水利工程截流中鉛絲石籠起動(dòng)流速的分析

程 軍

(新疆源偉建設(shè)工程有限公司,烏魯木齊 835000)

0 引 言

截流是水利水電工程施工中普遍面臨的問題,從減輕截流難度、增大拋投料穩(wěn)定性角度出發(fā),鉛絲石籠在立堵截流工程中得到廣泛應(yīng)用。將工程現(xiàn)場天然石料或開挖料裝入編制好的鉛絲籠內(nèi)即制成鉛絲石籠,該結(jié)構(gòu)具有較好的柔性和強(qiáng)透水性。三峽、溪洛渡等大型水利工程應(yīng)用結(jié)果表明,鉛絲石籠穩(wěn)定性比同噸位混凝土塊體優(yōu)越;此外,其材料的獲取及制作遠(yuǎn)比混凝土塊體簡便。但是,截至目前,國內(nèi)外有關(guān)鉛絲石籠穩(wěn)定性的研究成果不多,鉛絲石籠的理論研究明顯滯后于工程實(shí)踐,無法有效展開施工指導(dǎo)[1]。

為此,文章以新疆伊犁州昭蘇縣某段中小河流治理工程為背景,從河道水流特性和鉛絲石籠特性出發(fā),對不同形式規(guī)格的鉛絲石籠起動(dòng)流速展開物理模型分析和模擬計(jì)算,為工程實(shí)踐中鉛絲石籠結(jié)構(gòu)形式的選擇及尺寸的擬定提供借鑒參考。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

水力學(xué)模型通常采用1∶100～1∶50的縮小比尺。截流模型作為重要的水力學(xué)模型,主要由導(dǎo)流模型、截流模型、河道模型等部分組成。在其眾多相似比尺中,截流材料抗沖相似是研究拋投材料穩(wěn)定性的關(guān)鍵[2]?？紤]到拋投材料性能特征、河床及堤頭等邊界條件均與天然河道存在較大差異,且鉛絲石籠失穩(wěn)方式主要表現(xiàn)為滑動(dòng),其起動(dòng)流速的分析中一般起動(dòng)流速公式已不再適用,故無法完全照搬泥沙起動(dòng)相似條件。

根據(jù)工程實(shí)際及試驗(yàn)場地條件,選用1∶50模型比尺展開鉛絲石籠起動(dòng)試驗(yàn),主要參數(shù)比尺取值如下:

幾何比尺:λⅠ=50;流速比尺:λv=λⅠ0.5=7.07;流量比尺:λQ=λⅠ2.5=17677.67;單寬流量比尺:λq=λⅠ1.5=353.55。

按照1∶50的比尺在有機(jī)玻璃水槽中展開試驗(yàn),試驗(yàn)基面分粗糙水泥板、光滑水泥板、有機(jī)玻璃等情形,摩擦系數(shù)分別取0.69、0.48和0.28。

1)鉛絲石籠尺寸:根據(jù)《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》(SL155—2012)及相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),本次試驗(yàn)采用六面體鉛絲石籠,就具體形式而言,又細(xì)分為扁形六面體石籠、條形六面體石籠、正六面體石籠等,各種形式的石籠容重均為19.6kN/m3。其中,正六面體鉛絲石籠試驗(yàn)塊體規(guī)格見表1。

表1 正六面體鉛絲石籠規(guī)格

扁形六面體石籠和條形六面體石籠均制備同體積試驗(yàn)塊,并以邊長為2.0m的正六面體石籠為對比試驗(yàn)對象。扁形六面體石籠長軸和中軸同步變化,并在維持正方形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,調(diào)整短軸尺寸。條形六面體石籠中軸保持不變,調(diào)整短軸和長軸尺寸。具體規(guī)格見表2。

表2 扁形六面體石籠和條形六面體石籠規(guī)格

2)試驗(yàn)步驟:試驗(yàn)開始后,將塊體放進(jìn)水槽基面,在來水流量不變的情況下,借助尾門對下游水位進(jìn)行調(diào)節(jié),直到塊體滑動(dòng);同時(shí)測量石籠高度以內(nèi)的流速均值。值得注意的是,條形六面體鉛絲石籠在受到水流作用后始終保持一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)其長軸與短軸所在面為迎水面時(shí),長軸向與水流垂直,石籠起動(dòng)前因受到水流的作用,長軸會(huì)逐漸平行于水流向;當(dāng)其中軸和短軸所在面為迎水面,且中軸與基面垂直,在受到水流作用后,石籠表現(xiàn)出側(cè)翻;隨即調(diào)整為短軸與底面垂直,長軸與基面垂直。綜合以上分析,此次試驗(yàn)中全部條形六面體石籠均按照中軸與短軸所在面為迎水面擺放,長軸順?biāo)鞑贾?短軸則與基面垂直。

1.2 試驗(yàn)裝置

物理水槽試驗(yàn)在工程所在省水利科學(xué)研究院水工廳進(jìn)行,有機(jī)玻璃水槽長×寬×深為10m×0.5m×0.75m,并對有機(jī)玻璃進(jìn)行了加厚處理。水槽尾部加裝手搖式平板尾門,便于展開水流流速和水位調(diào)節(jié)。試驗(yàn)開始后,主要通過電磁流量計(jì)展開上游來水量動(dòng)態(tài)控制,并通過LS-501D型直讀式流速儀測量水流流速。

2 物理模型試驗(yàn)結(jié)果

在不同摩擦系數(shù)的基面上展開反復(fù)試驗(yàn),測量石籠高度范圍內(nèi)斷面流速,并取均值。通過對不同摩擦系數(shù)基面正六面體石籠起動(dòng)流速隨質(zhì)量變化趨勢的分析(表3)可知,在摩擦系數(shù)相同的情況下,隨著石籠質(zhì)量的增大,其起動(dòng)流速呈增加趨勢;石籠起動(dòng)流速與底面摩擦系數(shù)呈正向變動(dòng)趨勢,且摩擦系數(shù)的調(diào)整對石籠起動(dòng)流速影響明顯[3]。例如,摩擦系數(shù)為0.48時(shí)16t石籠的起動(dòng)流速與摩擦系數(shù)為0.78時(shí)31.25t石籠的起動(dòng)流速相當(dāng)。

表3 正六面體石籠起動(dòng)流速

不同摩擦系數(shù)基面條形六面體石籠起動(dòng)流速隨扁度變化的結(jié)果見表4。由此可知,在一定扁度內(nèi),條形六面體石籠起動(dòng)流速與扁度系數(shù)呈正向變動(dòng),并逐漸趨于穩(wěn)定;同一扁度系數(shù)的石籠起動(dòng)流速增幅隨摩擦系數(shù)的增大而增大;摩擦系數(shù)的調(diào)整對石籠起動(dòng)流速影響較大。

表4 條形六面體石籠起動(dòng)流速

不同摩擦系數(shù)基面扁形六面體石籠起動(dòng)流速隨扁度變化的結(jié)果見表5。由此可知,隨著扁度系數(shù)的增大,扁形六面體石籠起動(dòng)流速呈增加趨勢,超過一定扁度后減小;其余結(jié)論與條形六面體石籠起動(dòng)規(guī)律一致。

表5 扁形六面體石籠起動(dòng)流速

進(jìn)一步分析可知,造成扁度系數(shù)增大而流速反而減小的原因主要在于,鉛絲石籠底部面積增大后,上舉力增加,起動(dòng)流速下降[4]。

3 數(shù)值模擬及驗(yàn)證

3.1 模型構(gòu)建

分別針對2.0m×2.0m×2.0m規(guī)格的正六面體鉛絲石籠、3.0m×3.0m×0.89m規(guī)格的扁形六面體石籠、3.0m×2.0m×1.3m規(guī)格的條形六面體石籠展開模擬,并將各種石籠內(nèi)的石子均簡化成10cm半徑的球體。通過RHINOCEROS軟件繪制出不同尺寸的石籠。

進(jìn)行不同工況模型三維模擬時(shí),必須確保模型網(wǎng)格劃分和流線基本一致,并應(yīng)根據(jù)疏密程度、網(wǎng)格類型等劃分模型計(jì)算區(qū)域。尤其對于復(fù)雜且關(guān)鍵的區(qū)域,必須對周圍網(wǎng)格實(shí)施 加密;相對次要的區(qū)域,網(wǎng)格可適當(dāng)稀疏設(shè)置。以達(dá)到有效控制網(wǎng)格數(shù)目的目的。

將鉛絲石籠三維模型導(dǎo)入FLOW3D流體力學(xué)分析軟件,應(yīng)用FAVOR法進(jìn)行幾何體定義及網(wǎng)格劃分,自動(dòng)生成網(wǎng)格[5]。在鉛絲石籠底面中心設(shè)置坐標(biāo)原點(diǎn),水域長×寬×高為50m×30m×15m,同時(shí)單獨(dú)構(gòu)建石籠網(wǎng)格并加密。

在進(jìn)行不同規(guī)格鉛絲石籠起動(dòng)流速模擬以及石籠所在水域紊動(dòng)能分布、壓強(qiáng)分布、流速分布等的模擬計(jì)算時(shí),均以起動(dòng)流速為來流流速。為此,上游來流流速邊界選用石籠起動(dòng)流速,并將下游出口設(shè)定為自由出流邊界;模型上表面接觸空氣的區(qū)域設(shè)為大氣壓力邊界,其余均為壁面邊界。

3.2 模擬結(jié)果分析

1)紊動(dòng)能分布:紊動(dòng)能是湍流模型中的物理量,也是反映湍流混合性能的主要指標(biāo)。根據(jù)模擬,正六面體石籠中心水位高程內(nèi),迎水面紊動(dòng)能明顯高于背水面;就迎水面而言,紊動(dòng)能隨著水深的增大而增大;背水面范圍內(nèi),紊動(dòng)能接近0;從水位高程上看,背水面紊動(dòng)能影響范圍顯然更大。條形六面體石籠中心水位高程內(nèi),迎水面紊動(dòng)能更大;背水面紊動(dòng)能在水位高程上的影響范圍更大。扁形六面體石籠中心水位高程內(nèi),迎水面紊動(dòng)能更大;從水位高程上看,迎水面和背水面紊動(dòng)能影響范圍基本一致。

綜上可知,就紊動(dòng)能分布情況看,扁形六面體石籠穩(wěn)定性最優(yōu),其余規(guī)格鉛絲石籠穩(wěn)定性較差。

2)壓強(qiáng)分布:通過觀測鉛絲石籠中心所在平面?zhèn)纫晧簭?qiáng)和俯視壓強(qiáng)看出,在觀測時(shí)間為50s時(shí),正六面體石籠中心水位高程內(nèi),石籠迎水面周圍的壓強(qiáng)從146.9kPa增大至151.2kPa,但石籠兩側(cè)及背水面壓強(qiáng)均在145kPa左右;石籠內(nèi)部壓強(qiáng)從迎水面至背水面持續(xù)遞減。條形六面體石籠中心水位高程內(nèi),迎水面周圍的壓強(qiáng)從146.4kPa增大至150.1kPa,其兩側(cè)及背水面壓強(qiáng)均在146kPa左右;石籠內(nèi)部壓強(qiáng)從迎水面至背水面持續(xù)遞減。扁形六面體石籠中心水位高程內(nèi),迎水面周圍壓強(qiáng)僅從148.1kPa增大至148.3kPa,增幅小;石籠兩側(cè)和背水面壓強(qiáng)基本保持在148.0kPa左右;石籠內(nèi)部從迎水面至背水面的壓強(qiáng)基本一致。

綜合以上分析,從壓強(qiáng)分布角度看,扁形六面體石籠最為穩(wěn)定,條形六面體石籠次之,正六面體鉛絲石籠穩(wěn)定性最差。

3)流速分布:通過觀測鉛絲石籠中心所在平面?zhèn)纫暳魉俜植己透┮暳魉俜植伎闯?在觀測時(shí)間為50s時(shí),正六面體石籠迎水面流速為1.8m/s,明顯<起動(dòng)流速;背水面在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生流速為0.2m/s的回流;且在較長范圍內(nèi),背水面石籠高度內(nèi)流速達(dá)到1.5m/s;因石籠兩側(cè)存在渦流,局部流速增大,流態(tài)紊亂。條形六面體石籠迎水面流速為4.2m/s,比起動(dòng)流速小;背水面流速下降明顯,約為2.7m/s,但無回流出現(xiàn);石籠兩側(cè)無渦流形成,流態(tài)穩(wěn)定。扁形六面體石籠迎水面流速為4.5m/s,比起動(dòng)流速小;迎水面和背水面流速均緩中有降;扁條形六面體石籠兩側(cè)也無回流產(chǎn)生,流態(tài)相對穩(wěn)定。

通過以上分析可知,正六面體石籠背水面區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)回流,不利于石籠穩(wěn)定;其余兩種規(guī)格的鉛絲石籠背水面均無回流產(chǎn)生,石籠在水體中的穩(wěn)定性有保證;正六面體石籠兩側(cè)還存在渦流,流速變化大,流態(tài)紊亂,而其余規(guī)格石籠均無渦流出現(xiàn),流態(tài)穩(wěn)定;從對所在高度內(nèi)水流流速的影響程度看,正六面體石籠影響最大,條形六面體石籠次之,扁形六面體石籠最小?？梢?從水體中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來看,正六面體石籠最差,其余兩種規(guī)格的石籠較好。數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型分析結(jié)果基本吻合。

3.3 穩(wěn)定性結(jié)論

綜合以上對不同規(guī)格鉛絲石籠紊動(dòng)能分布、壓強(qiáng)分布及流速分布情況的比較分析可知,從石籠起動(dòng)角度看,同體積的條形六面體石籠穩(wěn)定性與扁形六面體石籠穩(wěn)定性相當(dāng),但正六面體石籠穩(wěn)定性較差。為此,在鉛絲石籠框架設(shè)計(jì)制作時(shí),應(yīng)適當(dāng)增大石籠扁度系數(shù),以增強(qiáng)其在水體內(nèi)的穩(wěn)定性,提升截流工程施工效果。

4 結(jié) 論

綜上所述,在摩擦系數(shù)相同的情況下,各種規(guī)格的鉛絲石籠起動(dòng)流速均隨質(zhì)量的增大而增大;摩擦系數(shù)越大,石籠起動(dòng)流速也越大,且摩擦系數(shù)對于石籠起動(dòng)流速的影響顯著。在一定扁度系數(shù)范圍內(nèi),條形六面體石籠起動(dòng)流速隨扁度系數(shù)的增大而增大,并逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,正六面體鉛絲石籠背水面存在回流現(xiàn)象,影響石籠穩(wěn)定;條形及扁形六面體石籠背水面均無回流,在水體中的穩(wěn)定性有保證。為此,新疆伊犁州昭蘇縣阿合牙孜河喀夏加爾鎮(zhèn)段中小河流治理工程立堵截流中應(yīng)優(yōu)先選用扁形或條形六面體鉛絲石籠,以增強(qiáng)石籠結(jié)構(gòu)在水體中的穩(wěn)定性,保證截流效果。