小型袋装砂抛填水下轨迹模拟与分析

陶润礼，袁超哲，王健，江帅

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心，上海 201208）

小型袋装砂抛填水下轨迹模拟与分析

陶润礼，袁超哲*，王健，江帅

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心，上海 201208）

袋装砂筑堤抛填过程，由于施工区域水深、流急，袋装砂在抛落过程中发生偏移，使得抛填精度难以控制。基于RANS方程和VOF方法，建立了小型袋装砂抛填的数学模型，对小型袋装砂抛填水下轨迹进行了数值模拟与分析。结果表明：小型袋装砂抛袋偏移量随抛袋水深和流速的增大而增大；抛袋角度顺流而下时，袋体姿态良好，利于保证抛袋质量。

深水筑堤；小型袋装砂；抛袋轨迹；偏移量；数值模拟

0 引言

抛填筑堤施工工艺，广泛应用于围堰、堤坝、护岸等工程。其主要的实现方式有：翻板抛袋、网兜抛袋和升降平台抛袋3种施工工艺[1]。目前全世界均致力于升级海洋经济，海洋工程不断远离沿海区域。在深水码头围堰、深水人工岛、远海岛礁开发中遇到的水深、流急等问题，对现有的抛填筑堤施工工艺提出了更高的要求[2]。

洋山深水港工程中，抛填筑堤施工水深达到-20 m，涨落潮流速最大为2.2 m/s；上海青草沙水库东堤龙口水深达到-12 m，水流流速最大可达7 m/s。现有的袋装砂抛填筑堤施工工艺，采用4 m×6 m和6 m×8 m的袋体，该扁形袋体存在抛填袋体的成型断面难以控制、破袋率高的问题。现阶段主要采用加强断面测量、袋体系浮标进行试抛、简易公式计算等方法来估算抛填袋体的偏移量。均不能直接根据抛袋水深、流速的变化，指导施工船舶预留出抛袋偏移量，保证袋体抛落点的准确性[3-5]。

鉴于此，本文通过数值方法模拟小型袋装砂在深水和急流条件下的抛袋过程，以此研究小型袋体在不同抛袋水深和水流流速条件下的袋体偏移量和袋体落底姿态。使得在深水域抛填筑堤施工过程中，能够精准预判抛袋落点，保证袋体落底姿态，有效控制水下成型断面并减低袋体破损率，完善深水域袋装砂抛填筑堤工艺[6-8]。

1 数学模型

1.1 控制方程

采用三维两相流模型，并假设水与空气均为不可压缩流体。在笛卡尔坐标系（x，y，z）下控制方程及RANS方程为：

式中：t为时间；x、y、z分别为笛卡尔三维坐标；u、v、w分别为流速的坐标轴分量；P为压强；Ax、Ay、Az分别为VOF方法中使用的面积分数；Gx、Gy、Gz分别为各方向上的惯性力项，此处取Gx=Gy=0，重力Gz=-g；fx、fy、fz分别为各个方向的黏性项。并采用RNG k-ε湍流模型封闭方程组，其中湍流黏滞系数为：

式中：kt为湍流动能；εt为湍流动能耗散率；Cμ为常数，在RNG k-ε模型中取值为0.085。

自由液面模拟采用VOF方法，并采用双流体均质流体模型同时计算空气和水的运动。

1.2 计算域设置

本文的计算域如图1所示。-z方向为重力方向，y方向为水域水流方向，x为袋体水平轴方向。参考洋山港施工水域水深，本文研究抛袋水深H=10 m、15 m和20 m。根据抛袋水深，计算域分别设置为4 m×26 m×13 m、4 m×26 m× 18 m和4 m×26 m×23 m，网格尺度为0.1 m，计算网格数分别为1 352 000个、1 872 000个和2 392 000个。

1.3 边界条件

图1所示为小型袋装砂抛袋模型的边界条件示意图。该模型计算域的下部为墙边界（Wall），上部为压力边界（Specified Pressure），取值为1个大气压强；x方向边界为对称边界（Symmetry）；y方向边界为流速边界（Specified Velocity），流速边界为垂向平均流速，根据计算工况的不同分别设置为v=0 m/s、1 m/s、2 m/s和3 m/s。

1.4 初始条件

小型袋装砂抛填数值模拟过程中，小型袋装砂的形状、密度、抛袋高度（袋底中心距水面高度）和抛入速度Vin均以现场抛袋试验的实测数据为准。

经过多组小型袋装砂现场抛填试验，得到小型袋装砂最佳形状、抛袋高度、抛袋角度和抛入速度如图2、图3所示。

由图2可知：小型袋装砂抛袋高度h=1 m，抛入角度α=30°，抛入速度为2 m/s。如图3所示，小型袋装砂下部圆柱高1.05 m，直径2.2 m；上部圆台高0.35 m，圆台上部直径为0.5 m。该小型袋装砂为干法装袋，填充料含水率低、密实度高，总体密度约为1 800 kg/m3。

小型袋装砂与目前的深水抛填筑堤施工工艺所用的扁平袋体不同，采用水力充灌的扁平袋体，袋内含水率较高极易造成破袋；采用干法装袋的小型袋装砂，具有含水率低、密实度高和整体性好的优点[1]。在抛填过程中，小型袋装砂不会发生较大的形变。因此，小型袋装砂在数值模拟计算过程中，设置为密度1 800 kg/m3的刚性体。

综上所述，小型袋装砂抛填数值模拟的计算过程中，袋体抛入高度设定为1m；抛入速度为1 m/s；抛入角度为30°；抛袋水深为10 m、15 m和20 m；水体流速设置为：0 m/s、1 m/s、2 m/s和3 m/s。

2 数值计算结果及分析

2.1 抛袋模拟验证

为验证抛袋模型的正确性，将小型袋装砂抛填数值模拟的偏移量与现场抛填小型袋装砂试验结果进行比较。

选取具有代表性的现场试验工况（如图2所示）：抛袋水深H=6 m、水体静止v=0 m/s、袋体抛入角α=30°、抛入速度Vin=2 m/s、袋体底面中心距离水面h=1 m。现场抛袋试验中，袋体偏移量S（抛入点距离落点）约为3.3 m。

图4为相同初始条件下，小型袋装砂抛填水下轨迹的模拟结果。数值模拟的袋体偏移量S为3.26 m。抛袋现场试验结果与数值模拟结果误差约为1.2%。验证结果表明：通过该数值模拟方法来模拟小型袋装砂抛填水下轨迹、偏移距离和落底姿态是可行的。

2.2 抛袋数值模拟结果及分析

图5为小型袋装砂在抛袋水深20 m，不同流速条件下，袋体抛填水下轨迹及偏移量示意图。

抛袋水深为20 m，当流速为0 m/s和1 m/s时，袋体在水深0～12 m之间，其水下轨迹为类抛物线；当流速为2 m/s时，袋体在水深0～8 m之间，其水下轨迹亦为类抛物线，水深8～20 m之间的水下轨迹为线性；当流速为3 m/s时，袋体的水下轨迹类似为线性。

表1所示的数据为图5数值模拟所得的小型袋装砂抛填偏移量。结合图6可知，当水体静止时，随着抛袋水深的增加，袋体漂移距离增加趋于平缓；当水体具有流速时，袋体的偏移量随着抛袋水深的变大而增加，且随着流速的增加偏移量的增长趋势显著提高。

图7为当抛入角度与水流流速顶冲时，抛袋水深15 m条件下，袋体抛入角与水流流速为150°时，水流流速对袋体偏移量和落底姿态的影响情况示意图。由图7可知，漂移距离随着水流流速的增加而沿-y轴方向变大。且在水流流速为2 m/s和3 m/s时，袋体出现倾角（袋体底面与水平面夹角）大于70°的情况。

图8为当抛入角度顺着水流时，抛袋水深15 m条件下，袋体抛入角与水流流速为30°时，水流流速对袋体偏移量和落底姿态的影响情况示意图。

对比图7和图8可知：顺着水流方向抛袋，袋体在落底过程中姿态良好，袋体最大倾角发生在抛袋入水时刻，落底过程中的倾角均小于30°；顶着水流方向抛袋，袋体在落底过程中姿态较差，出现约为70°倾角，使得袋体在落底过程中容易发生翻转，造成袋体不必要的破裂。

3 结语

本文采用数值模拟方式研究了袋装砂在给定抛袋水深条件下，不同水流流速作用下，袋体偏移量和袋体的落底姿态，得到了如下结论：

1）袋体抛入角顺着水流流动方向，在流速1～3 m/s时，袋体在水流流速的作用下偏转角较小，不会发生翻转，落底过程中始终保持袋底朝下的姿态，利于保证抛袋质量。

2）袋体抛入角顶冲水流流动方向，在流速1～3 m/s时，袋体的偏转角较大，容易发生翻转，在落底过程中容易发生翻转，不利于保证抛袋的质量。

3）袋体抛入水体过程中，当水深给定时，随着水流流速的增加，袋体漂移距离亦增大；当水流流速给定时，随着抛袋水深的增大，袋体漂移距离亦增大。

4）根据本文系列的抛袋的数值模拟结果，在已知施工区水流流速及抛袋水深条件下，能够精准预判抛袋落点，保证袋体落底姿态，能够有效控制水下成型断面并减低袋体破损率，进一步完善了深水域袋装砂抛填筑堤工艺。

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Simulation and analysis of underwater moving curve of small sandbag thrown fill

TAO Run-li,YUAN Chao-zhe*,WANG Jian,JIANG Shuai
（CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

In the process of sandbag thrown fill in the deep water,existed a significant sandbag offset due to the high velocity and deep water in the construction area.It's hard to control the filling accuracy because of the sandbag offset.We established a numerical model to simulate the underwater moving curve of the small sandbag thrown fill,based on the Reynolds averaged N-S equation and the conservation equations of the Volume of Fluid function.The results show that the offset of the small sandbag thrown fill in deep water increases with the water depth and the flow velocity;the landing posture is suitable for throwing the small sandbag downstream the flow velocity in high quality.

deepwater diking;small sandbag;landing posture;offset;numerical simulation

U655.54；TU751.5

A

2095-7874（2017）03-0018-04

10.7640/zggwjs201703004

2016-09-26

2016-11-10

陶润礼（1970— ），男，湖南绥宁人，高级工程师，港口、航道及近海工程专业。

*通讯作者：袁超哲，E-mail：yuanchaozhe@cccc-drc.com