水利工程截流中铅丝石笼起动流速的分析

程 军

(新疆源伟建设工程有限公司,乌鲁木齐 835000)

0 引 言

截流是水利水电工程施工中普遍面临的问题,从减轻截流难度、增大抛投料稳定性角度出发,铅丝石笼在立堵截流工程中得到广泛应用。将工程现场天然石料或开挖料装入编制好的铅丝笼内即制成铅丝石笼,该结构具有较好的柔性和强透水性。三峡、溪洛渡等大型水利工程应用结果表明,铅丝石笼稳定性比同吨位混凝土块体优越;此外,其材料的获取及制作远比混凝土块体简便。但是,截至目前,国内外有关铅丝石笼稳定性的研究成果不多,铅丝石笼的理论研究明显滞后于工程实践,无法有效展开施工指导[1]。

为此,文章以新疆伊犁州昭苏县某段中小河流治理工程为背景,从河道水流特性和铅丝石笼特性出发,对不同形式规格的铅丝石笼起动流速展开物理模型分析和模拟计算,为工程实践中铅丝石笼结构形式的选择及尺寸的拟定提供借鉴参考。

1 物理模型试验

1.1 试验方案设计

水力学模型通常采用1∶100～1∶50的缩小比尺。截流模型作为重要的水力学模型,主要由导流模型、截流模型、河道模型等部分组成。在其众多相似比尺中,截流材料抗冲相似是研究抛投材料稳定性的关键[2]。考虑到抛投材料性能特征、河床及堤头等边界条件均与天然河道存在较大差异,且铅丝石笼失稳方式主要表现为滑动,其起动流速的分析中一般起动流速公式已不再适用,故无法完全照搬泥沙起动相似条件。

根据工程实际及试验场地条件,选用1∶50模型比尺展开铅丝石笼起动试验,主要参数比尺取值如下:

几何比尺:λⅠ=50;流速比尺:λv=λⅠ0.5=7.07;流量比尺:λQ=λⅠ2.5=17677.67;单宽流量比尺:λq=λⅠ1.5=353.55。

按照1∶50的比尺在有机玻璃水槽中展开试验,试验基面分粗糙水泥板、光滑水泥板、有机玻璃等情形,摩擦系数分别取0.69、0.48和0.28。

1)铅丝石笼尺寸:根据《水工(常规)模型试验规程》(SL155—2012)及相关工程实践经验,本次试验采用六面体铅丝石笼,就具体形式而言,又细分为扁形六面体石笼、条形六面体石笼、正六面体石笼等,各种形式的石笼容重均为19.6kN/m3。其中,正六面体铅丝石笼试验块体规格见表1。

表1 正六面体铅丝石笼规格

扁形六面体石笼和条形六面体石笼均制备同体积试验块,并以边长为2.0m的正六面体石笼为对比试验对象。扁形六面体石笼长轴和中轴同步变化,并在维持正方形结构的基础上,调整短轴尺寸。条形六面体石笼中轴保持不变,调整短轴和长轴尺寸。具体规格见表2。

表2 扁形六面体石笼和条形六面体石笼规格

2)试验步骤:试验开始后,将块体放进水槽基面,在来水流量不变的情况下,借助尾门对下游水位进行调节,直到块体滑动;同时测量石笼高度以内的流速均值。值得注意的是,条形六面体铅丝石笼在受到水流作用后始终保持一种相对稳定的状态。当其长轴与短轴所在面为迎水面时,长轴向与水流垂直,石笼起动前因受到水流的作用,长轴会逐渐平行于水流向;当其中轴和短轴所在面为迎水面,且中轴与基面垂直,在受到水流作用后,石笼表现出侧翻;随即调整为短轴与底面垂直,长轴与基面垂直。综合以上分析,此次试验中全部条形六面体石笼均按照中轴与短轴所在面为迎水面摆放,长轴顺水流布置,短轴则与基面垂直。

1.2 试验装置

物理水槽试验在工程所在省水利科学研究院水工厅进行,有机玻璃水槽长×宽×深为10m×0.5m×0.75m,并对有机玻璃进行了加厚处理。水槽尾部加装手摇式平板尾门,便于展开水流流速和水位调节。试验开始后,主要通过电磁流量计展开上游来水量动态控制,并通过LS-501D型直读式流速仪测量水流流速。

2 物理模型试验结果

在不同摩擦系数的基面上展开反复试验,测量石笼高度范围内断面流速,并取均值。通过对不同摩擦系数基面正六面体石笼起动流速随质量变化趋势的分析(表3)可知,在摩擦系数相同的情况下,随着石笼质量的增大,其起动流速呈增加趋势;石笼起动流速与底面摩擦系数呈正向变动趋势,且摩擦系数的调整对石笼起动流速影响明显[3]。例如,摩擦系数为0.48时16t石笼的起动流速与摩擦系数为0.78时31.25t石笼的起动流速相当。

表3 正六面体石笼起动流速

不同摩擦系数基面条形六面体石笼起动流速随扁度变化的结果见表4。由此可知,在一定扁度内,条形六面体石笼起动流速与扁度系数呈正向变动,并逐渐趋于稳定;同一扁度系数的石笼起动流速增幅随摩擦系数的增大而增大;摩擦系数的调整对石笼起动流速影响较大。

表4 条形六面体石笼起动流速

不同摩擦系数基面扁形六面体石笼起动流速随扁度变化的结果见表5。由此可知,随着扁度系数的增大,扁形六面体石笼起动流速呈增加趋势,超过一定扁度后减小;其余结论与条形六面体石笼起动规律一致。

表5 扁形六面体石笼起动流速

进一步分析可知,造成扁度系数增大而流速反而减小的原因主要在于,铅丝石笼底部面积增大后,上举力增加,起动流速下降[4]。

3 数值模拟及验证

3.1 模型构建

分别针对2.0m×2.0m×2.0m规格的正六面体铅丝石笼、3.0m×3.0m×0.89m规格的扁形六面体石笼、3.0m×2.0m×1.3m规格的条形六面体石笼展开模拟,并将各种石笼内的石子均简化成10cm半径的球体。通过RHINOCEROS软件绘制出不同尺寸的石笼。

进行不同工况模型三维模拟时,必须确保模型网格划分和流线基本一致,并应根据疏密程度、网格类型等划分模型计算区域。尤其对于复杂且关键的区域,必须对周围网格实施 加密;相对次要的区域,网格可适当稀疏设置。以达到有效控制网格数目的目的。

将铅丝石笼三维模型导入FLOW3D流体力学分析软件,应用FAVOR法进行几何体定义及网格划分,自动生成网格[5]。在铅丝石笼底面中心设置坐标原点,水域长×宽×高为50m×30m×15m,同时单独构建石笼网格并加密。

在进行不同规格铅丝石笼起动流速模拟以及石笼所在水域紊动能分布、压强分布、流速分布等的模拟计算时,均以起动流速为来流流速。为此,上游来流流速边界选用石笼起动流速,并将下游出口设定为自由出流边界;模型上表面接触空气的区域设为大气压力边界,其余均为壁面边界。

3.2 模拟结果分析

1)紊动能分布:紊动能是湍流模型中的物理量,也是反映湍流混合性能的主要指标。根据模拟,正六面体石笼中心水位高程内,迎水面紊动能明显高于背水面;就迎水面而言,紊动能随着水深的增大而增大;背水面范围内,紊动能接近0;从水位高程上看,背水面紊动能影响范围显然更大。条形六面体石笼中心水位高程内,迎水面紊动能更大;背水面紊动能在水位高程上的影响范围更大。扁形六面体石笼中心水位高程内,迎水面紊动能更大;从水位高程上看,迎水面和背水面紊动能影响范围基本一致。

综上可知,就紊动能分布情况看,扁形六面体石笼稳定性最优,其余规格铅丝石笼稳定性较差。

2)压强分布:通过观测铅丝石笼中心所在平面侧视压强和俯视压强看出,在观测时间为50s时,正六面体石笼中心水位高程内,石笼迎水面周围的压强从146.9kPa增大至151.2kPa,但石笼两侧及背水面压强均在145kPa左右;石笼内部压强从迎水面至背水面持续递减。条形六面体石笼中心水位高程内,迎水面周围的压强从146.4kPa增大至150.1kPa,其两侧及背水面压强均在146kPa左右;石笼内部压强从迎水面至背水面持续递减。扁形六面体石笼中心水位高程内,迎水面周围压强仅从148.1kPa增大至148.3kPa,增幅小;石笼两侧和背水面压强基本保持在148.0kPa左右;石笼内部从迎水面至背水面的压强基本一致。

综合以上分析,从压强分布角度看,扁形六面体石笼最为稳定,条形六面体石笼次之,正六面体铅丝石笼稳定性最差。

3)流速分布:通过观测铅丝石笼中心所在平面侧视流速分布和俯视流速分布看出,在观测时间为50s时,正六面体石笼迎水面流速为1.8m/s,明显<起动流速;背水面在短时间内产生流速为0.2m/s的回流;且在较长范围内,背水面石笼高度内流速达到1.5m/s;因石笼两侧存在涡流,局部流速增大,流态紊乱。条形六面体石笼迎水面流速为4.2m/s,比起动流速小;背水面流速下降明显,约为2.7m/s,但无回流出现;石笼两侧无涡流形成,流态稳定。扁形六面体石笼迎水面流速为4.5m/s,比起动流速小;迎水面和背水面流速均缓中有降;扁条形六面体石笼两侧也无回流产生,流态相对稳定。

通过以上分析可知,正六面体石笼背水面区域内出现回流,不利于石笼稳定;其余两种规格的铅丝石笼背水面均无回流产生,石笼在水体中的稳定性有保证;正六面体石笼两侧还存在涡流,流速变化大,流态紊乱,而其余规格石笼均无涡流出现,流态稳定;从对所在高度内水流流速的影响程度看,正六面体石笼影响最大,条形六面体石笼次之,扁形六面体石笼最小。可见,从水体中结构的稳定性来看,正六面体石笼最差,其余两种规格的石笼较好。数值模拟结果与物理模型分析结果基本吻合。

3.3 稳定性结论

综合以上对不同规格铅丝石笼紊动能分布、压强分布及流速分布情况的比较分析可知,从石笼起动角度看,同体积的条形六面体石笼稳定性与扁形六面体石笼稳定性相当,但正六面体石笼稳定性较差。为此,在铅丝石笼框架设计制作时,应适当增大石笼扁度系数,以增强其在水体内的稳定性,提升截流工程施工效果。

4 结 论

综上所述,在摩擦系数相同的情况下,各种规格的铅丝石笼起动流速均随质量的增大而增大;摩擦系数越大,石笼起动流速也越大,且摩擦系数对于石笼起动流速的影响显著。在一定扁度系数范围内,条形六面体石笼起动流速随扁度系数的增大而增大,并逐渐趋于稳定。根据数值模拟结果,正六面体铅丝石笼背水面存在回流现象,影响石笼稳定;条形及扁形六面体石笼背水面均无回流,在水体中的稳定性有保证。为此,新疆伊犁州昭苏县阿合牙孜河喀夏加尔镇段中小河流治理工程立堵截流中应优先选用扁形或条形六面体铅丝石笼,以增强石笼结构在水体中的稳定性,保证截流效果。