穿河管線沖刷速率平面時均分布狀態(tài)實驗分析探究

王亞月

(烏魯木齊市水利勘測設(shè)計院(有限責任公司)二分院，新疆 烏魯木齊 832000)

時均流動速率是指垂直方向流動速率、橫向流動速率以及縱向流動速率的平方和的開方結(jié)果。沖刷平面時均流動速率的分布規(guī)律是管線穿越沙泥河道抗沖刷安全設(shè)計的重要參考技術(shù)項之一。

1 水槽實驗簡要介紹

研究以北方某鐵大線路管線穿越泥沙河道安全改造工程為原型參照，在某農(nóng)業(yè)大學水利實驗大廳實施的水槽沖刷實驗。沖刷實驗水槽為硬質(zhì)透明長方形有機玻璃水槽，截面高程48cm，寬度42cm，長度1228cm。

實驗將所用的30mm直徑圓管，以距槽底50mm高度，固定于玻璃水槽的中心部位。以墩樁和502液體膠粘貼，將兩側(cè)管頭固定于玻璃槽上。鋪設(shè)拌合均勻、經(jīng)水浸潤和無氣泡的高程130mm模型沙。河底管線埋置模擬深度按1∶30比尺換算設(shè)置，圓管下方有50mm模型沙，50mm在管上方，30mm在管身位置，模型沙平整度控制誤差控制在±3mm內(nèi)。

沁水沉淀一夜后實施模擬動床實驗。實驗設(shè)置2個小滑動車，實驗前銜接在管線四周。設(shè)置軟尺粘貼在小車下方的架子上，以管線正上方所布設(shè)的截面為中心截面，順流下向和逆流上向各再布設(shè)截面5個，截面間距離取值25mm，從而形成總計11個測流截面，本文實驗分析主要集中在4- 4、5- 5、6- 6、7- 7 4個典型截面。以間距是25mm的距離沿各測流截面布設(shè)10個測流垂線，按距離水面150、120、90、60、30mm的高程，各垂線分設(shè)5個測點。測量選用多普勒聲學流動速率儀。選用繪圖軟件Origin和Tecplot繪制數(shù)據(jù)的分析圖。

2 主要實驗參數(shù)及工況

本文實驗分析主要集中在4- 4、5- 5、6- 6、7- 7 4個典型截面，在二維流動速率分析前提下的時均流動速率演變規(guī)律。實驗?zāi)嗌撤诸惥唧w見表1。

表1 實驗?zāi)嗌撤诸?/p>

為保障過流量變化條件下，流動速率伴隨演變但過流截面保持面積不變，實驗以擋水板調(diào)控水面保持h=16cm不變。本實驗所選用的過流量值具體見表2。

表2 實驗基本工況

3 沖刷速率平面時均分布狀態(tài)分析

3.1 過流量13.93L/s尚未沖刷的時均平面流動速率

過流量13.93L/s管線未沖狀態(tài)時典型截面時均流動速率演變態(tài)勢如圖1所示，過流量13.93L/s不同層間時均流動速率演變范圍云狀態(tài)圖如圖2所示。由圖1—2可知：這時距水面15、12、9、6、3cm高程液面的的沖刷狀態(tài)均從左側(cè)槽臂位置開始，垂向流動速率負值演變先發(fā)生于左半側(cè)，表明水體摩阻作用下，垂直方向流動速率發(fā)生負值，沖刷截面變窄。

最小流動速率發(fā)生于近泥沙底層距水面15cm位置，其絕對流動速率在0～0.2cm/s區(qū)間演變，本實驗?zāi)嗌车牧鲃悠饎铀俾试?.42cm/s，最大時均流動速率發(fā)生在距水面15cm位置，最大時均流動速率0.045cm/s，相較于沙泥流動所需要的起動速率，該值低出許多，因此不能夠達成沖刷的效果。最大時均流動速率在距水面3cm高程位置達成，時均流動速率演變范圍集中于3～5cm/s區(qū)間，亦沒能達成泥沙流動起動所需要的速率。

圖1 過流量13.93L/s管線未沖狀態(tài)時典型截面時均流動速率演變態(tài)勢

圖2 過流量13.93L/s不同層間時均流動速率演變范圍云狀態(tài)圖

距水面9cm和6cm高程的范圍演變云狀態(tài)揭示，2.8倍管徑范圍為管周造成時均過流速率影響的有效范圍，管周時均流動速率在4.5～6cm/s變動，其最大值可達6cm/s。對錄像后期觀察發(fā)現(xiàn)，模型沙僅絕大多數(shù)微小顆粒和粉塵在浮動，底層泥沙未發(fā)生沖刷，與數(shù)據(jù)揭示結(jié)果一致。距液面12cm測量層，流動速率演變范圍在0.5～1.4cm/s波動。距水面3cm的時均速率其波動強度是距水面12cm的約2.14～12倍。表明越遠離泥沙底層，波動時均速率的范圍起伏越大，狀態(tài)相對越不穩(wěn)定，尤為猛烈的水體間撞擊發(fā)生在距水面9cm高程往上區(qū)域，因此該區(qū)域沖刷相對劇烈。

從以上流動速率演變值得出v9>v6>v3>v12>v15在過流中間液面往上，隨著距離水面的高程加增，時均流速呈線性狀態(tài)遞增，和未沖刷時縱向流動速率、垂直方向流動速率規(guī)律一致。

3.2 過流量20.05L/s起沖刷狀態(tài)時平面時均流動速率

過流量20.05L/s管線未沖狀態(tài)典型截面時均流動速率演變態(tài)勢如圖3所示，過流量20.05L/s不同層間時均流動速率演變范圍云狀態(tài)圖如圖4所示。由圖3—4可知：起沖情況下，近泥沙底15cm距水面高程位置的時均流動速率演變范圍在2～3.5cm/s間波動，距水面9cm高程流動速率值為4～6cm/s，達成了泥沙的起動所需流速，水面開始呈現(xiàn)出渾濁狀態(tài)。

點線圖揭示，時均流動速率值在各測量液面均呈劇烈波動狀態(tài)，均不同程度發(fā)生了拐點，形成這種情況的原因主要是，持續(xù)不斷地沖刷影響下，大量微細孔隙通道在管周得以形成，過流大量入滲到越來越多的孔隙中，量變終致質(zhì)變，管涌現(xiàn)象形成，流動速率隨即呈現(xiàn)劇烈波動狀態(tài)。

底部流層的流動速率不再僅只是0cm/s左右的演變，而發(fā)生明顯增大狀態(tài)，其變動區(qū)間多在2～3.5cm/s區(qū)間，其最大值直至可達到4cm/s左右。形成這種情況的原因主要是，水位不變但過流量加大條件下，翻滾的模型沙動力戰(zhàn)勝了摩擦阻力，形成模型沙抬升的勢能和運動過流的動能，過流不斷帶走模型沙，致使近底層最終達成管線起沖狀態(tài)。

液面層流動速率變化揭示，流動速率值與過流量狀態(tài)呈正相關(guān)增大狀態(tài)，泥沙底層的流速幾乎達到未沖時均流動速率的10倍。

3.3 過流量25.03L/s沖刷裸露到穩(wěn)定狀態(tài)平面時均流動速率

過流量25.03L/s管線未沖狀態(tài)典型截面時均流動速率演變態(tài)勢如圖5所示，過流量25.03L/s不同層間時均流動速率演變范圍云狀態(tài)圖如圖6所示。由圖5—6可知：過流量較起沖狀態(tài)擴大0.25倍，由沖刷裸露到?jīng)_刷穩(wěn)定，時均流動速率在距離水面3cm高程的流層為值最大，其絕對值在40cm/s上下存在少些波動，此值是本次實驗起動流動速率的7.38倍左右，為該水面高程起沖狀態(tài)時均流速約13.33倍左右，因此得知管線實施防護非常必要，距離水面6cm的時均流動速率是起沖狀態(tài)時均流動速率的2.3倍上下，距離水面15cm平面的時均流動速率0～0.2cm/s，過流量狀態(tài)對平面時均流動速率的影響是越近泥沙底層則影響越小。

圖3 過流量20.05L/s管線未沖狀態(tài)典型截面時均流動速率演變態(tài)勢

圖4 過流量20.05L/s不同層間時均流動速率演變范圍云狀態(tài)圖

圖5 過流量25.03L/s管線未沖狀態(tài)典型截面時均流動速率演變態(tài)勢

圖6 過流量25.03L/s不同層間時均流動速率演變范圍云狀態(tài)圖

時均流動速率呈現(xiàn)管后大于管前狀態(tài)，3cm距水面高程的管后時均流動速率可達到41cm/s，管前時均流動速率是36cm/s，前者是后者的1.14倍；最大時均流動速率距離水面6cm高程位置，管前時均流動速率32.5cm/s，管后時均流動速率是35cm/s，后者是前者的1.08倍，管線先后均要求做防護。

流動速率云狀態(tài)演變范圍揭示，沖刷裸露到?jīng)_刷穩(wěn)定狀態(tài)，平面時均流動速率的影響范圍，管后為2.83倍管徑，管前為1.93倍管徑，因此實施管線沖沙處理設(shè)計時，宜在管線的前后面均布設(shè)置防護技術(shù)措施，并且防沖沙范圍要在2～3倍管線直徑范圍實施。

4 結(jié)語

本研究探討了特定過流量和特定管線沖刷狀態(tài)下的沖刷平面時均流動速率分布規(guī)律。主要收獲和結(jié)論是：①縱向分析視角來看，相對猛烈的水沙沖刷主要發(fā)生在距水面9cm高程往上區(qū)域；②以平向順流的分析視角來看，管后2.83倍管徑至管前1.93倍管徑為平面時均流動速率的主要影響范圍；③因此管線防沖沙設(shè)計需要在距水面9cm高程往上和2～3倍管線直徑范圍重點設(shè)計實施。

本試驗并未對管道兩端的沖刷進行數(shù)據(jù)測量，選取的是管線所在河道的中流區(qū)域，對于管線端部與中間部位的沖刷水力特性差異則需要今后繼續(xù)研究給與進一步的對比分析。