水槽混合石料群拋試驗

李小超,常留紅,李 凌,宋俊強,張 鵬

(1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,長沙 410004; 2.中交天津航道局有限公司,天津 300461)

水槽混合石料群拋試驗

李小超1,常留紅1,李 凌2,宋俊強2,張 鵬1

(1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,長沙 410004; 2.中交天津航道局有限公司,天津 300461)

為研究混合石料群拋入水后的漂移與擴散情況,在試驗室水槽內(nèi)開展了不同水深、不同流速、不同質(zhì)量組成的混合石料群拋試驗。將單顆粒拋石漂移距離公式計算結(jié)果與混合石料群拋平均漂移距離進行比較,結(jié)果表明:當水深在15 m以內(nèi)時,具有平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離與群拋試驗平均漂移距離較為接近;當水深為30 m時,具有混合石料平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離明顯大于群拋試驗平均漂移距離;群拋與單拋漂移距離的偏差隨流速的增大而增大。同時通過量綱分析得到了混合石料群拋水下分布面積計算公式,并將計算結(jié)果與實驗室試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進行比較,吻合較好。

混合石料;拋石;漂移距離;分布面積;水槽試驗

在河道治理、護岸、潛丁壩、橋墩防沖等工程中經(jīng)常會進行水上拋石施工。水上拋投的塊石自水面落入水中后,在水流的作用下塊石經(jīng)過一段距離后著落于河底。塊石自水面入水點至河床著落點產(chǎn)生的水平距離稱為拋石漂移距離。要使塊石拋投落至設(shè)計范圍內(nèi),就必須根據(jù)落距確定施工定位船位置[1]。施工定位是通過確定施工船舶在水上的準確位置,將塊石拋入水下設(shè)計拋區(qū),使施工最大限度地實現(xiàn)設(shè)計意圖,達到最好效果。施工定位的準確性直接關(guān)系到施工質(zhì)量和工程效益的發(fā)揮。施工定位程序中最重要的一步是拋石漂移距離和拋石提前量的計算和確定。拋石位移直接影響到拋石質(zhì)量,目前在實際施工過程中主要采用兩種方法確定拋石漂移距離,其一是施工前進行拋投試驗,實測不同粒徑、不同質(zhì)量的塊石,在不同的水位和不同的流速下的水平落距,最后采用具有平均質(zhì)量的單顆粒塊石的漂移距離進行定位船定位;其二是采用經(jīng)驗公式對不同粒徑、不同質(zhì)量的塊石,在不同的水位和不同的流速下的漂移距離進行計算,進而確定施工船舶在水上的位置。

拋石漂移距離是一個多因素影響的復(fù)雜問題,一直為國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注,很多學(xué)者[2-10]針對單顆粒拋石漂移距離進行了研究。然而,實際拋石施工中多采用網(wǎng)兜、液壓反鏟式挖掘機和抓斗等方式進行機械拋填,更大型的拋投機械還有底開駁船、側(cè)拋船等船舶直接拋投,如三峽工程大江截流水下平拋墊底施工[11]等,即實際工程中拋石為混合石料群拋,而非單顆粒拋石。一些學(xué)者對混合石料群拋開展了模型試驗和數(shù)值模擬研究,如韓海騫等[12]開展了船拋混合石料試驗研究,陳凱華等[13]對水下拋石基床動態(tài)形成過程開展了數(shù)值模擬研究。目前對于混合石料群拋的研究還非常少,采用具有平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離來代表混合石料群拋的漂移距離是否合理仍然有待檢驗。本文以長江南京以下12.5 m深水航道二期工程口岸直水道整治工程Ⅱ標段為依托工程,對混合石料群拋的分選和漂移情況進行研究。本標段拋石工程大、級配種類多、工期緊、任務(wù)重、環(huán)境因素復(fù)雜。石料主要包括堤心石、護面塊石、護腳塊石、基床拋石、護肩塊石、壓排石、護岸拋石、連鎖塊搭接片石等,不同的級配、容重等致使塊石拋投準確性降低,有必要開展不同水深、不同流速、不同石料規(guī)格拋石的漂移距離試驗,結(jié)合現(xiàn)場施工測量數(shù)據(jù),建立多因素綜合影響的漂移距離計算公式,指導(dǎo)精準拋投施工,有效提升水下拋石質(zhì)量和降低施工成本。

表1 拋石試驗方案

1 試驗方法

本標段石料規(guī)格主要為:壓排石1～50 kg、堤心石1～200 kg、護面石200～300 kg、護腳石100～200 kg、護腳石200～300 kg、護肩塊石200～300 kg。工程拋石施工采用網(wǎng)兜定點拋石、定位駁定位靠泊拋石和抓斗定點拋石的方法進行施工,塊石的拋投分別采用網(wǎng)兜、鏟頭和抓斗進行,每個網(wǎng)兜容量約為2.0 m3,鏟斗容量為1 m3,每個抓斗容量約為5 m3。試驗幾何比尺取為1∶30,根據(jù)試驗比尺推算出每次試驗拋投塊石的總體積。試驗前,根據(jù)石料規(guī)格選取塊石,用量筒量取一次拋投塊石的總體積,然后稱量塊石的總質(zhì)量,數(shù)塊石的個數(shù),最后得到塊石平均質(zhì)量,見表1。試驗時,對同一總體積塊石(同一塊石拋投方法)拋投5次,測量每次拋投后的塊石分布面積和平均漂移距離。

根據(jù)施工區(qū)域水文條件,分別選取水深為30 m、15 m、10 m,水面流速為1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s進行模型試驗。水槽垂向流速分布測量結(jié)果分析表明,試驗流速垂向分布服從n=1/12的指數(shù)分布。

2 試驗結(jié)果分析

拋石下沉過程中,分選不太明顯;落至水底后,并不是像單顆粒塊石那樣,重量輕的漂移距離遠,重的漂移距離近,而是大小塊石夾雜在一起,散落于水底,較少出現(xiàn)堆積,除了10 m水深下少數(shù)幾次拋投出現(xiàn)了堆積現(xiàn)象外,其他拋投均未出現(xiàn)堆積。原因大致有:①雖然大塊石沉速大,但群拋石料下落時大小塊石夾雜在一起,相互碰撞,大塊石的落勢受到阻滯,而小塊石則有加速下沉的趨勢;②即使部分小塊石下沉較慢,但由于石料大小夾雜,漂移距離相差不大,沉底后可從先下落的大塊石縫中落下。

群拋石料水下分布形狀不規(guī)則,有近似橢圓形分布的,有近似扇形分布的,也有近似矩形分布的。在水流方向石料的擴散帶寬(最近漂移距離至最遠漂移距離的范圍)主要受一次拋投總體積和石料平均質(zhì)量的影響,拋投總體積越大擴散帶寬越大,平均質(zhì)量越大擴散帶寬越大,水深和流速的影響并不明顯。石料的擴散帶寬主要集中在10 m以內(nèi)。

在進行混合石料群拋試驗前,對單顆粒塊石在水中的受力和運動狀況進行了分析,考慮流速垂向分布和塊石變加速運動影響的單顆粒塊石漂移距離計算公式[14]為

(1)

式中:g為重力加速度;ρ為水的密度;ρs為塊石的密度;H為水深;um為水面流速;n為流速分布指數(shù);ηx、ηy分別為縱向與垂向阻力系數(shù);β為附加質(zhì)量系數(shù);D為等容粒徑;m為塊石質(zhì)量。ηx、ηy、β的取值分別為ηx=6.17、ηy=0.66和β=0.21。式(1)的計算結(jié)果與單顆粒拋石試驗結(jié)果吻合較好,詳細的理論推導(dǎo)過程和單顆粒拋石試驗結(jié)果見文獻[14]。

圖1 石料群拋平均漂移距離與單顆粒漂移距離經(jīng)驗公式計算值的比較

圖1為群拋石料的平均漂移距離(最遠漂移距離與最近漂移距離的平均值)與具有群拋石料的平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離式(1)計算值的比較,結(jié)果表明,群拋石料平均漂移距離隨平均質(zhì)量(粒徑)的增加而減小,這與單顆粒塊石漂移距離的變化規(guī)律一致。水深為10 m和15 m時,具有群拋石料平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離與群拋試驗平均漂移距離接近;水深為30 m時,具有群拋石料平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離明顯大于群拋試驗平均漂移距離,差距隨流速的增大而增大,流速分別為1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s時的差距分別約為2.35 m,4.35 m和7.10 m。因此,采用具有平均質(zhì)量的單顆塊石進行試拋,進而根據(jù)其漂移距離進行定位船定位,對于水深在15 m以內(nèi)時是合適的,但對于30 m的大水深,群拋石料中各塊石之間的相互作用對群拋平均漂移距離的影響變得重要,采用試拋或式(1)計算的漂移距離偏差較大,實際施工中應(yīng)予以重視。

由于下落過程中塊石之間相互碰撞或擠壓以及水流紊動等原因,塊石下落時除沿水流方向產(chǎn)生漂移外,還存在垂直于水流方向的橫向位移,即橫向漂移距離。試驗表明,橫向擴散范圍關(guān)于中心線基本對稱。橫向擴散帶寬隨塊石的質(zhì)量(粒徑)范圍、一次拋投塊石總體積、水深和流速的變化而變化。分析可知,塊石的質(zhì)量范圍和流速對橫向擴散帶寬的影響較小,橫向擴散帶寬主要受一次拋投塊石總體積和水深的影響,隨一次拋投塊石總體積和水深的增加而增大。表2為不同塊石石料在不同水深下采用不同拋投方法時的橫向擴散帶寬。

表2 橫向擴散帶寬

石料水下分布面積主要依賴于一次拋投塊石總體積和石料平均質(zhì)量(粒徑)。在相同水深和流速下,石料水下分布面積隨一次拋投塊石總體積的增大而增大,隨平均質(zhì)量(粒徑)的增大而減小。主要原因在于,由于同一時間內(nèi)進入水體的石料增多,其互相碰撞、互相制約等的影響更加顯著,故水下分布范圍也就更大一些。水深和流速對石料水下分布面積的影響居次要地位,從整體上看,石料水下分布面積隨水深和流速的增大而增大。

3 石料水下分布面積計算公式

群拋混合石料的水下分布面積主要取決于一次拋投塊石的總體積、塊石的幾何尺度、上游來流條件、水流的運動特征等,通過初步分析,得出:

f(A,V,H,U,Dm,g,ρ,μ)=0

(2)

選取H、U、μ為基本變量,用它們?nèi)ケ硎酒渌淖兞?根據(jù)量綱和諧原則得到:

(3)

(4)

假設(shè)水下石料分布面積公式為

(5)

式中α0、α1、α2、α3為系數(shù)。取對數(shù)得

(6)

Y=a0+a1X1+a2X2+a3X3

(7)

由實測數(shù)據(jù)計算Y,X1,X2,X3數(shù)據(jù)系列,然后運用多元回歸計算其系數(shù),得a0=0.286 4,a1=0.936 3,a2=-1.066 8,a3=0.022 9。

因此可得群拋石料水下分布面積的經(jīng)驗公式為

(8)

從而得到

(9)

根據(jù)試驗條件,由式(9)計算群拋石料水下分布面積,將其與試驗值點繪在同一張圖上(圖2)?？梢钥闯?兩者吻合較好,因此式(9)可以較好地代表群拋石料的水下分布面積。

圖2 群拋石料水下分布面積的對比

4 現(xiàn)場觀測對比

在長江口岸直河段護岸工程施工水域選取一塊未進行任何施工過的區(qū)域進行混合石料群拋試驗,測試不同水流條件下群拋混合石料的漂移距離及擴散范圍。試驗前首先采用水下聲納進行初始河床地形測量,然后進行水深和流速大小及流向的測量,水深和流速大小測量3次,取平均值。拋投石料前記錄好拋投點坐標,混合石料群拋試驗采用網(wǎng)兜進行,每個網(wǎng)兜拋石體積約為1.7 m3,考慮到每個網(wǎng)兜的拋石量較小,拋投石料后水下地形變化不明顯,試驗在同一拋投點拋投5個網(wǎng)兜,拋投完5網(wǎng)兜后,再采用水下聲納對拋投區(qū)域的水下地形進行測量,將拋后水下地形與拋前水下地形進行比較,地形發(fā)生了變化的區(qū)域即為石料水下分布區(qū)域。

工程現(xiàn)場測得H=14.5 m,um=0.92 m/s,石料的水下分布見圖3,圖中水流方向基本與圖中斜對角線平行,拋點坐標為(0, 0)。分析可知,分布面積約為30.375 m2,平均漂移距離約為7.7 m。取一次拋投塊石總體積為1.7 m3,取平均厚度0.15 m作為平均粒徑,則采用群拋水下分布面積計算公式(9)計算得到的石料水下分布面積為31.08 m2,由單顆粒拋石漂移距離計算公式(1)計算得到的平均漂移距離為8.65 m。由此可見,經(jīng)驗公式與現(xiàn)場試驗結(jié)果在石料水下分布面積、平均漂移距離等方面基本吻合,試驗成果可以供工程施工參考。

圖3 H=15.46 m,um=0.86 m/s時石料的水下分布(單位：m)

5 結(jié) 論

a. 群拋混合石料下沉過程中,分選不太明顯,落至水底后,大小塊石夾雜在一起,散落于水底,較少出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。群拋石料水下分布形狀較為不規(guī)則,石料水下分布面積主要依賴于一次拋投塊石總體積和石料平均質(zhì)量(粒徑),水深和流速對石料水下分布面積的影響居次要地位。石料水下分布面積隨一次拋投塊石總體積的增大而增大,隨平均質(zhì)量(粒徑)的增加而減小。通過與水槽試驗結(jié)果和現(xiàn)場觀察結(jié)果的比較,由量綱分析得到的石料水下分布面積計算公式能夠較好地計算群拋石料的水下分布面積。

b. 群拋石料在水流方向的擴散帶寬主要受一次拋投總體積和石料質(zhì)量分布的影響,主要集中在10 m以內(nèi)。平均漂移距離隨平均質(zhì)量(粒徑)的增加而減小。當水深在15 m以內(nèi)時,具有混合石料平均質(zhì)量的單顆粒塊石漂移距離與群拋試驗平均漂移距離接近;當水深為30 m時,群拋石料中各塊石之間的相互作用對群拋平均漂移距離的影響變得重要,使其與單顆粒塊石漂移距離偏差較大,且偏差值隨流速的增大而增大,實際施工中應(yīng)予以重視。

c. 群拋石料橫向擴散范圍關(guān)于中心線基本對稱。橫向擴散帶寬主要受一次拋投塊石總體積和水深的影響,隨一次拋投塊石總體積和水深的增加而增大。石料的平均質(zhì)量(粒徑)和流速對橫向擴散帶寬的影響較小。

[1] 竇臻, 張增發(fā), 杭建國. 平順拋石護岸工程施工定位技術(shù)淺析[J]. 陜西水利, 2010(6): 67-69. (DOU Zhen,ZHANG Zengfa, HANG Jianguo.Analysis of positioning technology for smooth riprap revetment project [J]. Shanxi Water Resources, 2010(6): 67-69. (in Chinese))

[2] 梁潤. 河道截流的拋石抗沖穩(wěn)定流速及穩(wěn)定移距[J]. 武漢水利水電學(xué)院學(xué)報, 1978,11(1): 41-50.(LIANG Run. Stable velocity and drift distance of riprap in river closure project [J]. Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering,1978,11(1):41-50. (in Chinese))

[3] 潘慶燊,余文疇,曾靜賢. 拋石護岸工程的試驗研究[J]. 泥沙研究, 1981,6 (1): 75-84.(PAN Qingshen, YU Wenchou,ZENG Jingxian. An experimental study on riprap revetment engineering[J]. Journal of Sediment Research, 1981,6 (1): 75-84. (in Chinese))

[4] 謝鑒衡. 河流泥沙工程學(xué)(上冊)[M]. 北京: 水利電力出版社, 1982.

[5] 余文疇. 拋石落距試驗研究[J]. 水利工程管理技術(shù), 1992(5): 22-24.(YU Wenchou. An experimental study on drift distance of riprap[J].Water Conservancy Construction and Management, 1992(5): 22-24. (in Chinese))

[6] 詹義正. 球體在動水中的移距公式及其應(yīng)用[J]. 泥沙研究, 1992, 17(4): 85-91. (ZHANG Yizheng.Formulas and applications of drift distance for hydrodynamic riprap[J]. Journal of Sediment Research, 1992, 17(4): 85-91. (in Chinese))

[7] 詹義正,寇樹萍. 球體的移距及穩(wěn)定移距公式[J]. 武漢水利電力大學(xué)學(xué)報, 1996, 29(2): 85-90.(ZHANG Yizheng,KOU Shuping. Equations of sphere’s falling distance[J]. Journal of Wuhan University of Hydraulic & Electric Engineering, 1996, 29(2): 85-90. (in Chinese))

[8] 韓海騫,楊永楚. 動水拋石漂移距離的計算[J]. 浙江水利科技, 2001 (3): 6-7.(HAN Haiqian, YANG Yongchu. Calculation of drift distance for hydrodynamic riprap[J]. Zhejiang Hydrotechnics, 2001 (3): 6-7. (in Chinese))

[9] GUO J. Motion of spheres falling through fluids[J]. Journal of Hydraulic Research, 2011, 49(1):32-41.

[10] 齊梅蘭, 魏金, 劉春光. 墩周繞流對拋石落距的影響[J]. 水利學(xué)報, 2013, 44(2): 232-237.(QI Meilan, WEI Jin, LIU Chunguang. Flow-affected riprap transport distance around circular pier in the deposition process[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2013, 44(2): 232-237. (in Chinese))[11] 楊文俊,朱紅兵,柏林,等.三峽工程大江截流平拋墊底砂礫石料漂移特性研究[J].長江科學(xué)院院報,1997,14(4): 36-40.(YANG Wenjun,ZHU Hongbing,BO Lin,et al.Investigation on drift characteristics of sand gravel materials in forming closure gap’s bedding course for TGP [J].Journal of Yangtze Riverentific Research Institute,1997,14(4): 36-40.(in Chinese))

[12] 韓海騫,楊永楚,王衛(wèi)標,等.錢塘江河口聞家堰段護底拋石研究[J].泥沙研究,2002,27(2): 29-35.(HAN Haiqian,YANG Yongchu,WANG Weibiao,et al.The research for protecting the riverbed of Wenjiayan on Qiantang River by rock riprap[J].Journal of Sediment Research,2002,27(2): 29-35.(in Chinese))

[13] 陳凱華,石崇,梁邦炎,等.水下拋石基床動態(tài)形成過程數(shù)值模擬研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(31): 314-319.(CHEN Kaihua,SHI Chong,LIANG Bangyan,et al.Numerical simulation research of the falling process for the underwater riprap[J].Science Technology and Engineering,2014,14(31): 314-319.(in Chinese))

[14] 李小超,常留紅,宋俊強,等.復(fù)雜水流條件下拋石漂移距離的試驗研究[J].水運工程,2017(6):1-8,(LI Xiaochao,CHANG Liuhong,SONG Junqiang,et al.Experimental study on drift distance of riprap on the condition of complex water flow[J].Port and Waterway Engineering,2017(6):1-8,(in Chinese))

Experimentalstudyonrockgroupriprapsinawaterflume//

LI Xiaochao1, CHANG Liuhong1, LI Ling2, SONG Junqiang2, ZHANG Peng1

(1.SchoolofHydraulicEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410004,China; 2.CCCCTianjinDredgingCo.,Ltd.,Tianjin300461,China)

Determination of the drift distance of a riprap is critical for water riprap works. Most of researchers have focused on the drift distance of a single particle rock so far, and a systematic study on the drift distance of a rock group was rarely carried out.It remains to be verified whether the drift distance of a rock with an average mass can represent that of a rock group. In this paper, a series of experiments have been conducted to investigate the drift and diffusion of a rock group with different mass combinations under different water depths and flow velocities. Comparisons between the calculated drift distance of the rock with an average mass using the formula for a single particle rock and the average drift distance of the rock group from the experiments were curried out. The results show that the drift distanceof the rock with an average mass is close with that of the rock group if the water depth is less than 15m while the drift distance of the rock with an average mass is greater than that of the rock group if the water depth is around 30m.Furthermore, a formula for calculating the distribution area of a rock group riprap was derived through dimensional analysis. Reasonable agreement of the calculated results between the model experiment and field observations verified the reliability of the calculating formula.

rock group; riprap; drift distance; distribution area; waterflune experimental

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0402108):國家自然科學(xué)基金(51309038)

李小超(1981—),講師,博士,主要從事水流與結(jié)構(gòu)物相互作用研究。E-mail:36633593@qq.com

常留紅(1979—),講師,博士,主要從事航道整治技術(shù)研究。E-mail:1273601@qq.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.06.013

U617

A

1006-7647(2017)06-0076-05

2016-12-28 編輯：鄭孝宇)