用[1]，然而超標(biāo)準(zhǔn)洪水、堤壩自身質(zhì)量降低或其他不利因素均會(huì)增加堤壩潰決的風(fēng)險(xiǎn)。堤壩一旦發(fā)生潰決，河流或水庫中水體將在潰口附近集中宣泄，潰決速度快且能量巨大，對洪水影響區(qū)內(nèi)人員生命和財(cái)產(chǎn)造成極大威脅[2]。

針對如何在堤壩潰決后根據(jù)潰口地形、地質(zhì)及水流條件，因地制宜地采取合理措施有效封堵潰口這一問題，不少學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[3-4]。然而由于壩堤潰決危害很大，且具有不可重復(fù)性，大多采用模型試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法對潰口水流或潰口封堵裝置合理性進(jìn)行研究。洪娟等[4]指出在堵口工程中，堵口材料的選擇極其重要，是堵口能否成功的關(guān)鍵因素之一。孫東坡等[5]對土工包的沉降運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了概化模擬試驗(yàn)研究，建立了土工包沉降速度的計(jì)算模式。周景芍等[6]經(jīng)過模型和現(xiàn)場試驗(yàn)，研究了大型土工包、鉛絲網(wǎng)石籠、充沙土工布長管袋式軟體排等在黃河堤防堵口技術(shù)的可行性。孫蘆忠等[7-8]提出了用箱型結(jié)構(gòu)物封堵堤壩潰口的技術(shù)方案，試驗(yàn)研究了潰口水流、沉箱順序和裹頭構(gòu)筑對潰口水力特性的影響。賈志峰等[9]對不同投放高度、水流速度、投放方式的效果進(jìn)行了探究，建立了理想狀態(tài)下的水平和豎直方向上的運(yùn)動(dòng)微分方程，并利用相似準(zhǔn)則計(jì)算出模擬實(shí)際潰壩時(shí)重物的投放位置。

雖然上述堵口技術(shù)最終能夠達(dá)到封堵目的，但總體上存在技術(shù)普適性差、封堵時(shí)機(jī)滯后、材料難以儲(chǔ)備、代價(jià)較高等問題。如何在潰口初期及時(shí)響應(yīng)，并對潰口實(shí)現(xiàn)快速封堵是防止?jié)⒖谠斐删薮髶p失的關(guān)鍵。陳云鶴等[10]提出一種裝配式快速堵口裝置（下文簡稱“裝置”），具有“便于儲(chǔ)備一快速運(yùn)輸一現(xiàn)場裝配”等特點(diǎn)，旨在潰口初期能夠?qū)崿F(xiàn)對潰口的有效封堵。采用這種裝置進(jìn)行堵口搶險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)，必須掌握其水下運(yùn)動(dòng)特性。筆者開展了裝置拋擲沉落的概化模擬試驗(yàn)，詳細(xì)了解其沉落的運(yùn)動(dòng)特征，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)及量綱分析方法構(gòu)建裝置橫向漂距的預(yù)測公式。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正態(tài)模型模擬該裝置，根據(jù)重力相似準(zhǔn)則[11]，考慮原型裝置尺寸、試驗(yàn)水流條件，并結(jié)合試驗(yàn)水槽尺寸及水泵供水能力，確定模型幾何比尺為1：10。試驗(yàn)水流滿足雷諾數(shù)大于500、水深大于1.5 cm的要求。

根據(jù)原型裝置尺寸及模型比尺，裝置的模型外框尺寸為0.20 mX0.25 m（高×邊長）?？蚣茕摻孛娉叽鐬? mmx6 mm，采用不銹鋼薄片制作;鋼筋網(wǎng)選用篩網(wǎng)模擬;三角形網(wǎng)板間采用自鎖式塑料扎帶綁扎。制作模型總數(shù)為4個(gè)，各模型實(shí)物見圖1，參數(shù)見表1。

試驗(yàn)在室內(nèi)水槽中進(jìn)行，水槽斷面為矩形，尺寸為30 mx1.19 mx1.2 m（長×寬×高），底坡為平坡;水槽邊壁為透明鋼化玻璃，底壁為鋼板材質(zhì)。水槽進(jìn)口設(shè)置穩(wěn)流柵，用以平順?biāo)?，消除不均勻流態(tài)。試驗(yàn)段設(shè)置在水槽中后部，長度2m。試驗(yàn)段底部鋪設(shè)人造皮革材料，試驗(yàn)前測量了不同裝置與皮革間的靜摩擦系數(shù)μ肛，結(jié)果見表2。由表2可見，1#、2#、3#裝置與皮革之間的摩擦系數(shù)基本一致，取其平均值1.0作為三者與皮革間的摩擦系數(shù);0#裝置摩擦系數(shù)與其他差別較大，約為0.7。

試驗(yàn)水流由進(jìn)口蝶閥控制，流量Q由電磁流量計(jì)計(jì)量（精度為1%）;水深h由水槽尾部尾門調(diào)節(jié)，由水位尺測?。ň葹? mm），流速v由Q/s計(jì)算，其中S為水流斷面面積，S= 1.19h。裝置水下運(yùn)動(dòng)軌跡采用側(cè)視攝像機(jī)記錄（幀率30 Hz、像素1 920xl 080），后期采用圖像識別方法獲取系列圖像中裝置的像素位置，根據(jù)標(biāo)定系數(shù)（實(shí)際距離與像素距離的標(biāo)定系數(shù)）換算出裝置的實(shí)際位置。

2.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)過程中，裝置由軟線牽引，在調(diào)整至入水姿態(tài)后釋放入水。裝置均在水面上方15 cm處拋投，以自由落體拋入水中，并保證裝置入水姿態(tài)基本保持一致（允許偏差±50）。為消除偶然性，提高試驗(yàn)結(jié)果的可信度，每組試驗(yàn)不少于3次。具體工況見表3。

3 裝置水下運(yùn)動(dòng)過程試驗(yàn)成果分析

3.1 不同質(zhì)量裝置投放

分別在0.2 m和0.3 m試驗(yàn)水深條件下，進(jìn)行4種裝置的水下運(yùn)動(dòng)軌跡試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裝置入水后在重力、水流拖曳力及浮力等外力共同作用下，運(yùn)動(dòng)軌跡呈曲線型式。圖2繪出了工況4-0.2-0.6（0.2表示水深為0.2 m.0.6表示流速為0.6 m/s）和工況4-0.3 -0.4下4種裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡，其中坐標(biāo)原點(diǎn)為裝置入水點(diǎn)，橫坐標(biāo)表示橫向位移，縱坐標(biāo)表示縱向位移。由圖2知，0#裝置觸底時(shí)橫向位移最大，3#裝置觸底時(shí)橫向位移最小，排序?yàn)?#>1#>2#>3#.觸底時(shí)橫向位移與裝置質(zhì)量有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。雖然0#裝置阻水體積較?。ㄧU空）.但其質(zhì)量明顯小于其他裝置，從動(dòng)量守恒角度講，其在水流沖擊作用下，對水流的橫向響應(yīng)更為強(qiáng)烈，橫向加速度及速度大于其他裝置。圖3點(diǎn)繪了不同裝置質(zhì)量與觸底時(shí)橫向漂距（X，）的關(guān)系。由圖3知，隨著裝置質(zhì)量的增大，觸底橫向位移呈現(xiàn)減小的趨勢。

此外，通過試驗(yàn)還可以看出，裝置的質(zhì)量越大，其橫向移動(dòng)對水流的沖擊響應(yīng)越滯后（見圖2），其中1#裝置入水后發(fā)生明顯橫向位移的時(shí)間短于2#裝置，2#裝置入水后發(fā)生明顯橫向位移的時(shí)間短于3#裝置。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要與加速度有關(guān)，即相同尺寸的3個(gè)裝置，在受水流橫向沖擊力相同的情況下，質(zhì)量越大，其加速度越小，對沖擊力的響應(yīng)越滯后。

3.2 不同水深投放

為研究相同流速條件下不同水深對裝置水下軌跡的影響，選取工況4-0.2-0.6與工況6-0.3 -0.6進(jìn)行試驗(yàn)，兩個(gè)組次的平均流速均為0.6 m/s。

圖4點(diǎn)繪了1#、2#、3#裝置的水下軌跡。由圖4知水深對裝置的水下軌跡影響顯著，小水深下裝置運(yùn)動(dòng)軌跡在大水深軌跡的上方，表明在裝置入水高度相同的情況下，小水深的橫向位移更大，這主要與水流流速的垂向分布特性有關(guān)。此外，由于水深越大，水流對裝置的橫向沖擊時(shí)間越長，因此大水深下裝置的Xt要大于小水深下的Xt。

3.3 不同流速投放

為研究相同水深條件下不同流速對裝置水下軌跡的影響，選取工況4-0.3-0.4、工況6-0.3 -0.6、工況8-0.3-0.8進(jìn)行試驗(yàn).3個(gè)組次的水深均為0.3 m，平均流速依次為0.4、0.6、0.8 m/s。

圖5點(diǎn)繪了1#、2#、3#裝置的水下軌跡。由圖5知流速對裝置的水下軌跡影響較為明顯，高流速下裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡在低流速軌跡的上方，表明在裝置入水高度相同的情況下，高流速下裝置的橫向位移更大。高流速對裝置的橫向沖擊力大，其對水流沖擊力的橫向響應(yīng)更敏感，從而導(dǎo)致高流速條件下裝置觸底時(shí)的橫向位移要大于低流速下裝置觸底時(shí)的橫向位移。

4 裝置觸底橫向漂距預(yù)測方法及合理性驗(yàn)證

4.1 裝置觸底橫向漂距預(yù)測方法

裝置橫向漂距的有效預(yù)測是裝置拋投點(diǎn)確定的關(guān)鍵。根據(jù)前述分析，影響裝置觸底橫向漂距的主要因素包括裝置質(zhì)量m、流速v、水深h，且觸底橫向位移與質(zhì)量成反比、與流速和水深成正比。因此，采用量綱分析方法構(gòu)建以下無量綱數(shù)[13]。

4.2 公式應(yīng)用及合理性驗(yàn)證

基于對室內(nèi)水槽試驗(yàn)條件下裝置水下運(yùn)動(dòng)特性的認(rèn)識及提出的漂距預(yù)測公式，設(shè)計(jì)了原型裝置的水動(dòng)力試驗(yàn)方案，并開展了原型試驗(yàn)研究。原型試驗(yàn)在江蘇省防汛搶險(xiǎn)訓(xùn)練基地開展，較大程度地模擬了潰口實(shí)際水動(dòng)力條件。試驗(yàn)采用起重機(jī)拋投了2種尺寸相同但質(zhì)量不同的原型裝置（見圖7、圖8），采用水位尺測量試驗(yàn)水深，采用數(shù)顯式流速儀測量流速，拍攝視頻記錄裝置運(yùn)動(dòng)過程，并基于刻度尺反算漂距，試驗(yàn)條件、實(shí)測漂距及運(yùn)用預(yù)測公式（8）預(yù)測的漂距見表4。可知預(yù)測漂距相對誤差在25%以內(nèi)，表明提出的裝置觸底橫向漂距預(yù)測公式具有一定的合理性，對該裝置在防汛搶險(xiǎn)中的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

對堵口裝置的水下運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的水槽試驗(yàn)研究，分析了其水下運(yùn)動(dòng)軌跡與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，并在原型試驗(yàn)中予以合理性驗(yàn)證，具體結(jié)論如下。

（1）裝置在一定流速的水流中運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)曲線形式，隨著水深增加，其橫向運(yùn)動(dòng)速度逐漸增大。

（2）水深及水流與裝置橫向漂距正相關(guān)，裝置橫向漂距與裝置質(zhì)量負(fù)相關(guān)。

（3）建立了表征水流條件及裝置質(zhì)量的無量綱數(shù)，并構(gòu)建了含有水深、流速及裝置質(zhì)量的裝置觸底橫向漂距的預(yù)測公式。由公式結(jié)構(gòu)形式知，水深變化對裝置觸底橫向漂距的貢獻(xiàn)率要大于流速變化。

（4）原型試驗(yàn)驗(yàn)證了裝置橫向漂距預(yù)測公式的合理性，表明水槽試驗(yàn)相關(guān)結(jié)論對該裝置應(yīng)用在防汛搶險(xiǎn)中有一定的指導(dǎo)意義。

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【責(zé)任編輯許立新】

收稿日期：2019- 08 - 06

作者簡介：洪娟（1980-）.女，江蘇丹陽人，講師，主要從事防汛搶險(xiǎn)、橋梁防撞等方面的研究工作