基于数值模拟方法在不同类型水下夯锤下的夯击效果探析

李子越

(阜新市佳音工程项目管理有限公司，辽宁 阜新 123000)

0 前 言

在水库、闸坝建设工程中，水下工程抛石主要通过水下夯锤进行夯击加固，不同夯锤类型受到水流绕流影响其夯击效果及效能差异十分明显，亟需对不同夯锤类型下的水流绕流进行分析，从而提高夯锤的击效果及效能[1]。当前，国内许多学者已逐步展开对夯锤下的水流绕流影响分析[2-10]，各研究成果均表明夯锤类型对水流绕流影响显著，不同夯锤类型下其水流绕流的阻力系数分布不同，从而影响其夯击效果及效能。但这些研究成果大都未能对不同夯锤类型下水流绕流的变化规律进行探讨。为提高水下夯锤效率，文章采用数值模拟方法对不同水下夯锤类型下的水流绕流进行数值模拟分析，从而确定最优的夯锤类型。研究成果对于水库、闸坝建设工程施工具有重要参考价值。

1 数值模拟方法

不同类型夯锤在水下的水流非均匀运动方程为：

mg-ρwgV-Fs=ma

(1)

(2)

式中：m为夯锤质量，t；V为夯锤体积，m3；Fs为绕流阻力，kPa；Cf为阻力系数；ν为速度相对值，m3/s；w为夯锤纵向面积，m2；ρw为水体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。对上述方程进行微分求解：

(3)

式中：x为夯锤击打距离，m；V为夯锤击打速率，m/s；η为质量比。相对速度初始计算方程为：

(4)

式中：k为摩擦阻力。夯锤的击打效能计算方程为：

(5)

式中：J'为夯击效能，J；J为为夯击最大动能，J。

2 数值模拟结果

2.1 模拟参数分析

对不同类型夯锤的主要参数进行试验分析，各类型夯锤的主要参数，见表1。

表1 各类型夯锤的主要参数

在各类型夯锤的主要参数设定基础上，对各类型夯锤的击打高度进行了设置，本次数值模拟计算夯锤的击打高度设置为5.5m，结合数值模拟方法，对各类型夯锤击打速率、击打效能进行模拟分析。为提高数值模拟效率，不设定初始计算边界，通过重复试验计算，当水面宽度为4m时数值模拟计算可获得收敛解。

2.2 夯锤类型下压力分析

对不同夯锤下落高度下的不同点位击打效能进行计算分析，夯锤下落高度为3.0时各点位击打效能分析结果，见表2；夯锤下落高度为5.5时各点位击打效能分析结果，见表3。

表2 夯锤下落高度为3.0时各点位击打效能分析结果

表3 夯锤下落高度为5.5时各点位击打效能分析结果

从击打数值模拟分析可看出，当夯锤下落高度为3.0m时4次夯和6次夯下圆柱型夯锤击打效能最高可分别达到14.6kPa和20.1kPa，4次夯和6次夯下圆台型夯锤击打效能最高可分别达到30.2kpa和31.1kpa，在相同下落高度下，对于同一个夯锤而言其压力值随着夯次的增加而加大。当夯锤下落高度为5.0m时达到最大夯击高度，各类型夯锤变化规律较为相似，在相同夯次下，各击打点圆柱型夯锤击打压力要低于圆台型夯锤。因此在工程实际过程中，圆柱型夯锤效果要低于圆台型夯锤击打效果。

2.3 夯锤类型下夯沉量分析

结合水下各监测点对夯锤类型影响下的夯沉量进行计算分析，夯锤下落高度为2.5时各点位夯沉量分析结果，见表4；夯锤下落高度为5.5时各点位夯沉量分析结果，见表5。

表4 夯锤下落高度为2.5时各点位夯沉量分析结果

表5 夯锤下落高度为5.5时各点位夯沉量分析结果

从不同夯锤下落高度下的各点位夯沉量分析结果可看出，夯锤的夯沉量随着夯次的增加而逐步递减3次夯下各夯锤类型的夯沉率最大，可分别达到10.53%和27.01%。因此在工程建设过程中，应尽量降低圆柱型夯锤夯次，从而提高其夯击效果。圆柱型夯锤的夯沉率及夯沉量在相同夯锤下落高度下要低于圆台型夯锤。相同夯锤类型下随着夯锤下落高度的增加其夯沉量和夯沉相应提高，但递增幅度随着夯锤下落高度增加而有所减少。

2.4 夯锤尺寸对夯击效果影响分析

对不同夯锤尺寸下的夯击效果进行数值模拟分析，夯锤尺寸参数取值情况，见表6。

表6 夯锤尺寸参数取值情况

在夯锤尺寸设置基础上，采用数值模拟方法，对不同夯锤尺寸下的夯击效果进行数值模拟分析，通过分析表明在相同水压和夯锤下落高度下，夯锤尺寸越大其夯击速率越高。夯击速率为13m/s达到最大夯击效能。此后随着夯击速率提高其夯击效能变化较为稳定。

不同夯锤尺寸其夯击速率变化较为平稳。夯击效能随着夯锤尺寸增加而逐步递减。当夯锤击打下落高度达到5.0m时期夯击效能达到最佳。

3 结 论

1)各类型夯锤变化规律较为相似，在相同夯次下，各击打点圆柱型夯锤击打压力要低于圆台型夯锤。因此在工程实际过程中，圆柱型夯锤效果要低于圆台型夯锤击打效果。

2)相同夯锤类型下随着夯锤下落高度的增加其夯沉量和夯沉相应提高，但递增幅度随着夯锤下落高度增加而有所减少。

3)不同夯锤尺寸其夯击速率变化较为平稳。夯击效能随着夯锤尺寸增加而逐步递减。当夯锤击打下落高度达到5.0m时期夯击效能达到最佳。