水利工程截流中鉛絲石籠起動流速的分析

程 軍

(新疆源偉建設工程有限公司,烏魯木齊 835000)

0 引 言

截流是水利水電工程施工中普遍面臨的問題,從減輕截流難度、增大拋投料穩定性角度出發,鉛絲石籠在立堵截流工程中得到廣泛應用。將工程現場天然石料或開挖料裝入編制好的鉛絲籠內即制成鉛絲石籠,該結構具有較好的柔性和強透水性。三峽、溪洛渡等大型水利工程應用結果表明,鉛絲石籠穩定性比同噸位混凝土塊體優越;此外,其材料的獲取及制作遠比混凝土塊體簡便。但是,截至目前,國內外有關鉛絲石籠穩定性的研究成果不多,鉛絲石籠的理論研究明顯滯后于工程實踐,無法有效展開施工指導[1]。

為此,文章以新疆伊犁州昭蘇縣某段中小河流治理工程為背景,從河道水流特性和鉛絲石籠特性出發,對不同形式規格的鉛絲石籠起動流速展開物理模型分析和模擬計算,為工程實踐中鉛絲石籠結構形式的選擇及尺寸的擬定提供借鑒參考。

1 物理模型試驗

1.1 試驗方案設計

水力學模型通常采用1∶100～1∶50的縮小比尺。截流模型作為重要的水力學模型,主要由導流模型、截流模型、河道模型等部分組成。在其眾多相似比尺中,截流材料抗沖相似是研究拋投材料穩定性的關鍵[2]?？紤]到拋投材料性能特征、河床及堤頭等邊界條件均與天然河道存在較大差異,且鉛絲石籠失穩方式主要表現為滑動,其起動流速的分析中一般起動流速公式已不再適用,故無法完全照搬泥沙起動相似條件。

根據工程實際及試驗場地條件,選用1∶50模型比尺展開鉛絲石籠起動試驗,主要參數比尺取值如下:

幾何比尺:λⅠ=50;流速比尺:λv=λⅠ0.5=7.07;流量比尺:λQ=λⅠ2.5=17677.67;單寬流量比尺:λq=λⅠ1.5=353.55。

按照1∶50的比尺在有機玻璃水槽中展開試驗,試驗基面分粗糙水泥板、光滑水泥板、有機玻璃等情形,摩擦系數分別取0.69、0.48和0.28。

1)鉛絲石籠尺寸:根據《水工(常規)模型試驗規程》(SL155—2012)及相關工程實踐經驗,本次試驗采用六面體鉛絲石籠,就具體形式而言,又細分為扁形六面體石籠、條形六面體石籠、正六面體石籠等,各種形式的石籠容重均為19.6kN/m3。其中,正六面體鉛絲石籠試驗塊體規格見表1。

表1 正六面體鉛絲石籠規格

扁形六面體石籠和條形六面體石籠均制備同體積試驗塊,并以邊長為2.0m的正六面體石籠為對比試驗對象。扁形六面體石籠長軸和中軸同步變化,并在維持正方形結構的基礎上,調整短軸尺寸。條形六面體石籠中軸保持不變,調整短軸和長軸尺寸。具體規格見表2。

表2 扁形六面體石籠和條形六面體石籠規格

2)試驗步驟:試驗開始后,將塊體放進水槽基面,在來水流量不變的情況下,借助尾門對下游水位進行調節,直到塊體滑動;同時測量石籠高度以內的流速均值。值得注意的是,條形六面體鉛絲石籠在受到水流作用后始終保持一種相對穩定的狀態。當其長軸與短軸所在面為迎水面時,長軸向與水流垂直,石籠起動前因受到水流的作用,長軸會逐漸平行于水流向;當其中軸和短軸所在面為迎水面,且中軸與基面垂直,在受到水流作用后,石籠表現出側翻;隨即調整為短軸與底面垂直,長軸與基面垂直。綜合以上分析,此次試驗中全部條形六面體石籠均按照中軸與短軸所在面為迎水面擺放,長軸順水流布置,短軸則與基面垂直。

1.2 試驗裝置

物理水槽試驗在工程所在省水利科學研究院水工廳進行,有機玻璃水槽長×寬×深為10m×0.5m×0.75m,并對有機玻璃進行了加厚處理。水槽尾部加裝手搖式平板尾門,便于展開水流流速和水位調節。試驗開始后,主要通過電磁流量計展開上游來水量動態控制,并通過LS-501D型直讀式流速儀測量水流流速。

2 物理模型試驗結果

在不同摩擦系數的基面上展開反復試驗,測量石籠高度范圍內斷面流速,并取均值。通過對不同摩擦系數基面正六面體石籠起動流速隨質量變化趨勢的分析(表3)可知,在摩擦系數相同的情況下,隨著石籠質量的增大,其起動流速呈增加趨勢;石籠起動流速與底面摩擦系數呈正向變動趨勢,且摩擦系數的調整對石籠起動流速影響明顯[3]。例如,摩擦系數為0.48時16t石籠的起動流速與摩擦系數為0.78時31.25t石籠的起動流速相當。

表3 正六面體石籠起動流速

不同摩擦系數基面條形六面體石籠起動流速隨扁度變化的結果見表4。由此可知,在一定扁度內,條形六面體石籠起動流速與扁度系數呈正向變動,并逐漸趨于穩定;同一扁度系數的石籠起動流速增幅隨摩擦系數的增大而增大;摩擦系數的調整對石籠起動流速影響較大。

表4 條形六面體石籠起動流速

不同摩擦系數基面扁形六面體石籠起動流速隨扁度變化的結果見表5。由此可知,隨著扁度系數的增大,扁形六面體石籠起動流速呈增加趨勢,超過一定扁度后減小;其余結論與條形六面體石籠起動規律一致。

表5 扁形六面體石籠起動流速

進一步分析可知,造成扁度系數增大而流速反而減小的原因主要在于,鉛絲石籠底部面積增大后,上舉力增加,起動流速下降[4]。

3 數值模擬及驗證

3.1 模型構建

分別針對2.0m×2.0m×2.0m規格的正六面體鉛絲石籠、3.0m×3.0m×0.89m規格的扁形六面體石籠、3.0m×2.0m×1.3m規格的條形六面體石籠展開模擬,并將各種石籠內的石子均簡化成10cm半徑的球體。通過RHINOCEROS軟件繪制出不同尺寸的石籠。

進行不同工況模型三維模擬時,必須確保模型網格劃分和流線基本一致,并應根據疏密程度、網格類型等劃分模型計算區域。尤其對于復雜且關鍵的區域,必須對周圍網格實施 加密;相對次要的區域,網格可適當稀疏設置。以達到有效控制網格數目的目的。

將鉛絲石籠三維模型導入FLOW3D流體力學分析軟件,應用FAVOR法進行幾何體定義及網格劃分,自動生成網格[5]。在鉛絲石籠底面中心設置坐標原點,水域長×寬×高為50m×30m×15m,同時單獨構建石籠網格并加密。

在進行不同規格鉛絲石籠起動流速模擬以及石籠所在水域紊動能分布、壓強分布、流速分布等的模擬計算時,均以起動流速為來流流速。為此,上游來流流速邊界選用石籠起動流速,并將下游出口設定為自由出流邊界;模型上表面接觸空氣的區域設為大氣壓力邊界,其余均為壁面邊界。

3.2 模擬結果分析

1)紊動能分布:紊動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標。根據模擬,正六面體石籠中心水位高程內,迎水面紊動能明顯高于背水面;就迎水面而言,紊動能隨著水深的增大而增大;背水面范圍內,紊動能接近0;從水位高程上看,背水面紊動能影響范圍顯然更大。條形六面體石籠中心水位高程內,迎水面紊動能更大;背水面紊動能在水位高程上的影響范圍更大。扁形六面體石籠中心水位高程內,迎水面紊動能更大;從水位高程上看,迎水面和背水面紊動能影響范圍基本一致。

綜上可知,就紊動能分布情況看,扁形六面體石籠穩定性最優,其余規格鉛絲石籠穩定性較差。

2)壓強分布:通過觀測鉛絲石籠中心所在平面側視壓強和俯視壓強看出,在觀測時間為50s時,正六面體石籠中心水位高程內,石籠迎水面周圍的壓強從146.9kPa增大至151.2kPa,但石籠兩側及背水面壓強均在145kPa左右;石籠內部壓強從迎水面至背水面持續遞減。條形六面體石籠中心水位高程內,迎水面周圍的壓強從146.4kPa增大至150.1kPa,其兩側及背水面壓強均在146kPa左右;石籠內部壓強從迎水面至背水面持續遞減。扁形六面體石籠中心水位高程內,迎水面周圍壓強僅從148.1kPa增大至148.3kPa,增幅小;石籠兩側和背水面壓強基本保持在148.0kPa左右;石籠內部從迎水面至背水面的壓強基本一致。

綜合以上分析,從壓強分布角度看,扁形六面體石籠最為穩定,條形六面體石籠次之,正六面體鉛絲石籠穩定性最差。

3)流速分布:通過觀測鉛絲石籠中心所在平面側視流速分布和俯視流速分布看出,在觀測時間為50s時,正六面體石籠迎水面流速為1.8m/s,明顯<起動流速;背水面在短時間內產生流速為0.2m/s的回流;且在較長范圍內,背水面石籠高度內流速達到1.5m/s;因石籠兩側存在渦流,局部流速增大,流態紊亂。條形六面體石籠迎水面流速為4.2m/s,比起動流速小;背水面流速下降明顯,約為2.7m/s,但無回流出現;石籠兩側無渦流形成,流態穩定。扁形六面體石籠迎水面流速為4.5m/s,比起動流速小;迎水面和背水面流速均緩中有降;扁條形六面體石籠兩側也無回流產生,流態相對穩定。

通過以上分析可知,正六面體石籠背水面區域內出現回流,不利于石籠穩定;其余兩種規格的鉛絲石籠背水面均無回流產生,石籠在水體中的穩定性有保證;正六面體石籠兩側還存在渦流,流速變化大,流態紊亂,而其余規格石籠均無渦流出現,流態穩定;從對所在高度內水流流速的影響程度看,正六面體石籠影響最大,條形六面體石籠次之,扁形六面體石籠最小。可見,從水體中結構的穩定性來看,正六面體石籠最差,其余兩種規格的石籠較好。數值模擬結果與物理模型分析結果基本吻合。

3.3 穩定性結論

綜合以上對不同規格鉛絲石籠紊動能分布、壓強分布及流速分布情況的比較分析可知,從石籠起動角度看,同體積的條形六面體石籠穩定性與扁形六面體石籠穩定性相當,但正六面體石籠穩定性較差。為此,在鉛絲石籠框架設計制作時,應適當增大石籠扁度系數,以增強其在水體內的穩定性,提升截流工程施工效果。

4 結 論

綜上所述,在摩擦系數相同的情況下,各種規格的鉛絲石籠起動流速均隨質量的增大而增大;摩擦系數越大,石籠起動流速也越大,且摩擦系數對于石籠起動流速的影響顯著。在一定扁度系數范圍內,條形六面體石籠起動流速隨扁度系數的增大而增大,并逐漸趨于穩定。根據數值模擬結果,正六面體鉛絲石籠背水面存在回流現象,影響石籠穩定;條形及扁形六面體石籠背水面均無回流,在水體中的穩定性有保證。為此,新疆伊犁州昭蘇縣阿合牙孜河喀夏加爾鎮段中小河流治理工程立堵截流中應優先選用扁形或條形六面體鉛絲石籠,以增強石籠結構在水體中的穩定性,保證截流效果。