水下基槽模型試驗與數(shù)值模擬研究★

楊冀亮，李高攀

(中國電建市政建設(shè)集團有限公司，天津 300384)

1 概述

在沉管工程的設(shè)計與施工過程中，基槽邊坡的變形和穩(wěn)定性是工程成敗的關(guān)鍵。特別是在河道不斷航情況下進(jìn)行沉管施工，保證水下基槽的穩(wěn)定性尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域已有一些研究成果。陳慶中等[1]采用模型試驗的方法對水下砂質(zhì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，研究了流速對水下砂質(zhì)邊坡穩(wěn)定坡角的影響，但僅僅得到了砂質(zhì)邊坡在水流作用下的變形規(guī)律，水流與穩(wěn)定坡角之間的具體數(shù)量關(guān)系并沒有給出。林楓等[2]分析了流速、坡率對水下邊坡穩(wěn)定性的影響，計算得到了基槽邊坡的穩(wěn)定坡率，但僅對基槽邊坡做了靜力分析，沒有考慮動水作用下的基槽邊坡穩(wěn)定問題。王晨希等[3]研究了水下邊坡穩(wěn)定性與沖刷范圍的關(guān)系。通過分析蘇通大橋沖刷坑的形狀及水流測深等實測數(shù)據(jù)，得到了沖刷坑邊坡的沖刷穩(wěn)定坡角。曹影峰等[4]針對沉管隧道基槽邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，主要考慮了回淤對基槽邊坡穩(wěn)定性的影響。通過對試挖槽的觀測研究，得到了回淤厚度對基槽邊坡穩(wěn)定性的影響。Lijun Ke等[5]針對海底管道溝槽邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，采用有限元極限上限解法與下限解法研究了傾斜海床和水平海床中埋管溝槽的不排水穩(wěn)定性。由于水下基槽邊坡受地質(zhì)及水流條件的影響，水下邊坡的穩(wěn)定性十分復(fù)雜，本文結(jié)合引江濟淮某沉管工程，采用自制的模型試驗裝置進(jìn)行基槽土坡過水試驗，利用圖像位移法測量土坡位移變形。利用FLUENT軟件，采用歐拉多相流模型模擬水槽內(nèi)水流、空氣、沙子的相互作用。通過基槽邊坡模型試驗和數(shù)值模擬，得到了基槽在水流作用下的位移變化特征和穩(wěn)定性變化規(guī)律。

2 模型試驗

2.1 試驗裝置及步驟

在自行研制的水槽內(nèi)開展基槽土坡過水試驗，試驗裝置由上水箱和水槽組成。其中，上水箱長75 cm,寬60 cm，高40 cm；水槽長150 cm，寬25 cm，高60 cm，采用透明亞克力板制成。在水槽正面刻畫有1 cm×1 cm標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格。試驗中，水流的流向從左往右流動，將基槽左邊坡稱為順?biāo)?，右邊坡稱為逆水坡。由于試驗用的砂土的內(nèi)摩擦角φ=34.5°，根據(jù)極限平衡法，無黏性土坡的內(nèi)摩擦角就是土坡的休止角，因此，在無水條件下，基槽邊坡坡角小于34.5°就可以保持穩(wěn)定。本試驗采用1∶1.5的坡率進(jìn)行基槽過水試驗。

水箱模型試驗裝置設(shè)計如圖1所示。

模型試驗步驟如下：

1)涂油。為了防止基槽過水時，基槽邊界土體黏滯在水槽壁上影響觀測，在水槽側(cè)壁涂上一層潤滑油，以減少土體與壁面的摩擦。

2)填土。將原狀土經(jīng)曬干、過篩后，填筑在水槽內(nèi)，填筑高度為30 cm。

3)澆水飽和。給水槽內(nèi)的填土澆水，使其逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，模擬河床的原始狀態(tài)。

4)挖槽。在試驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)挖出固定坡比的基槽，本試驗基槽的坡比為1∶1.5。

5)放水。向基槽內(nèi)注水，通過閥門控制進(jìn)水流量。

6)試驗全程采用高速攝像機記錄。

關(guān)鍵試驗步驟如圖2所示。

2.2 試驗結(jié)果分析

分兩種工況對基槽土坡進(jìn)行過水試驗，過水流量分別為0.002 m3/s和0.003 m3/s。對試驗錄像進(jìn)行處理，根據(jù)圖像位移法，得到邊坡位移輪廓曲線如圖3所示。

根據(jù)砂土基槽在動水水流作用下的位移輪廓曲線，可以發(fā)現(xiàn)，砂土邊坡的滑坡近似呈直線型，這與理論相符。另外，通過觀察還發(fā)現(xiàn)，水流流過基槽時，先在左邊坡形成沖刷，并在右邊坡形成堆積。隨著水流的沖刷作用，順?biāo)略絹碓骄?，而基槽?nèi)的砂土慢慢堆積，逆水坡坡度也逐漸變緩。在一段時間后，基槽邊坡達(dá)到穩(wěn)定，不再受水流流動的影響，此時，兩邊坡的坡度都不再變化，但順?biāo)卤饶嫠缕露雀。徍汀?/p>

通過比較不同流速下的邊坡位移輪廓曲線，可以發(fā)現(xiàn)，流速越大，基槽邊坡達(dá)到穩(wěn)定的時間越短。試驗結(jié)果顯示，當(dāng)流量為0.002 m3/s時，水流在作用45 s后基槽輪廓不再隨時間變化，邊坡達(dá)到了穩(wěn)定。而當(dāng)流量為0.003 m3/s時，水流作用20 s后，基槽輪廓達(dá)到穩(wěn)定。圖4為基槽最后形成的穩(wěn)定坡角與進(jìn)口流量關(guān)系曲線，可以看到，進(jìn)口流量越大，基槽邊坡最后形成的穩(wěn)定坡角越小。這說明，砂土在水下的休止角受水流流速影響。流速越大，砂土的休止角越小，基槽邊坡最后形成的穩(wěn)定坡角越小。另外，曲線也表明，順?biāo)路€(wěn)定坡角比逆水坡更小。

3 數(shù)值模擬分析

砂土由于黏聚力低、光滑、顆粒性好、流動性好，所以可以當(dāng)作流體來考慮。因此，水流流過砂土基槽的過程可以看作是沙子、水流、空氣三種流體的互動。FLUENT軟件可以用來模擬包括氣、液、顆粒的三相混合流。FLUENT多相流模型包括VOF多相流模型、歐拉多相流模型與混合多相流模型等。歐拉多相流模型通常用來模擬相互滲透的各種流體，包括顆粒相流體與非顆粒相流體的相互混合作用。本文采用歐拉多相流模型來模擬水槽內(nèi)水流、空氣、沙子的相互作用。

砂土基槽多相流模擬重要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 氣液沙多相流模擬重要參數(shù)設(shè)置

當(dāng)進(jìn)口流量Q設(shè)置為0.003 m3/s時，多相流模擬計算結(jié)果如圖5所示。通過觀察砂土固相云圖，可以發(fā)現(xiàn)，水流流過基槽時，會對順?biāo)滦纬蓻_刷，并在基槽逆水坡形成堆積，順?biāo)掠捎跊_刷坡度變緩，逆水坡由于堆積也在變緩。由于多相流模擬是將固體也考慮成流體來模擬，所以固相結(jié)果云圖中砂土有擴散上浮現(xiàn)象，基槽整體位移形變特征比室內(nèi)模型試驗結(jié)果更大，但水流流過砂土基槽時，砂土的位移形變規(guī)律是一致的。

圖5(a)為模擬進(jìn)程在0.00 s時，水箱水位設(shè)定為預(yù)定水位，水流流速為0；圖5(b)為模擬進(jìn)程在10 s時，進(jìn)口流量Q設(shè)置為0.003 m3/s，基槽中土體固相云圖，此時順?biāo)律嫌瓮馏w被水流沖入基槽中，在基槽中心位置形成凸起；圖5(c)為模擬進(jìn)程在20 s時，基槽中土體固相云圖，此時基槽底部土體進(jìn)一步堆積，堆積土體向逆水坡移動；圖5(d)為模擬進(jìn)程在30 s時，基槽中土體固相云圖，此時基槽底部土體堆積高度增加；圖5(e)為模擬進(jìn)程在40 s時，基槽中土體固相云圖，此時基槽底部土體堆積凸起高度接近坡頂高度；圖5(f)為模擬進(jìn)程在60 s時，基槽中土體固相云圖，此時基槽底部土體進(jìn)一步堆積，基槽基本被填滿。

通過觀察砂土固相云圖可以發(fā)現(xiàn)，水流流過基槽時，會對順?biāo)滦纬蓻_刷，并在基槽逆水坡形成堆積，順?biāo)掠捎跊_刷坡度變緩，逆水坡由于堆積也在變緩。由于多相流模擬是將固體也考慮成流體來模擬，所以固相結(jié)果云圖中砂土有擴散上浮現(xiàn)象，基槽整體位移形變特征比室內(nèi)模型試驗結(jié)果更大，但水流流過砂土基槽時，砂土的位移形變規(guī)律是一致的。綜合試驗和模擬結(jié)果，實際工程中，對水下為砂性土開挖基槽，需考慮水流對砂土的影響，采取相應(yīng)措施，保證基槽邊坡的穩(wěn)定性和施工的安全性。

4 結(jié)論

本文通過砂土基槽邊坡過水模型試驗與多相流數(shù)值模擬試驗，研究了無黏性土基槽在水流流過時的位移形變情況。當(dāng)水流流過砂土基槽時，先在順?biāo)缕马斝纬蓻_刷，并在逆水坡坡腳形成堆積。順?biāo)掠捎跊_刷而導(dǎo)致邊坡坡度變緩，而逆水坡由于堆積而坡度變緩。順?biāo)伦詈笮纬傻姆€(wěn)定坡角比逆水坡更小、更平緩。因此，在動水水流作用下，基槽順?biāo)卤饶嫠赂菀资Х€(wěn)，需要更小的坡度來維持穩(wěn)定。

通過對比不同流量下的基槽土坡位移輪廓曲線，可以發(fā)現(xiàn)，流速越大，砂土的水下休止角越小，基槽邊坡最終形成的穩(wěn)定坡角越小，且順?biāo)路€(wěn)定坡角比逆水坡更小。

室內(nèi)模型由于尺寸效應(yīng)，相比真實的河流，靜水壓力的作用可以忽略不計。因此，可以得出結(jié)論，水下基槽邊坡的失穩(wěn)是由于動水壓力的作用造成的。