基于數(shù)值模擬方法在不同類型水下夯錘下的夯擊效果探析

李子越

(阜新市佳音工程項目管理有限公司，遼寧 阜新 123000)

0 前 言

在水庫、閘壩建設工程中，水下工程拋石主要通過水下夯錘進行夯擊加固，不同夯錘類型受到水流繞流影響其夯擊效果及效能差異十分明顯，亟需對不同夯錘類型下的水流繞流進行分析，從而提高夯錘的擊效果及效能[1]。當前，國內(nèi)許多學者已逐步展開對夯錘下的水流繞流影響分析[2-10]，各研究成果均表明夯錘類型對水流繞流影響顯著，不同夯錘類型下其水流繞流的阻力系數(shù)分布不同，從而影響其夯擊效果及效能。但這些研究成果大都未能對不同夯錘類型下水流繞流的變化規(guī)律進行探討。為提高水下夯錘效率，文章采用數(shù)值模擬方法對不同水下夯錘類型下的水流繞流進行數(shù)值模擬分析，從而確定最優(yōu)的夯錘類型。研究成果對于水庫、閘壩建設工程施工具有重要參考價值。

1 數(shù)值模擬方法

不同類型夯錘在水下的水流非均勻運動方程為：

mg-ρwgV-Fs=ma

(1)

(2)

式中：m為夯錘質(zhì)量，t；V為夯錘體積，m3；Fs為繞流阻力，kPa；Cf為阻力系數(shù)；ν為速度相對值，m3/s；w為夯錘縱向面積，m2；ρw為水體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。對上述方程進行微分求解：

(3)

式中：x為夯錘擊打距離，m；V為夯錘擊打速率，m/s；η為質(zhì)量比。相對速度初始計算方程為：

(4)

式中：k為摩擦阻力。夯錘的擊打效能計算方程為：

(5)

式中：J'為夯擊效能，J；J為為夯擊最大動能，J。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 模擬參數(shù)分析

對不同類型夯錘的主要參數(shù)進行試驗分析，各類型夯錘的主要參數(shù)，見表1。

表1 各類型夯錘的主要參數(shù)

在各類型夯錘的主要參數(shù)設定基礎上，對各類型夯錘的擊打高度進行了設置，本次數(shù)值模擬計算夯錘的擊打高度設置為5.5m，結(jié)合數(shù)值模擬方法，對各類型夯錘擊打速率、擊打效能進行模擬分析。為提高數(shù)值模擬效率，不設定初始計算邊界，通過重復試驗計算，當水面寬度為4m時數(shù)值模擬計算可獲得收斂解。

2.2 夯錘類型下壓力分析

對不同夯錘下落高度下的不同點位擊打效能進行計算分析，夯錘下落高度為3.0時各點位擊打效能分析結(jié)果，見表2；夯錘下落高度為5.5時各點位擊打效能分析結(jié)果，見表3。

表2 夯錘下落高度為3.0時各點位擊打效能分析結(jié)果

表3 夯錘下落高度為5.5時各點位擊打效能分析結(jié)果

從擊打數(shù)值模擬分析可看出，當夯錘下落高度為3.0m時4次夯和6次夯下圓柱型夯錘擊打效能最高可分別達到14.6kPa和20.1kPa，4次夯和6次夯下圓臺型夯錘擊打效能最高可分別達到30.2kpa和31.1kpa，在相同下落高度下，對于同一個夯錘而言其壓力值隨著夯次的增加而加大。當夯錘下落高度為5.0m時達到最大夯擊高度，各類型夯錘變化規(guī)律較為相似，在相同夯次下，各擊打點圓柱型夯錘擊打壓力要低于圓臺型夯錘。因此在工程實際過程中，圓柱型夯錘效果要低于圓臺型夯錘擊打效果。

2.3 夯錘類型下夯沉量分析

結(jié)合水下各監(jiān)測點對夯錘類型影響下的夯沉量進行計算分析，夯錘下落高度為2.5時各點位夯沉量分析結(jié)果，見表4；夯錘下落高度為5.5時各點位夯沉量分析結(jié)果，見表5。

表4 夯錘下落高度為2.5時各點位夯沉量分析結(jié)果

表5 夯錘下落高度為5.5時各點位夯沉量分析結(jié)果

從不同夯錘下落高度下的各點位夯沉量分析結(jié)果可看出，夯錘的夯沉量隨著夯次的增加而逐步遞減3次夯下各夯錘類型的夯沉率最大，可分別達到10.53%和27.01%。因此在工程建設過程中，應盡量降低圓柱型夯錘夯次，從而提高其夯擊效果。圓柱型夯錘的夯沉率及夯沉量在相同夯錘下落高度下要低于圓臺型夯錘。相同夯錘類型下隨著夯錘下落高度的增加其夯沉量和夯沉相應提高，但遞增幅度隨著夯錘下落高度增加而有所減少。

2.4 夯錘尺寸對夯擊效果影響分析

對不同夯錘尺寸下的夯擊效果進行數(shù)值模擬分析，夯錘尺寸參數(shù)取值情況，見表6。

表6 夯錘尺寸參數(shù)取值情況

在夯錘尺寸設置基礎上，采用數(shù)值模擬方法，對不同夯錘尺寸下的夯擊效果進行數(shù)值模擬分析，通過分析表明在相同水壓和夯錘下落高度下，夯錘尺寸越大其夯擊速率越高。夯擊速率為13m/s達到最大夯擊效能。此后隨著夯擊速率提高其夯擊效能變化較為穩(wěn)定。

不同夯錘尺寸其夯擊速率變化較為平穩(wěn)。夯擊效能隨著夯錘尺寸增加而逐步遞減。當夯錘擊打下落高度達到5.0m時期夯擊效能達到最佳。

3 結(jié) 論

1)各類型夯錘變化規(guī)律較為相似，在相同夯次下，各擊打點圓柱型夯錘擊打壓力要低于圓臺型夯錘。因此在工程實際過程中，圓柱型夯錘效果要低于圓臺型夯錘擊打效果。

2)相同夯錘類型下隨著夯錘下落高度的增加其夯沉量和夯沉相應提高，但遞增幅度隨著夯錘下落高度增加而有所減少。

3)不同夯錘尺寸其夯擊速率變化較為平穩(wěn)。夯擊效能隨著夯錘尺寸增加而逐步遞減。當夯錘擊打下落高度達到5.0m時期夯擊效能達到最佳。