穿河管线冲刷速率平面时均分布状态实验分析探究

王亚月

(乌鲁木齐市水利勘测设计院(有限责任公司)二分院，新疆 乌鲁木齐 832000)

时均流动速率是指垂直方向流动速率、横向流动速率以及纵向流动速率的平方和的开方结果。冲刷平面时均流动速率的分布规律是管线穿越沙泥河道抗冲刷安全设计的重要参考技术项之一。

1 水槽实验简要介绍

研究以北方某铁大线路管线穿越泥沙河道安全改造工程为原型参照，在某农业大学水利实验大厅实施的水槽冲刷实验。冲刷实验水槽为硬质透明长方形有机玻璃水槽，截面高程48cm，宽度42cm，长度1228cm。

实验将所用的30mm直径圆管，以距槽底50mm高度，固定于玻璃水槽的中心部位。以墩桩和502液体胶粘贴，将两侧管头固定于玻璃槽上。铺设拌合均匀、经水浸润和无气泡的高程130mm模型沙。河底管线埋置模拟深度按1∶30比尺换算设置，圆管下方有50mm模型沙，50mm在管上方，30mm在管身位置，模型沙平整度控制误差控制在±3mm内。

沁水沉淀一夜后实施模拟动床实验。实验设置2个小滑动车，实验前衔接在管线四周。设置软尺粘贴在小车下方的架子上，以管线正上方所布设的截面为中心截面，顺流下向和逆流上向各再布设截面5个，截面间距离取值25mm，从而形成总计11个测流截面，本文实验分析主要集中在4- 4、5- 5、6- 6、7- 7 4个典型截面。以间距是25mm的距离沿各测流截面布设10个测流垂线，按距离水面150、120、90、60、30mm的高程，各垂线分设5个测点。测量选用多普勒声学流动速率仪。选用绘图软件Origin和Tecplot绘制数据的分析图。

2 主要实验参数及工况

本文实验分析主要集中在4- 4、5- 5、6- 6、7- 7 4个典型截面，在二维流动速率分析前提下的时均流动速率演变规律。实验泥沙分类具体见表1。

表1 实验泥沙分类

为保障过流量变化条件下，流动速率伴随演变但过流截面保持面积不变，实验以挡水板调控水面保持h=16cm不变。本实验所选用的过流量值具体见表2。

表2 实验基本工况

3 冲刷速率平面时均分布状态分析

3.1 过流量13.93L/s尚未冲刷的时均平面流动速率

过流量13.93L/s管线未冲状态时典型截面时均流动速率演变态势如图1所示，过流量13.93L/s不同层间时均流动速率演变范围云状态图如图2所示。由图1—2可知：这时距水面15、12、9、6、3cm高程液面的的冲刷状态均从左侧槽臂位置开始，垂向流动速率负值演变先发生于左半侧，表明水体摩阻作用下，垂直方向流动速率发生负值，冲刷截面变窄。

最小流动速率发生于近泥沙底层距水面15cm位置，其绝对流动速率在0～0.2cm/s区间演变，本实验泥沙的流动起动速率在5.42cm/s，最大时均流动速率发生在距水面15cm位置，最大时均流动速率0.045cm/s，相较于沙泥流动所需要的起动速率，该值低出许多，因此不能够达成冲刷的效果。最大时均流动速率在距水面3cm高程位置达成，时均流动速率演变范围集中于3～5cm/s区间，亦没能达成泥沙流动起动所需要的速率。

图1 过流量13.93L/s管线未冲状态时典型截面时均流动速率演变态势

图2 过流量13.93L/s不同层间时均流动速率演变范围云状态图

距水面9cm和6cm高程的范围演变云状态揭示，2.8倍管径范围为管周造成时均过流速率影响的有效范围，管周时均流动速率在4.5～6cm/s变动，其最大值可达6cm/s。对录像后期观察发现，模型沙仅绝大多数微小颗粒和粉尘在浮动，底层泥沙未发生冲刷，与数据揭示结果一致。距液面12cm测量层，流动速率演变范围在0.5～1.4cm/s波动。距水面3cm的时均速率其波动强度是距水面12cm的约2.14～12倍。表明越远离泥沙底层，波动时均速率的范围起伏越大，状态相对越不稳定，尤为猛烈的水体间撞击发生在距水面9cm高程往上区域，因此该区域冲刷相对剧烈。

从以上流动速率演变值得出v9>v6>v3>v12>v15在过流中间液面往上，随着距离水面的高程加增，时均流速呈线性状态递增，和未冲刷时纵向流动速率、垂直方向流动速率规律一致。

3.2 过流量20.05L/s起冲刷状态时平面时均流动速率

过流量20.05L/s管线未冲状态典型截面时均流动速率演变态势如图3所示，过流量20.05L/s不同层间时均流动速率演变范围云状态图如图4所示。由图3—4可知：起冲情况下，近泥沙底15cm距水面高程位置的时均流动速率演变范围在2～3.5cm/s间波动，距水面9cm高程流动速率值为4～6cm/s，达成了泥沙的起动所需流速，水面开始呈现出浑浊状态。

点线图揭示，时均流动速率值在各测量液面均呈剧烈波动状态，均不同程度发生了拐点，形成这种情况的原因主要是，持续不断地冲刷影响下，大量微细孔隙通道在管周得以形成，过流大量入渗到越来越多的孔隙中，量变终致质变，管涌现象形成，流动速率随即呈现剧烈波动状态。

底部流层的流动速率不再仅只是0cm/s左右的演变，而发生明显增大状态，其变动区间多在2～3.5cm/s区间，其最大值直至可达到4cm/s左右。形成这种情况的原因主要是，水位不变但过流量加大条件下，翻滚的模型沙动力战胜了摩擦阻力，形成模型沙抬升的势能和运动过流的动能，过流不断带走模型沙，致使近底层最终达成管线起冲状态。

液面层流动速率变化揭示，流动速率值与过流量状态呈正相关增大状态，泥沙底层的流速几乎达到未冲时均流动速率的10倍。

3.3 过流量25.03L/s冲刷裸露到稳定状态平面时均流动速率

过流量25.03L/s管线未冲状态典型截面时均流动速率演变态势如图5所示，过流量25.03L/s不同层间时均流动速率演变范围云状态图如图6所示。由图5—6可知：过流量较起冲状态扩大0.25倍，由冲刷裸露到冲刷稳定，时均流动速率在距离水面3cm高程的流层为值最大，其绝对值在40cm/s上下存在少些波动，此值是本次实验起动流动速率的7.38倍左右，为该水面高程起冲状态时均流速约13.33倍左右，因此得知管线实施防护非常必要，距离水面6cm的时均流动速率是起冲状态时均流动速率的2.3倍上下，距离水面15cm平面的时均流动速率0～0.2cm/s，过流量状态对平面时均流动速率的影响是越近泥沙底层则影响越小。

图3 过流量20.05L/s管线未冲状态典型截面时均流动速率演变态势

图4 过流量20.05L/s不同层间时均流动速率演变范围云状态图

图5 过流量25.03L/s管线未冲状态典型截面时均流动速率演变态势

图6 过流量25.03L/s不同层间时均流动速率演变范围云状态图

时均流动速率呈现管后大于管前状态，3cm距水面高程的管后时均流动速率可达到41cm/s，管前时均流动速率是36cm/s，前者是后者的1.14倍；最大时均流动速率距离水面6cm高程位置，管前时均流动速率32.5cm/s，管后时均流动速率是35cm/s，后者是前者的1.08倍，管线先后均要求做防护。

流动速率云状态演变范围揭示，冲刷裸露到冲刷稳定状态，平面时均流动速率的影响范围，管后为2.83倍管径，管前为1.93倍管径，因此实施管线冲沙处理设计时，宜在管线的前后面均布设置防护技术措施，并且防冲沙范围要在2～3倍管线直径范围实施。

4 结语

本研究探讨了特定过流量和特定管线冲刷状态下的冲刷平面时均流动速率分布规律。主要收获和结论是：①纵向分析视角来看，相对猛烈的水沙冲刷主要发生在距水面9cm高程往上区域；②以平向顺流的分析视角来看，管后2.83倍管径至管前1.93倍管径为平面时均流动速率的主要影响范围；③因此管线防冲沙设计需要在距水面9cm高程往上和2～3倍管线直径范围重点设计实施。

本试验并未对管道两端的冲刷进行数据测量，选取的是管线所在河道的中流区域，对于管线端部与中间部位的冲刷水力特性差异则需要今后继续研究给与进一步的对比分析。