裝配式快速堵口裝置水下運動特性試驗研究

洪娟 王榮 高昂 謝朝勇 馬冬冬

摘要：為了解新型裝配式快速堵口裝置的水動力特性，從而為堵口裝置選型及拋投方案的制定提供依據，針對單件堵口裝置開展了系統的室內水槽試驗研究，對比分析了不同水流條件（水深、流速）及裝置質量（不同填充物）等因素對其水下運動的影響。結果表明：裝置觸底橫向漂距與裝置質量有較好的負相關關系，水深及流速與裝置觸底橫向漂距成正相關關系：基于量綱分析方法，建立了表征水流條件及裝置質量的無量綱數，構建了裝置觸底橫向漂距預測公式，并得到原型試驗合理性驗證。

關鍵詞：堵口裝置：水槽試驗：水下運動：量綱分析：橫向漂距

中圖分類號：TV135

文獻標志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2020. 01.007

1 引言

堤壩在水資源利用及洪水災害防治等方面具有重要作用[1]，然而超標準洪水、堤壩自身質量降低或其他不利因素均會增加堤壩潰決的風險。堤壩一旦發生潰決，河流或水庫中水體將在潰口附近集中宣泄，潰決速度快且能量巨大，對洪水影響區內人員生命和財產造成極大威脅[2]。

針對如何在堤壩潰決后根據潰口地形、地質及水流條件，因地制宜地采取合理措施有效封堵潰口這一問題，不少學者進行了大量的研究[3-4]。然而由于壩堤潰決危害很大，且具有不可重復性，大多采用模型試驗和理論分析相結合的方法對潰口水流或潰口封堵裝置合理性進行研究。洪娟等[4]指出在堵口工程中，堵口材料的選擇極其重要，是堵口能否成功的關鍵因素之一。孫東坡等[5]對土工包的沉降運動進行了概化模擬試驗研究，建立了土工包沉降速度的計算模式。周景芍等[6]經過模型和現場試驗，研究了大型土工包、鉛絲網石籠、充沙土工布長管袋式軟體排等在黃河堤防堵口技術的可行性。孫蘆忠等[7-8]提出了用箱型結構物封堵堤壩潰口的技術方案，試驗研究了潰口水流、沉箱順序和裹頭構筑對潰口水力特性的影響。賈志峰等[9]對不同投放高度、水流速度、投放方式的效果進行了探究，建立了理想狀態下的水平和豎直方向上的運動微分方程，并利用相似準則計算出模擬實際潰壩時重物的投放位置。

雖然上述堵口技術最終能夠達到封堵目的，但總體上存在技術普適性差、封堵時機滯后、材料難以儲備、代價較高等問題。如何在潰口初期及時響應，并對潰口實現快速封堵是防止潰口造成巨大損失的關鍵。陳云鶴等[10]提出一種裝配式快速堵口裝置（下文簡稱“裝置”），具有“便于儲備一快速運輸一現場裝配”等特點，旨在潰口初期能夠實現對潰口的有效封堵。采用這種裝置進行堵口搶險工程設計，必須掌握其水下運動特性。筆者開展了裝置拋擲沉落的概化模擬試驗，詳細了解其沉落的運動特征，并基于試驗數據及量綱分析方法構建裝置橫向漂距的預測公式。

2 試驗方案

2.1 試驗設計

采用正態模型模擬該裝置，根據重力相似準則[11]，考慮原型裝置尺寸、試驗水流條件，并結合試驗水槽尺寸及水泵供水能力，確定模型幾何比尺為1：10。試驗水流滿足雷諾數大于500、水深大于1.5 cm的要求。

根據原型裝置尺寸及模型比尺，裝置的模型外框尺寸為0.20 mX0.25 m（高×邊長）。框架鋼截面尺寸為6 mmx6 mm，采用不銹鋼薄片制作;鋼筋網選用篩網模擬;三角形網板間采用自鎖式塑料扎帶綁扎。制作模型總數為4個，各模型實物見圖1，參數見表1。

試驗在室內水槽中進行，水槽斷面為矩形，尺寸為30 mx1.19 mx1.2 m（長×寬×高），底坡為平坡;水槽邊壁為透明鋼化玻璃，底壁為鋼板材質。水槽進口設置穩流柵，用以平順水流，消除不均勻流態。試驗段設置在水槽中后部，長度2m。試驗段底部鋪設人造皮革材料，試驗前測量了不同裝置與皮革間的靜摩擦系數μ肛，結果見表2。由表2可見，1#、2#、3#裝置與皮革之間的摩擦系數基本一致，取其平均值1.0作為三者與皮革間的摩擦系數;0#裝置摩擦系數與其他差別較大，約為0.7。

試驗水流由進口蝶閥控制，流量Q由電磁流量計計量（精度為1%）;水深h由水槽尾部尾門調節，由水位尺測取（精度為1 mm），流速v由Q/s計算，其中S為水流斷面面積，S= 1.19h。裝置水下運動軌跡采用側視攝像機記錄（幀率30 Hz、像素1 920xl 080），后期采用圖像識別方法獲取系列圖像中裝置的像素位置，根據標定系數（實際距離與像素距離的標定系數）換算出裝置的實際位置。

2.2 試驗工況

試驗過程中，裝置由軟線牽引，在調整至入水姿態后釋放入水。裝置均在水面上方15 cm處拋投，以自由落體拋入水中，并保證裝置入水姿態基本保持一致（允許偏差±50）。為消除偶然性，提高試驗結果的可信度，每組試驗不少于3次。具體工況見表3。

3 裝置水下運動過程試驗成果分析

3.1 不同質量裝置投放

分別在0.2 m和0.3 m試驗水深條件下，進行4種裝置的水下運動軌跡試驗。試驗發現，裝置入水后在重力、水流拖曳力及浮力等外力共同作用下，運動軌跡呈曲線型式。圖2繪出了工況4-0.2-0.6（0.2表示水深為0.2 m.0.6表示流速為0.6 m/s）和工況4-0.3 -0.4下4種裝置的運動軌跡，其中坐標原點為裝置入水點，橫坐標表示橫向位移，縱坐標表示縱向位移。由圖2知，0#裝置觸底時橫向位移最大，3#裝置觸底時橫向位移最小，排序為0#>1#>2#>3#.觸底時橫向位移與裝置質量有較好的負相關關系。雖然0#裝置阻水體積較小（鏤空）.但其質量明顯小于其他裝置，從動量守恒角度講，其在水流沖擊作用下，對水流的橫向響應更為強烈，橫向加速度及速度大于其他裝置。圖3點繪了不同裝置質量與觸底時橫向漂距（X，）的關系。由圖3知，隨著裝置質量的增大，觸底橫向位移呈現減小的趨勢。

此外，通過試驗還可以看出，裝置的質量越大，其橫向移動對水流的沖擊響應越滯后（見圖2），其中1#裝置入水后發生明顯橫向位移的時間短于2#裝置，2#裝置入水后發生明顯橫向位移的時間短于3#裝置。產生該現象的原因主要與加速度有關，即相同尺寸的3個裝置，在受水流橫向沖擊力相同的情況下，質量越大，其加速度越小，對沖擊力的響應越滯后。

3.2 不同水深投放

為研究相同流速條件下不同水深對裝置水下軌跡的影響，選取工況4-0.2-0.6與工況6-0.3 -0.6進行試驗，兩個組次的平均流速均為0.6 m/s。

圖4點繪了1#、2#、3#裝置的水下軌跡。由圖4知水深對裝置的水下軌跡影響顯著，小水深下裝置運動軌跡在大水深軌跡的上方，表明在裝置入水高度相同的情況下，小水深的橫向位移更大，這主要與水流流速的垂向分布特性有關。此外，由于水深越大，水流對裝置的橫向沖擊時間越長，因此大水深下裝置的Xt要大于小水深下的Xt。

3.3 不同流速投放

為研究相同水深條件下不同流速對裝置水下軌跡的影響，選取工況4-0.3-0.4、工況6-0.3 -0.6、工況8-0.3-0.8進行試驗.3個組次的水深均為0.3 m，平均流速依次為0.4、0.6、0.8 m/s。

圖5點繪了1#、2#、3#裝置的水下軌跡。由圖5知流速對裝置的水下軌跡影響較為明顯，高流速下裝置的運動軌跡在低流速軌跡的上方，表明在裝置入水高度相同的情況下，高流速下裝置的橫向位移更大。高流速對裝置的橫向沖擊力大，其對水流沖擊力的橫向響應更敏感，從而導致高流速條件下裝置觸底時的橫向位移要大于低流速下裝置觸底時的橫向位移。

4 裝置觸底橫向漂距預測方法及合理性驗證

4.1 裝置觸底橫向漂距預測方法

裝置橫向漂距的有效預測是裝置拋投點確定的關鍵。根據前述分析，影響裝置觸底橫向漂距的主要因素包括裝置質量m、流速v、水深h，且觸底橫向位移與質量成反比、與流速和水深成正比。因此，采用量綱分析方法構建以下無量綱數[13]。

4.2 公式應用及合理性驗證

基于對室內水槽試驗條件下裝置水下運動特性的認識及提出的漂距預測公式，設計了原型裝置的水動力試驗方案，并開展了原型試驗研究。原型試驗在江蘇省防汛搶險訓練基地開展，較大程度地模擬了潰口實際水動力條件。試驗采用起重機拋投了2種尺寸相同但質量不同的原型裝置（見圖7、圖8），采用水位尺測量試驗水深，采用數顯式流速儀測量流速，拍攝視頻記錄裝置運動過程，并基于刻度尺反算漂距，試驗條件、實測漂距及運用預測公式（8）預測的漂距見表4。可知預測漂距相對誤差在25%以內，表明提出的裝置觸底橫向漂距預測公式具有一定的合理性，對該裝置在防汛搶險中的應用具有一定的指導意義。

5 結論

對堵口裝置的水下運動特性進行了系統的水槽試驗研究，分析了其水下運動軌跡與相關參數的關系，并在原型試驗中予以合理性驗證，具體結論如下。

（1）裝置在一定流速的水流中運動軌跡呈現曲線形式，隨著水深增加，其橫向運動速度逐漸增大。

（2）水深及水流與裝置橫向漂距正相關，裝置橫向漂距與裝置質量負相關。

（3）建立了表征水流條件及裝置質量的無量綱數，并構建了含有水深、流速及裝置質量的裝置觸底橫向漂距的預測公式。由公式結構形式知，水深變化對裝置觸底橫向漂距的貢獻率要大于流速變化。

（4）原型試驗驗證了裝置橫向漂距預測公式的合理性，表明水槽試驗相關結論對該裝置應用在防汛搶險中有一定的指導意義。

參考文獻：

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[13]徐婕，詹士昌，田曉岑，量綱分析的基本理論及其應用[J].大學物理，2004，23（5）：54-58.

【責任編輯許立新】

收稿日期：2019- 08 - 06

作者簡介：洪娟（1980-）.女，江蘇丹陽人，講師，主要從事防汛搶險、橋梁防撞等方面的研究工作