水下夯錘繞流數值模擬及夯擊效果分析

畢冬旭

(遼寧澤成水利工程檢測服務有限公司，遼寧 新民 110300)

近年來，水下夯錘主要用于水下工工程拋石夯擊施工中，這種方式速率較快，且對周圍影響較小，在水下工程中應用較為廣泛[1- 3]。為提高水下夯錘的利用效率及能量消耗速率，對不同夯錘類型下其繞流類型的變化規律研究十分重要[4]。當前，國內主要集中在夯錘對繞流類型影響要素的研究[5- 6]，對不同水下夯錘類型下繞流變化規律的研究還較少。從20世紀以來，LS-DYNA模型在水下繞流數值模擬中得到不同程度的應用[7- 10]，數值模擬效果較好。本文結合LS-DYNA模型，探討不同水下夯錘類型下繞流變化規律，研究成果對水利工程施工具有重要意義。

1 研究方法

水下夯錘可表示為三個作用力下的非勻速運動，其運動方程可表示為：

mg-ρwgV-Fs=ma

(1)

(2)

式中，m—水下夯錘的質量，t；V—水下夯錘的體積，m3；Fs—水下夯錘在靜止壓力下的繞流阻力；Cf—繞流阻力系數；ν—相對速度，m3/s；w—水下夯錘的垂向投影面積，m2；ρw—水體密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2。對其運動方程進行微積分計算，計算方程為：

(3)

式中，x—夯錘下落位移，m；V—下落速度，m/s；η—質量系數。其中其初始相對速度值的計算方程為：

(4)

式中，k—繞流阻力摩擦系數。對水下夯錘的能量利用效率進行計算，計算方程為：

(5)

式中，J′—夯擊有效能量,J；J—不考慮地球引力和水體浮力作用下的最大動能，J。

2 研究結果

2.1 不同夯錘類型主要參數

結合6種常用的水錘類型進行分析，不同水下夯錘類型參數取值見表1。

結合6種水下夯錘類型主要參數，設定各水下夯錘下落的距離為6m，結合上述數值模擬的方式，對各水下夯錘的下落相對速度、夯擊有效能量以及夯擊能量效率進行數值模擬。為盡力減少數值模擬的網格劃分時間，提高計算效率，設置無初始邊界的條件。通過反復試算結果表明，當水域的寬度在6m時既可以滿足模型的收斂精度要求。

2.2 不同夯錘類型繞流數值模擬分析

結合不同夯錘類型繞流數值模擬結果，分析各類型夯錘下落距離～速度、下落距離～夯擊能的關

表1 不同水下夯錘類型參數取值

圖1 各類型夯錘效能與下落距離的規律分析結果

系及下落距離～夯擊能效率關系的變化規律，并對其繞流阻力系數與靜水壓強之間的關系進行分析，分析結果如圖1所示。

從圖1中可看出，隨著下落距離的增加，在同一靜水壓強下，隨著夯錘質量的增加，其相對越大，5#夯錘質量越高，其相對速度的變幅也最大，其最大相對速度達到3.5m/s，各夯錘類型相對速度隨著距離的增加逐步加大，相對速度在2.5m/s～4m/s之間處于相對穩定階段。從各夯錘類型下落距離～夯擊能變化關系可看出，和相對速度變化較為類似，隨著下落距離的增加，其夯擊能也逐步增加，5#夯錘隨著下落距離夯擊能增幅最大，而質量最小的夯錘其夯擊能變化最小，但各夯錘類型隨著下落距離變化其夯擊能總體變化較為類似。從各類型夯錘下落距離～夯擊能利用率關系可看出，隨著下落距離的增加，其夯擊能利用率逐步減小，這主要是因為隨著下落距離的增加，其夯擊能轉化率降低，使得其夯擊能利用率減小，各各類型夯錘下落距離～夯擊能利用率變化較為一致。各類型夯錘夯擊能利用率最大值在出現在初始邊界條件區域。從阻力系數與靜水壓強之間的關系可看成，阻力系數與靜水壓強總體呈現倒數關系，即隨著下落距離的增加，靜水壓強越小，其阻力系數越大，反之，其阻力系數最小。

2.3 不同類型水下夯錘夯擊效果分析

對兩個典型下落距離的不同類型夯錘各夯擊點位的夯擊壓力值進行數值分析，分析結果見表2—3。

表2 2.5m落距下不同類型夯錘各夯擊點位的夯擊壓力值 單位：kPa

表3 5m落距下不同類型夯錘各夯擊點位的夯擊壓力值 單位：kPa

從表2中可看出，圓柱型夯錘在四次夯下其壓力最大值達到12.31kPa，而在六次夯時其壓力最大值可達到12.31kPa，而在六次夯時圓柱型夯錘的壓力最大值達到22.35kPa，可見在相同下落距離下，隨著夯次的加大，同一夯錘類型下其壓力最大值逐漸增加，而從圓臺的夯次變化也總體呈現這一變化規律，從表3中可看出，各類型夯錘最大壓力變化和2.5m下落距離的變化一致，隨著下落距離的增加，各測點壓力值均逐步加大，圓臺類型夯錘各測點壓力值變幅大于圓柱型夯錘。因此在工程實際應用時，圓臺型夯錘壓力效果好于圓柱型夯錘。

2.4 不同類型水下夯錘夯沉量分析

結合各監測點分析數據，對不同類型水下夯錘夯沉量進行分析，各下落距離的夯沉量分析結果見表4—5。

表4 2.5m落距下各類型夯錘夯擊不同監測點的夯沉量分析

表5 5m落距下各類型夯錘夯擊不同監測點的夯沉量分析

從表4中可看出，圓柱型夯錘下在四次夯其夯沉量平均值最大，夯沉率最大為11.7%，而隨著夯次的增加，圓柱型夯錘的夯沉量均值逐步減小，夯沉率也逐步降低，這和實際情況較為相似，因此在實際工程施工中，對于圓柱型夯錘，應該盡量減少其夯次，提高夯沉量和夯沉率，從表中還可看出，圓臺型夯錘各夯次的夯沉量和夯沉率都要大于圓柱型夯錘。從表5中可看出，隨著下落距離的增加，同一類型夯錘在各夯次的夯沉量和夯沉率都逐步增加，但總體增加的幅度隨著下落距離的增加有所減小。

2.5 不同夯錘縮比尺寸夯擊效果對比

夯錘縮比尺寸對水下夯錘的夯擊效果影響明顯，為此本文還對不同縮比尺寸下的夯擊效果進行對比分析，不同縮比尺寸下夯錘的參數取值見表6，不同縮比尺寸下夯錘的夯擊效果與下落距離的變化規律分析結果如圖2所示。

表6 不同縮比尺寸下夯錘的參數取值

圖2 各縮比尺寸下夯錘效能與下落距離的規律分析結果

從圖2中可看出，隨著下落距離的增加，同一靜水壓強下，縮比尺寸越大，其下落相對速度越大，當達到3.5倍夯錘，其下落距離與相對速度變幅達到最大，當相對速度達到15m/s左右時，其下落距離與相對速度的變幅較為穩定。從各縮比尺寸下落距離～速度關系還可看出，各縮比尺寸下其相對速度的變化規律較為一致，標準夯錘變化較為平穩。從各縮比尺寸下落距離～夯擊能關系可看出，各縮比尺寸和各質量夯錘下其下落距離與夯擊能的變化關系較為類似，隨著縮比尺寸的增加，其夯擊能逐步降低，從其變化關系還可看出，縮比尺寸對其夯擊能影響較為明顯，當下落距離達到3m時，其夯擊能下降較大，且逐步趨于穩定。

3 分析結論

(1)圓臺型夯錘夯擊效果總體好于圓柱型夯錘，在實際工程中應首選應用圓臺型夯錘進行水下拋石的夯擊，并在其底部設置泄流孔進行防護；

(2)隨著縮比尺寸增加，其夯擊能隨著下落距離的增加逐步降低，夯擊效果減小，在工程實際中應首選高倍縮比尺寸的夯錘，從而提高其夯擊能利用率；

(3)本文未對各夯錘類型下夯擊效率的極限值進行研究，在以后的研究中需對夯擊效率的極限值進行研究，提高夯擊效果。