水槽混合石料群抛试验

李小超,常留红,李 凌,宋俊强,张 鹏

(1.长沙理工大学水利工程学院,长沙 410004; 2.中交天津航道局有限公司,天津 300461)

水槽混合石料群抛试验

李小超1,常留红1,李 凌2,宋俊强2,张 鹏1

(1.长沙理工大学水利工程学院,长沙 410004; 2.中交天津航道局有限公司,天津 300461)

为研究混合石料群抛入水后的漂移与扩散情况,在试验室水槽内开展了不同水深、不同流速、不同质量组成的混合石料群抛试验。将单颗粒抛石漂移距离公式计算结果与混合石料群抛平均漂移距离进行比较,结果表明:当水深在15 m以内时,具有平均质量的单颗粒块石漂移距离与群抛试验平均漂移距离较为接近;当水深为30 m时,具有混合石料平均质量的单颗粒块石漂移距离明显大于群抛试验平均漂移距离;群抛与单抛漂移距离的偏差随流速的增大而增大。同时通过量纲分析得到了混合石料群抛水下分布面积计算公式,并将计算结果与实验室试验数据和现场观测数据进行比较,吻合较好。

混合石料;抛石;漂移距离;分布面积;水槽试验

在河道治理、护岸、潜丁坝、桥墩防冲等工程中经常会进行水上抛石施工。水上抛投的块石自水面落入水中后,在水流的作用下块石经过一段距离后着落于河底。块石自水面入水点至河床着落点产生的水平距离称为抛石漂移距离。要使块石抛投落至设计范围内,就必须根据落距确定施工定位船位置[1]。施工定位是通过确定施工船舶在水上的准确位置,将块石抛入水下设计抛区,使施工最大限度地实现设计意图,达到最好效果。施工定位的准确性直接关系到施工质量和工程效益的发挥。施工定位程序中最重要的一步是抛石漂移距离和抛石提前量的计算和确定。抛石位移直接影响到抛石质量,目前在实际施工过程中主要采用两种方法确定抛石漂移距离,其一是施工前进行抛投试验,实测不同粒径、不同质量的块石,在不同的水位和不同的流速下的水平落距,最后采用具有平均质量的单颗粒块石的漂移距离进行定位船定位;其二是采用经验公式对不同粒径、不同质量的块石,在不同的水位和不同的流速下的漂移距离进行计算,进而确定施工船舶在水上的位置。

抛石漂移距离是一个多因素影响的复杂问题,一直为国内外学者所关注,很多学者[2-10]针对单颗粒抛石漂移距离进行了研究。然而,实际抛石施工中多采用网兜、液压反铲式挖掘机和抓斗等方式进行机械抛填,更大型的抛投机械还有底开驳船、侧抛船等船舶直接抛投,如三峡工程大江截流水下平抛垫底施工[11]等,即实际工程中抛石为混合石料群抛,而非单颗粒抛石。一些学者对混合石料群抛开展了模型试验和数值模拟研究,如韩海骞等[12]开展了船抛混合石料试验研究,陈凯华等[13]对水下抛石基床动态形成过程开展了数值模拟研究。目前对于混合石料群抛的研究还非常少,采用具有平均质量的单颗粒块石漂移距离来代表混合石料群抛的漂移距离是否合理仍然有待检验。本文以长江南京以下12.5 m深水航道二期工程口岸直水道整治工程Ⅱ标段为依托工程,对混合石料群抛的分选和漂移情况进行研究。本标段抛石工程大、级配种类多、工期紧、任务重、环境因素复杂。石料主要包括堤心石、护面块石、护脚块石、基床抛石、护肩块石、压排石、护岸抛石、连锁块搭接片石等,不同的级配、容重等致使块石抛投准确性降低,有必要开展不同水深、不同流速、不同石料规格抛石的漂移距离试验,结合现场施工测量数据,建立多因素综合影响的漂移距离计算公式,指导精准抛投施工,有效提升水下抛石质量和降低施工成本。

表1 抛石试验方案

1 试验方法

本标段石料规格主要为:压排石1～50 kg、堤心石1～200 kg、护面石200～300 kg、护脚石100～200 kg、护脚石200～300 kg、护肩块石200～300 kg。工程抛石施工采用网兜定点抛石、定位驳定位靠泊抛石和抓斗定点抛石的方法进行施工,块石的抛投分别采用网兜、铲头和抓斗进行,每个网兜容量约为2.0 m3,铲斗容量为1 m3,每个抓斗容量约为5 m3。试验几何比尺取为1∶30,根据试验比尺推算出每次试验抛投块石的总体积。试验前,根据石料规格选取块石,用量筒量取一次抛投块石的总体积,然后称量块石的总质量,数块石的个数,最后得到块石平均质量,见表1。试验时,对同一总体积块石(同一块石抛投方法)抛投5次,测量每次抛投后的块石分布面积和平均漂移距离。

根据施工区域水文条件,分别选取水深为30 m、15 m、10 m,水面流速为1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s进行模型试验。水槽垂向流速分布测量结果分析表明,试验流速垂向分布服从n=1/12的指数分布。

2 试验结果分析

抛石下沉过程中,分选不太明显;落至水底后,并不是像单颗粒块石那样,重量轻的漂移距离远,重的漂移距离近,而是大小块石夹杂在一起,散落于水底,较少出现堆积,除了10 m水深下少数几次抛投出现了堆积现象外,其他抛投均未出现堆积。原因大致有:①虽然大块石沉速大,但群抛石料下落时大小块石夹杂在一起,相互碰撞,大块石的落势受到阻滞,而小块石则有加速下沉的趋势;②即使部分小块石下沉较慢,但由于石料大小夹杂,漂移距离相差不大,沉底后可从先下落的大块石缝中落下。

群抛石料水下分布形状不规则,有近似椭圆形分布的,有近似扇形分布的,也有近似矩形分布的。在水流方向石料的扩散带宽(最近漂移距离至最远漂移距离的范围)主要受一次抛投总体积和石料平均质量的影响,抛投总体积越大扩散带宽越大,平均质量越大扩散带宽越大,水深和流速的影响并不明显。石料的扩散带宽主要集中在10 m以内。

在进行混合石料群抛试验前,对单颗粒块石在水中的受力和运动状况进行了分析,考虑流速垂向分布和块石变加速运动影响的单颗粒块石漂移距离计算公式[14]为

(1)

式中:g为重力加速度;ρ为水的密度;ρs为块石的密度;H为水深;um为水面流速;n为流速分布指数;ηx、ηy分别为纵向与垂向阻力系数;β为附加质量系数;D为等容粒径;m为块石质量。ηx、ηy、β的取值分别为ηx=6.17、ηy=0.66和β=0.21。式(1)的计算结果与单颗粒抛石试验结果吻合较好,详细的理论推导过程和单颗粒抛石试验结果见文献[14]。

图1 石料群抛平均漂移距离与单颗粒漂移距离经验公式计算值的比较

图1为群抛石料的平均漂移距离(最远漂移距离与最近漂移距离的平均值)与具有群抛石料的平均质量的单颗粒块石漂移距离式(1)计算值的比较,结果表明,群抛石料平均漂移距离随平均质量(粒径)的增加而减小,这与单颗粒块石漂移距离的变化规律一致。水深为10 m和15 m时,具有群抛石料平均质量的单颗粒块石漂移距离与群抛试验平均漂移距离接近;水深为30 m时,具有群抛石料平均质量的单颗粒块石漂移距离明显大于群抛试验平均漂移距离,差距随流速的增大而增大,流速分别为1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s时的差距分别约为2.35 m,4.35 m和7.10 m。因此,采用具有平均质量的单颗块石进行试抛,进而根据其漂移距离进行定位船定位,对于水深在15 m以内时是合适的,但对于30 m的大水深,群抛石料中各块石之间的相互作用对群抛平均漂移距离的影响变得重要,采用试抛或式(1)计算的漂移距离偏差较大,实际施工中应予以重视。

由于下落过程中块石之间相互碰撞或挤压以及水流紊动等原因,块石下落时除沿水流方向产生漂移外,还存在垂直于水流方向的横向位移,即横向漂移距离。试验表明,横向扩散范围关于中心线基本对称。横向扩散带宽随块石的质量(粒径)范围、一次抛投块石总体积、水深和流速的变化而变化。分析可知,块石的质量范围和流速对横向扩散带宽的影响较小,横向扩散带宽主要受一次抛投块石总体积和水深的影响,随一次抛投块石总体积和水深的增加而增大。表2为不同块石石料在不同水深下采用不同抛投方法时的横向扩散带宽。

表2 横向扩散带宽

石料水下分布面积主要依赖于一次抛投块石总体积和石料平均质量(粒径)。在相同水深和流速下,石料水下分布面积随一次抛投块石总体积的增大而增大,随平均质量(粒径)的增大而减小。主要原因在于,由于同一时间内进入水体的石料增多,其互相碰撞、互相制约等的影响更加显著,故水下分布范围也就更大一些。水深和流速对石料水下分布面积的影响居次要地位,从整体上看,石料水下分布面积随水深和流速的增大而增大。

3 石料水下分布面积计算公式

群抛混合石料的水下分布面积主要取决于一次抛投块石的总体积、块石的几何尺度、上游来流条件、水流的运动特征等,通过初步分析,得出:

f(A,V,H,U,Dm,g,ρ,μ)=0

(2)

选取H、U、μ为基本变量,用它们去表示其他的变量,根据量纲和谐原则得到:

(3)

(4)

假设水下石料分布面积公式为

(5)

式中α0、α1、α2、α3为系数。取对数得

(6)

Y=a0+a1X1+a2X2+a3X3

(7)

由实测数据计算Y,X1,X2,X3数据系列,然后运用多元回归计算其系数,得a0=0.286 4,a1=0.936 3,a2=-1.066 8,a3=0.022 9。

因此可得群抛石料水下分布面积的经验公式为

(8)

从而得到

(9)

根据试验条件,由式(9)计算群抛石料水下分布面积,将其与试验值点绘在同一张图上(图2)。可以看出,两者吻合较好,因此式(9)可以较好地代表群抛石料的水下分布面积。

图2 群抛石料水下分布面积的对比

4 现场观测对比

在长江口岸直河段护岸工程施工水域选取一块未进行任何施工过的区域进行混合石料群抛试验,测试不同水流条件下群抛混合石料的漂移距离及扩散范围。试验前首先采用水下声纳进行初始河床地形测量,然后进行水深和流速大小及流向的测量,水深和流速大小测量3次,取平均值。抛投石料前记录好抛投点坐标,混合石料群抛试验采用网兜进行,每个网兜抛石体积约为1.7 m3,考虑到每个网兜的抛石量较小,抛投石料后水下地形变化不明显,试验在同一抛投点抛投5个网兜,抛投完5网兜后,再采用水下声纳对抛投区域的水下地形进行测量,将抛后水下地形与抛前水下地形进行比较,地形发生了变化的区域即为石料水下分布区域。

工程现场测得H=14.5 m,um=0.92 m/s,石料的水下分布见图3,图中水流方向基本与图中斜对角线平行,抛点坐标为(0, 0)。分析可知,分布面积约为30.375 m2,平均漂移距离约为7.7 m。取一次抛投块石总体积为1.7 m3,取平均厚度0.15 m作为平均粒径,则采用群抛水下分布面积计算公式(9)计算得到的石料水下分布面积为31.08 m2,由单颗粒抛石漂移距离计算公式(1)计算得到的平均漂移距离为8.65 m。由此可见,经验公式与现场试验结果在石料水下分布面积、平均漂移距离等方面基本吻合,试验成果可以供工程施工参考。

图3 H=15.46 m,um=0.86 m/s时石料的水下分布(单位：m)

5 结 论

a. 群抛混合石料下沉过程中,分选不太明显,落至水底后,大小块石夹杂在一起,散落于水底,较少出现堆积现象。群抛石料水下分布形状较为不规则,石料水下分布面积主要依赖于一次抛投块石总体积和石料平均质量(粒径),水深和流速对石料水下分布面积的影响居次要地位。石料水下分布面积随一次抛投块石总体积的增大而增大,随平均质量(粒径)的增加而减小。通过与水槽试验结果和现场观察结果的比较,由量纲分析得到的石料水下分布面积计算公式能够较好地计算群抛石料的水下分布面积。

b. 群抛石料在水流方向的扩散带宽主要受一次抛投总体积和石料质量分布的影响,主要集中在10 m以内。平均漂移距离随平均质量(粒径)的增加而减小。当水深在15 m以内时,具有混合石料平均质量的单颗粒块石漂移距离与群抛试验平均漂移距离接近;当水深为30 m时,群抛石料中各块石之间的相互作用对群抛平均漂移距离的影响变得重要,使其与单颗粒块石漂移距离偏差较大,且偏差值随流速的增大而增大,实际施工中应予以重视。

c. 群抛石料横向扩散范围关于中心线基本对称。横向扩散带宽主要受一次抛投块石总体积和水深的影响,随一次抛投块石总体积和水深的增加而增大。石料的平均质量(粒径)和流速对横向扩散带宽的影响较小。

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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

国家重点研发计划(2016YFC0402108):国家自然科学基金(51309038)

李小超(1981—),讲师,博士,主要从事水流与结构物相互作用研究。E-mail:36633593@qq.com

常留红(1979—),讲师,博士,主要从事航道整治技术研究。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 编辑：郑孝宇)