李小超,常留紅,李 凌,宋俊強(qiáng),張 鵬
(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410004; 2.中交天津航道局有限公司,天津 300461)
水槽混合石料群拋試驗(yàn)
李小超1,常留紅1,李 凌2,宋俊強(qiáng)2,張 鵬1
(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410004; 2.中交天津航道局有限公司,天津 300461)
為研究混合石料群拋入水后的漂移與擴(kuò)散情況,在試驗(yàn)室水槽內(nèi)開展了不同水深、不同流速、不同質(zhì)量組成的混合石料群拋試驗(yàn)。將單顆粒拋石漂移距離公式計(jì)算結(jié)果與混合石料群拋平均漂移距離進(jìn)行比較,結(jié)果表明:當(dāng)水深在15 m以內(nèi)時(shí),具有平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離與群拋試驗(yàn)平均漂移距離較為接近;當(dāng)水深為30 m時(shí),具有混合石料平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離明顯大于群拋試驗(yàn)平均漂移距離;群拋與單拋漂移距離的偏差隨流速的增大而增大。同時(shí)通過(guò)量綱分析得到了混合石料群拋水下分布面積計(jì)算公式,并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,吻合較好。
混合石料;拋石;漂移距離;分布面積;水槽試驗(yàn)
在河道治理、護(hù)岸、潛丁壩、橋墩防沖等工程中經(jīng)常會(huì)進(jìn)行水上拋石施工。水上拋投的塊石自水面落入水中后,在水流的作用下塊石經(jīng)過(guò)一段距離后著落于河底。塊石自水面入水點(diǎn)至河床著落點(diǎn)產(chǎn)生的水平距離稱為拋石漂移距離。要使塊石拋投落至設(shè)計(jì)范圍內(nèi),就必須根據(jù)落距確定施工定位船位置[1]。施工定位是通過(guò)確定施工船舶在水上的準(zhǔn)確位置,將塊石拋入水下設(shè)計(jì)拋區(qū),使施工最大限度地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖,達(dá)到最好效果。施工定位的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到施工質(zhì)量和工程效益的發(fā)揮。施工定位程序中最重要的一步是拋石漂移距離和拋石提前量的計(jì)算和確定。拋石位移直接影響到拋石質(zhì)量,目前在實(shí)際施工過(guò)程中主要采用兩種方法確定拋石漂移距離,其一是施工前進(jìn)行拋投試驗(yàn),實(shí)測(cè)不同粒徑、不同質(zhì)量的塊石,在不同的水位和不同的流速下的水平落距,最后采用具有平均質(zhì)量的單顆粒塊石的漂移距離進(jìn)行定位船定位;其二是采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)不同粒徑、不同質(zhì)量的塊石,在不同的水位和不同的流速下的漂移距離進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而確定施工船舶在水上的位置。
拋石漂移距離是一個(gè)多因素影響的復(fù)雜問題,一直為國(guó)內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注,很多學(xué)者[2-10]針對(duì)單顆粒拋石漂移距離進(jìn)行了研究。然而,實(shí)際拋石施工中多采用網(wǎng)兜、液壓反鏟式挖掘機(jī)和抓斗等方式進(jìn)行機(jī)械拋填,更大型的拋投機(jī)械還有底開駁船、側(cè)拋船等船舶直接拋投,如三峽工程大江截流水下平拋墊底施工[11]等,即實(shí)際工程中拋石為混合石料群拋,而非單顆粒拋石。一些學(xué)者對(duì)混合石料群拋開展了模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,如韓海騫等[12]開展了船拋混合石料試驗(yàn)研究,陳凱華等[13]對(duì)水下拋石基床動(dòng)態(tài)形成過(guò)程開展了數(shù)值模擬研究。目前對(duì)于混合石料群拋的研究還非常少,采用具有平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離來(lái)代表混合石料群拋的漂移距離是否合理仍然有待檢驗(yàn)。本文以長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道二期工程口岸直水道整治工程Ⅱ標(biāo)段為依托工程,對(duì)混合石料群拋的分選和漂移情況進(jìn)行研究。本標(biāo)段拋石工程大、級(jí)配種類多、工期緊、任務(wù)重、環(huán)境因素復(fù)雜。石料主要包括堤心石、護(hù)面塊石、護(hù)腳塊石、基床拋石、護(hù)肩塊石、壓排石、護(hù)岸拋石、連鎖塊搭接片石等,不同的級(jí)配、容重等致使塊石拋投準(zhǔn)確性降低,有必要開展不同水深、不同流速、不同石料規(guī)格拋石的漂移距離試驗(yàn),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工測(cè)量數(shù)據(jù),建立多因素綜合影響的漂移距離計(jì)算公式,指導(dǎo)精準(zhǔn)拋投施工,有效提升水下拋石質(zhì)量和降低施工成本。
表1 拋石試驗(yàn)方案
本標(biāo)段石料規(guī)格主要為:壓排石1~50 kg、堤心石1~200 kg、護(hù)面石200~300 kg、護(hù)腳石100~200 kg、護(hù)腳石200~300 kg、護(hù)肩塊石200~300 kg。工程拋石施工采用網(wǎng)兜定點(diǎn)拋石、定位駁定位靠泊拋石和抓斗定點(diǎn)拋石的方法進(jìn)行施工,塊石的拋投分別采用網(wǎng)兜、鏟頭和抓斗進(jìn)行,每個(gè)網(wǎng)兜容量約為2.0 m3,鏟斗容量為1 m3,每個(gè)抓斗容量約為5 m3。試驗(yàn)幾何比尺取為1∶30,根據(jù)試驗(yàn)比尺推算出每次試驗(yàn)拋投塊石的總體積。試驗(yàn)前,根據(jù)石料規(guī)格選取塊石,用量筒量取一次拋投塊石的總體積,然后稱量塊石的總質(zhì)量,數(shù)塊石的個(gè)數(shù),最后得到塊石平均質(zhì)量,見表1。試驗(yàn)時(shí),對(duì)同一總體積塊石(同一塊石拋投方法)拋投5次,測(cè)量每次拋投后的塊石分布面積和平均漂移距離。
根據(jù)施工區(qū)域水文條件,分別選取水深為30 m、15 m、10 m,水面流速為1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s進(jìn)行模型試驗(yàn)。水槽垂向流速分布測(cè)量結(jié)果分析表明,試驗(yàn)流速垂向分布服從n=1/12的指數(shù)分布。
拋石下沉過(guò)程中,分選不太明顯;落至水底后,并不是像單顆粒塊石那樣,重量輕的漂移距離遠(yuǎn),重的漂移距離近,而是大小塊石夾雜在一起,散落于水底,較少出現(xiàn)堆積,除了10 m水深下少數(shù)幾次拋投出現(xiàn)了堆積現(xiàn)象外,其他拋投均未出現(xiàn)堆積。原因大致有:①雖然大塊石沉速大,但群拋石料下落時(shí)大小塊石夾雜在一起,相互碰撞,大塊石的落勢(shì)受到阻滯,而小塊石則有加速下沉的趨勢(shì);②即使部分小塊石下沉較慢,但由于石料大小夾雜,漂移距離相差不大,沉底后可從先下落的大塊石縫中落下。
群拋石料水下分布形狀不規(guī)則,有近似橢圓形分布的,有近似扇形分布的,也有近似矩形分布的。在水流方向石料的擴(kuò)散帶寬(最近漂移距離至最遠(yuǎn)漂移距離的范圍)主要受一次拋投總體積和石料平均質(zhì)量的影響,拋投總體積越大擴(kuò)散帶寬越大,平均質(zhì)量越大擴(kuò)散帶寬越大,水深和流速的影響并不明顯。石料的擴(kuò)散帶寬主要集中在10 m以內(nèi)。
在進(jìn)行混合石料群拋試驗(yàn)前,對(duì)單顆粒塊石在水中的受力和運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行了分析,考慮流速垂向分布和塊石變加速運(yùn)動(dòng)影響的單顆粒塊石漂移距離計(jì)算公式[14]為
(1)
式中:g為重力加速度;ρ為水的密度;ρs為塊石的密度;H為水深;um為水面流速;n為流速分布指數(shù);ηx、ηy分別為縱向與垂向阻力系數(shù);β為附加質(zhì)量系數(shù);D為等容粒徑;m為塊石質(zhì)量。ηx、ηy、β的取值分別為ηx=6.17、ηy=0.66和β=0.21。式(1)的計(jì)算結(jié)果與單顆粒拋石試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,詳細(xì)的理論推導(dǎo)過(guò)程和單顆粒拋石試驗(yàn)結(jié)果見文獻(xiàn)[14]。
圖1 石料群拋平均漂移距離與單顆粒漂移距離經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的比較
圖1為群拋石料的平均漂移距離(最遠(yuǎn)漂移距離與最近漂移距離的平均值)與具有群拋石料的平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離式(1)計(jì)算值的比較,結(jié)果表明,群拋石料平均漂移距離隨平均質(zhì)量(粒徑)的增加而減小,這與單顆粒塊石漂移距離的變化規(guī)律一致。水深為10 m和15 m時(shí),具有群拋石料平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離與群拋試驗(yàn)平均漂移距離接近;水深為30 m時(shí),具有群拋石料平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離明顯大于群拋試驗(yàn)平均漂移距離,差距隨流速的增大而增大,流速分別為1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s時(shí)的差距分別約為2.35 m,4.35 m和7.10 m。因此,采用具有平均質(zhì)量的單顆塊石進(jìn)行試拋,進(jìn)而根據(jù)其漂移距離進(jìn)行定位船定位,對(duì)于水深在15 m以內(nèi)時(shí)是合適的,但對(duì)于30 m的大水深,群拋石料中各塊石之間的相互作用對(duì)群拋平均漂移距離的影響變得重要,采用試拋或式(1)計(jì)算的漂移距離偏差較大,實(shí)際施工中應(yīng)予以重視。
由于下落過(guò)程中塊石之間相互碰撞或擠壓以及水流紊動(dòng)等原因,塊石下落時(shí)除沿水流方向產(chǎn)生漂移外,還存在垂直于水流方向的橫向位移,即橫向漂移距離。試驗(yàn)表明,橫向擴(kuò)散范圍關(guān)于中心線基本對(duì)稱。橫向擴(kuò)散帶寬隨塊石的質(zhì)量(粒徑)范圍、一次拋投塊石總體積、水深和流速的變化而變化。分析可知,塊石的質(zhì)量范圍和流速對(duì)橫向擴(kuò)散帶寬的影響較小,橫向擴(kuò)散帶寬主要受一次拋投塊石總體積和水深的影響,隨一次拋投塊石總體積和水深的增加而增大。表2為不同塊石石料在不同水深下采用不同拋投方法時(shí)的橫向擴(kuò)散帶寬。
表2 橫向擴(kuò)散帶寬
石料水下分布面積主要依賴于一次拋投塊石總體積和石料平均質(zhì)量(粒徑)。在相同水深和流速下,石料水下分布面積隨一次拋投塊石總體積的增大而增大,隨平均質(zhì)量(粒徑)的增大而減小。主要原因在于,由于同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)入水體的石料增多,其互相碰撞、互相制約等的影響更加顯著,故水下分布范圍也就更大一些。水深和流速對(duì)石料水下分布面積的影響居次要地位,從整體上看,石料水下分布面積隨水深和流速的增大而增大。
群拋混合石料的水下分布面積主要取決于一次拋投塊石的總體積、塊石的幾何尺度、上游來(lái)流條件、水流的運(yùn)動(dòng)特征等,通過(guò)初步分析,得出:
f(A,V,H,U,Dm,g,ρ,μ)=0
(2)
選取H、U、μ為基本變量,用它們?nèi)ケ硎酒渌淖兞?根據(jù)量綱和諧原則得到:
(3)
(4)
假設(shè)水下石料分布面積公式為
(5)
式中α0、α1、α2、α3為系數(shù)。取對(duì)數(shù)得
(6)
Y=a0+a1X1+a2X2+a3X3
(7)
由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算Y,X1,X2,X3數(shù)據(jù)系列,然后運(yùn)用多元回歸計(jì)算其系數(shù),得a0=0.286 4,a1=0.936 3,a2=-1.066 8,a3=0.022 9。
因此可得群拋石料水下分布面積的經(jīng)驗(yàn)公式為
(8)
從而得到
(9)
根據(jù)試驗(yàn)條件,由式(9)計(jì)算群拋石料水下分布面積,將其與試驗(yàn)值點(diǎn)繪在同一張圖上(圖2)??梢钥闯?兩者吻合較好,因此式(9)可以較好地代表群拋石料的水下分布面積。
圖2 群拋石料水下分布面積的對(duì)比
在長(zhǎng)江口岸直河段護(hù)岸工程施工水域選取一塊未進(jìn)行任何施工過(guò)的區(qū)域進(jìn)行混合石料群拋試驗(yàn),測(cè)試不同水流條件下群拋混合石料的漂移距離及擴(kuò)散范圍。試驗(yàn)前首先采用水下聲納進(jìn)行初始河床地形測(cè)量,然后進(jìn)行水深和流速大小及流向的測(cè)量,水深和流速大小測(cè)量3次,取平均值。拋投石料前記錄好拋投點(diǎn)坐標(biāo),混合石料群拋試驗(yàn)采用網(wǎng)兜進(jìn)行,每個(gè)網(wǎng)兜拋石體積約為1.7 m3,考慮到每個(gè)網(wǎng)兜的拋石量較小,拋投石料后水下地形變化不明顯,試驗(yàn)在同一拋投點(diǎn)拋投5個(gè)網(wǎng)兜,拋投完5網(wǎng)兜后,再采用水下聲納對(duì)拋投區(qū)域的水下地形進(jìn)行測(cè)量,將拋后水下地形與拋前水下地形進(jìn)行比較,地形發(fā)生了變化的區(qū)域即為石料水下分布區(qū)域。
工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得H=14.5 m,um=0.92 m/s,石料的水下分布見圖3,圖中水流方向基本與圖中斜對(duì)角線平行,拋點(diǎn)坐標(biāo)為(0, 0)。分析可知,分布面積約為30.375 m2,平均漂移距離約為7.7 m。取一次拋投塊石總體積為1.7 m3,取平均厚度0.15 m作為平均粒徑,則采用群拋水下分布面積計(jì)算公式(9)計(jì)算得到的石料水下分布面積為31.08 m2,由單顆粒拋石漂移距離計(jì)算公式(1)計(jì)算得到的平均漂移距離為8.65 m。由此可見,經(jīng)驗(yàn)公式與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果在石料水下分布面積、平均漂移距離等方面基本吻合,試驗(yàn)成果可以供工程施工參考。
圖3 H=15.46 m,um=0.86 m/s時(shí)石料的水下分布(單位:m)
a. 群拋混合石料下沉過(guò)程中,分選不太明顯,落至水底后,大小塊石夾雜在一起,散落于水底,較少出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。群拋石料水下分布形狀較為不規(guī)則,石料水下分布面積主要依賴于一次拋投塊石總體積和石料平均質(zhì)量(粒徑),水深和流速對(duì)石料水下分布面積的影響居次要地位。石料水下分布面積隨一次拋投塊石總體積的增大而增大,隨平均質(zhì)量(粒徑)的增加而減小。通過(guò)與水槽試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果的比較,由量綱分析得到的石料水下分布面積計(jì)算公式能夠較好地計(jì)算群拋石料的水下分布面積。
b. 群拋石料在水流方向的擴(kuò)散帶寬主要受一次拋投總體積和石料質(zhì)量分布的影響,主要集中在10 m以內(nèi)。平均漂移距離隨平均質(zhì)量(粒徑)的增加而減小。當(dāng)水深在15 m以內(nèi)時(shí),具有混合石料平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離與群拋試驗(yàn)平均漂移距離接近;當(dāng)水深為30 m時(shí),群拋石料中各塊石之間的相互作用對(duì)群拋平均漂移距離的影響變得重要,使其與單顆粒塊石漂移距離偏差較大,且偏差值隨流速的增大而增大,實(shí)際施工中應(yīng)予以重視。
c. 群拋石料橫向擴(kuò)散范圍關(guān)于中心線基本對(duì)稱。橫向擴(kuò)散帶寬主要受一次拋投塊石總體積和水深的影響,隨一次拋投塊石總體積和水深的增加而增大。石料的平均質(zhì)量(粒徑)和流速對(duì)橫向擴(kuò)散帶寬的影響較小。
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Experimentalstudyonrockgroupriprapsinawaterflume//
LI Xiaochao1, CHANG Liuhong1, LI Ling2, SONG Junqiang2, ZHANG Peng1
(1.SchoolofHydraulicEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410004,China; 2.CCCCTianjinDredgingCo.,Ltd.,Tianjin300461,China)
Determination of the drift distance of a riprap is critical for water riprap works. Most of researchers have focused on the drift distance of a single particle rock so far, and a systematic study on the drift distance of a rock group was rarely carried out.It remains to be verified whether the drift distance of a rock with an average mass can represent that of a rock group. In this paper, a series of experiments have been conducted to investigate the drift and diffusion of a rock group with different mass combinations under different water depths and flow velocities. Comparisons between the calculated drift distance of the rock with an average mass using the formula for a single particle rock and the average drift distance of the rock group from the experiments were curried out. The results show that the drift distanceof the rock with an average mass is close with that of the rock group if the water depth is less than 15m while the drift distance of the rock with an average mass is greater than that of the rock group if the water depth is around 30m.Furthermore, a formula for calculating the distribution area of a rock group riprap was derived through dimensional analysis. Reasonable agreement of the calculated results between the model experiment and field observations verified the reliability of the calculating formula.
rock group; riprap; drift distance; distribution area; waterflune experimental
國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0402108):國(guó)家自然科學(xué)基金(51309038)
李小超(1981—),講師,博士,主要從事水流與結(jié)構(gòu)物相互作用研究。E-mail:36633593@qq.com
常留紅(1979—),講師,博士,主要從事航道整治技術(shù)研究。E-mail:1273601@qq.com
10.3880/j.issn.1006-7647.2017.06.013
U617
A
1006-7647(2017)06-0076-05
2016-12-28 編輯:鄭孝宇)