(烏魯木齊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院(有限責(zé)任公司)二分院，新疆 石河子 832000)

伴隨工程技術(shù)和工程材料的進(jìn)步和發(fā)展，時(shí)下河道沉管和穿流輸運(yùn)工程日漸增多。掌握穿流管線(xiàn)的沙水沖刷規(guī)律特性是該類(lèi)型工程抗沖刷安全設(shè)計(jì)、順利施建和科學(xué)維護(hù)的基本前提。本文以泥沙河道淺埋穿越管線(xiàn)的沖刷分析為課題，借助實(shí)驗(yàn)室比尺模擬實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)河道管線(xiàn)沖刷的紊動(dòng)強(qiáng)度及雷諾應(yīng)力特性進(jìn)行分析探究，以期為同類(lèi)工程應(yīng)用提供技術(shù)參考，助力建設(shè)和維護(hù)安全牢固的穿河管線(xiàn)工程。

1 模型比尺與測(cè)量設(shè)計(jì)

1.1 模型比尺及實(shí)驗(yàn)工況

本實(shí)驗(yàn)以30mm直徑的硬質(zhì)有機(jī)玻璃實(shí)心圓管模擬900mm直徑的鑄鐵穿流管線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹攸c(diǎn)水力參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、管線(xiàn)及現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)見(jiàn)圖1和圖2。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹攸c(diǎn)水力參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c管線(xiàn)設(shè)計(jì) (單位：mm)

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ同F(xiàn)場(chǎng)部分圖片

實(shí)驗(yàn)工況各參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)工況

1.2 觀測(cè)截面及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

實(shí)驗(yàn)以距玻璃槽底50mm的高度，在透明硬質(zhì)有機(jī)玻璃槽中心部位固定實(shí)驗(yàn)所用的30mm直徑圓管?？紤]管墩樁固定有阻礙水流作用，故選擇應(yīng)用502膠粘貼固定實(shí)驗(yàn)管以盡可能降低額外水流擾動(dòng)。鋪設(shè)130mm厚模型沙，該沙用水浸潤(rùn)均勻拌和無(wú)氣泡。調(diào)整好模型沙的平整度，誤差控制在±3mm內(nèi)。此時(shí)，管上方模型沙厚50mm，管身處模型沙厚30mm，圓管下方模型沙厚50mm，符合以1∶30比例換算后的河底淺埋管線(xiàn)埋置深度需要。模型沙浸水沉淀一夜后，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)的著重點(diǎn)是觀測(cè)分析模型管線(xiàn)近身周邊的沖刷特性，實(shí)驗(yàn)前把所制作的兩個(gè)滑動(dòng)車(chē)銜接在管線(xiàn)四周。在滑動(dòng)車(chē)的下方架子上粘貼軟尺，以管線(xiàn)正上方所布設(shè)的截面為中心截面，取25mm間距，逆水流向上和順?biāo)飨蛳赂魅?個(gè)測(cè)流截面,即獲得順?biāo)饕来螢?-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6、7-7、8-8、9-9、10-10、11-11共計(jì)11個(gè)測(cè)流截面，設(shè)置11個(gè)測(cè)流垂線(xiàn)，分別位處深度30mm、60mm、90mm、120mm、150mm處，每垂線(xiàn)再設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。距離所測(cè)部位30～50mm布置多普勒聲學(xué)流動(dòng)速率儀。

2 紊動(dòng)強(qiáng)度基本特性分析

水流運(yùn)動(dòng)存在紊流及層流之分，紊流為絕大多數(shù)河道水流存在的一種流態(tài)現(xiàn)象。流速脈動(dòng)是紊流的基本特征，脈動(dòng)流速有正負(fù)大小之分，水流點(diǎn)脈動(dòng)強(qiáng)度一般用脈動(dòng)流速均方根表示，稱(chēng)作紊動(dòng)強(qiáng)度或者脈動(dòng)強(qiáng)度。本研究選擇四個(gè)典型截面繪制紊流狀態(tài)點(diǎn)線(xiàn)圖和波動(dòng)范圍云圖并重點(diǎn)探討，以揭示基于過(guò)流量差異的沙中淺埋管線(xiàn)沖刷流紊動(dòng)強(qiáng)度及雷諾應(yīng)力特性。

實(shí)驗(yàn)所需流量由實(shí)驗(yàn)水槽進(jìn)口入流擋板調(diào)節(jié)控制獲得，調(diào)節(jié)置放在實(shí)驗(yàn)水槽尾端出水口的擋板高度，以獲得實(shí)驗(yàn)所設(shè)定流量的相應(yīng)的流速狀態(tài)，從而形成多組所設(shè)定的實(shí)驗(yàn)流量和流速組合工況。本沖刷實(shí)驗(yàn)在滿(mǎn)足所設(shè)定的水深要求后，依據(jù)起動(dòng)流速計(jì)算結(jié)果，特別擬定了13.93L/s、20.05L/s、25.03L/s 計(jì)3種流量工況。

2.1 未沖刷時(shí)管線(xiàn)周?chē)蓜?dòng)強(qiáng)度特性

未沖狀態(tài)和Q=13.93L/s的紊動(dòng)強(qiáng)度曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，不同層基于Q=13.93L/s的紊動(dòng)強(qiáng)度云圖見(jiàn)圖4。

圖3 基于未沖狀態(tài)和Q=13.93L/s的紊動(dòng)強(qiáng)度曲線(xiàn)

圖4 不同層基于Q=13.93L/s的紊動(dòng)強(qiáng)度云圖

由圖3和圖4可知：因貼近沙面處的水流相對(duì)較為平穩(wěn)，貼近沙面處15cm深度底層的紊動(dòng)強(qiáng)度波動(dòng)在0.5～1之間，其平均值約為0.8，沒(méi)有大的紊動(dòng)強(qiáng)度改變，是紊動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較小的液層。深度12cm區(qū)域的紊動(dòng)強(qiáng)度在3～6之間變動(dòng)，其平均值約為4.6。9cm深度區(qū)域的平均紊動(dòng)強(qiáng)度接近2.5。據(jù)此可以得到RVS9>RVS6>RVS3>RVS12>RVS15的流動(dòng)速率規(guī)律，其中速率越大的地方，質(zhì)點(diǎn)交換的能量越大。云圖揭示，在未沖狀態(tài)下，不管是管前還是管后，紊動(dòng)強(qiáng)度都存在上下浮動(dòng)，這是由于水流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在能量交換，導(dǎo)致紊動(dòng)強(qiáng)度在0.5～4之間變動(dòng)。

2.2 起沖時(shí)管線(xiàn)周?chē)蓜?dòng)強(qiáng)度特性

起沖狀態(tài)和Q=20.05L/s的紊動(dòng)強(qiáng)度曲線(xiàn)見(jiàn)圖5，不同層基于Q=20.05L/s的紊動(dòng)強(qiáng)度云圖見(jiàn)圖6。

圖5 起沖狀態(tài)和Q=20.05L/s的紊動(dòng)強(qiáng)度曲線(xiàn)

圖6 不同層基于Q=20.05L/s的紊動(dòng)強(qiáng)度云圖

由圖5和6圖可知：?RVS9>RVS6>RVS3>RVS12>RVS15，此與同條件下的縱向流動(dòng)速率變動(dòng)特性相同，15cm深度的近底層區(qū)域紊動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較小，各工況下管線(xiàn)縱向紊動(dòng)強(qiáng)度特性演變規(guī)律大致相同，在水體中層以上，深度與紊動(dòng)強(qiáng)度明顯呈線(xiàn)性遞增關(guān)系，與縱向流動(dòng)速率的演變規(guī)律一致；?近底層紊動(dòng)強(qiáng)度波動(dòng)在0.65～1.45之間，是未沖狀態(tài)強(qiáng)度的1.2倍左右，近面層深度3cm區(qū)域的紊動(dòng)強(qiáng)度基本是左側(cè)低于右側(cè)，模型壁對(duì)流動(dòng)速率存在較大影響，導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)劇烈交換能量；?在管線(xiàn)附近存在著一個(gè)紊動(dòng)強(qiáng)度波動(dòng)的核心區(qū)域，紊動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生值最大，此時(shí)管線(xiàn)對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度的影響范圍管后是管徑的2.5倍，管前是管徑2.0倍。

2.3 沖刷裸露至穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)管線(xiàn)周?chē)蓜?dòng)強(qiáng)度特性

沖刷到裸露和Q=25.03L/s的紊動(dòng)強(qiáng)度曲線(xiàn)見(jiàn)圖7，不同層基于Q=25.03L/s的紊動(dòng)強(qiáng)度云圖見(jiàn)圖8。

圖7 沖刷到裸露和Q=25.03L/s的紊動(dòng)強(qiáng)度曲線(xiàn)

由圖7和圖8可知：?RVS3>RVS6>RVS9>RVS12>RVS15，即隨著深度的加大紊動(dòng)強(qiáng)度呈線(xiàn)性遞增，這是因?yàn)樗|(zhì)點(diǎn)互相混摻的程度決定著紊動(dòng)強(qiáng)度的大小和水面的波動(dòng)強(qiáng)度，此時(shí)觀察DV錄像可清晰看到深度9cm高程以上，水體大量混摻運(yùn)動(dòng)；?沖刷裸露至穩(wěn)定狀態(tài)下的紊動(dòng)強(qiáng)度在1～10之間波動(dòng)，平均值為6.4，是未沖刷Q=13.93L/s狀態(tài)的8倍，是起沖狀態(tài)Q=20.05L/s的3.4倍；?從沖刷特性的云圖中可清晰看到在管線(xiàn)周?chē)嬖谥粋€(gè)紊動(dòng)強(qiáng)度波動(dòng)的核心區(qū)域，紊動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生值最大，沖刷開(kāi)后在管線(xiàn)前側(cè)對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度的影響范圍大概是管線(xiàn)直徑的2.5倍，管線(xiàn)后側(cè)對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度的影響范圍是管線(xiàn)直徑的2.2倍。

圖8 不同層基于Q=25.03L/s的紊動(dòng)強(qiáng)度云圖

3 雷諾應(yīng)力狀態(tài)分析

3.1 未沖刷時(shí)管線(xiàn)周?chē)字Z應(yīng)力特性

基于未沖狀態(tài)和Q=13.93L/s的截面雷諾應(yīng)力演變曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。

圖9曲線(xiàn)揭示，未受水流沖刷時(shí)，管線(xiàn)處在13.5cm深度處，雷諾應(yīng)力多于-1.0～1.0之間波動(dòng)，臨近管線(xiàn)周?chē)鷷?huì)發(fā)生雷諾應(yīng)力核心區(qū)域，在管線(xiàn)后側(cè)方雷諾應(yīng)力發(fā)生值最大，該區(qū)域中雷諾應(yīng)力盡管發(fā)生負(fù)值，但負(fù)值僅表示了方向，絕對(duì)值大小會(huì)比其近邊其他區(qū)域數(shù)值高出很多，因?yàn)樯疃刃」饰蓜?dòng)強(qiáng)度相對(duì)較大，導(dǎo)致雷諾應(yīng)力有所增加。

3.2 起沖時(shí)管線(xiàn)周?chē)字Z應(yīng)力特性

基于起沖狀態(tài)和Q=20.05L/s的截面雷諾應(yīng)力演變曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。

圖10曲線(xiàn)揭示，此情況下的雷諾應(yīng)力在-2.5～2.0之間波動(dòng)，是未沖刷情況下雷諾應(yīng)力平均值的2.25倍。管線(xiàn)設(shè)埋于13.5cm橫坐標(biāo)部位，圖線(xiàn)清晰可見(jiàn)，管線(xiàn)后方出現(xiàn)雷諾應(yīng)力的升高區(qū)域，升高影響區(qū)域大致為1.5倍管徑，可知在大水流的狀態(tài)時(shí)此區(qū)域管線(xiàn)會(huì)遭受較大掏刷沖蝕，因此越河管線(xiàn)抗沖刷保護(hù)，該區(qū)域應(yīng)被列為重點(diǎn)強(qiáng)化對(duì)象。

圖9 基于未沖狀態(tài)和Q=13.93L/s的截面雷諾應(yīng)力演變曲線(xiàn)

圖10 基于起沖狀態(tài)和Q=20.05L/s的截面雷諾應(yīng)力演變曲線(xiàn)

3.3 沖刷裸露至穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)管線(xiàn)周?chē)字Z應(yīng)力特性

基于沖刷裸露和Q=25.03L/s的截面雷諾應(yīng)力演變曲線(xiàn)見(jiàn)圖11。

圖11曲線(xiàn)揭示，此情況下的雷諾應(yīng)力在-5.0～5.5之間波動(dòng)，是未沖刷情況下雷諾應(yīng)力平均值的30倍，是起沖狀態(tài)雷諾應(yīng)力的2.33倍。此時(shí)深度不同的雷諾應(yīng)力數(shù)值大小雜錯(cuò)分布，不同于流動(dòng)速率不同深度的規(guī)律性，可能緣于露出管線(xiàn)對(duì)水流的阻礙作用，同時(shí)在大過(guò)流量情況下，相對(duì)未沖刷與起沖狀態(tài)，水體所攜帶的能量大得多，質(zhì)點(diǎn)間混摻能力強(qiáng)，才導(dǎo)致點(diǎn)線(xiàn)圖的雜亂。管線(xiàn)后側(cè)17.5cm處，雷諾應(yīng)力變動(dòng)趨向相對(duì)穩(wěn)定，影響范圍為4cm，是管徑的1.8倍，此范圍內(nèi)應(yīng)對(duì)管線(xiàn)加以保護(hù)。

圖11 基于沖刷裸露和Q=25.03L/s的截面雷諾應(yīng)力演變曲線(xiàn)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文借助實(shí)驗(yàn)室比尺模擬實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)河道管線(xiàn)沖刷的紊動(dòng)強(qiáng)度及雷諾應(yīng)力特性進(jìn)行了專(zhuān)題分析探究。主要獲得以下研究成果：

a.開(kāi)展了泥沙河道管線(xiàn)沖刷紊動(dòng)強(qiáng)度基本特性分析。實(shí)驗(yàn)揭示，沖刷過(guò)程中，管線(xiàn)周?chē)嬖谥粋€(gè)紊動(dòng)強(qiáng)度波動(dòng)的核心區(qū)域，會(huì)發(fā)生最大紊動(dòng)強(qiáng)度值，管線(xiàn)前側(cè)紊動(dòng)強(qiáng)度的影響范圍大概為管線(xiàn)直徑的2.5倍，管線(xiàn)后側(cè)紊動(dòng)強(qiáng)度的影響范圍一般為管線(xiàn)直徑的2.2倍。

b.開(kāi)展了泥沙河道管線(xiàn)沖刷雷諾應(yīng)力狀態(tài)分析。實(shí)驗(yàn)揭示，沖刷過(guò)程中，管線(xiàn)后方出現(xiàn)雷諾應(yīng)力的升高區(qū)域，升高影響區(qū)域大致為1.5倍管徑。

c.分析揭示，穿河管線(xiàn)不論在未沖刷狀態(tài)、起沖狀態(tài)還是沖刷至裸露狀態(tài)，均為中層液面以上區(qū)域的雷諾應(yīng)力與紊動(dòng)強(qiáng)度數(shù)值較大，兩者影響大致分布于1.5倍管線(xiàn)直徑的管線(xiàn)后方范圍內(nèi)，此范圍內(nèi)應(yīng)對(duì)管線(xiàn)加以保護(hù)。起始沖刷后，水體中層的流動(dòng)速率影響較大，埋設(shè)管線(xiàn)應(yīng)該盡可能靠近沙泥底層。本實(shí)驗(yàn)所探究的泥沙河道管線(xiàn)未沖刷、起沖刷、沖刷裸露至穩(wěn)定工況下的管線(xiàn)紊動(dòng)強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力變動(dòng)規(guī)律，可為同類(lèi)泥沙河道管線(xiàn)工程設(shè)計(jì)建設(shè)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考，以助力建設(shè)和維護(hù)安全牢固的穿越河道管線(xiàn)工程。