整平船對長江口導(dǎo)堤工程流場影響模型試驗研究

整平船對長江口導(dǎo)堤工程流場影響模型試驗研究

在長江口深水運河的處理工程中，中國港一航局二公司同意在項目的南導(dǎo)壩se段進(jìn)行建設(shè)。該項目位于九沙坪，海灘高度約為2.0.30米。該段采用拋石基床、半圓形預(yù)制構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀。傳統(tǒng)的基床面處理工藝為潛水員水下人工整平,而該工程地段潮差較大,流速急,人工整平操作難以確保工程進(jìn)度與質(zhì)量。該公司在施工組織設(shè)計中充分考慮了長江口工程特定的水文、氣象、地質(zhì)條件,采用一特制的整平船。利用高精度的GPS系統(tǒng)進(jìn)行船舶定位,坐底對導(dǎo)堤的基床拋石面進(jìn)行整平的先進(jìn)作業(yè)方式。潘斌等人對坐底式平臺的沉浮穩(wěn)定性進(jìn)行了研究;拾兵等人曾對障礙物后紊動水流的流速分布進(jìn)行了研究,但坐底式整平船在國內(nèi)尚屬首例。實踐表明,該整平船的采用為確保長江口深水航道整治工程的順利進(jìn)行發(fā)揮了重要的作用。在對類似的復(fù)雜工程課題研究中,試驗一般包括兩種手段,一是實驗室物理模型試驗;二是數(shù)學(xué)模型試驗。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,物理模型試驗一方面有某些功能可以被先進(jìn)的計算技術(shù)所替代,一方面卻深入到越來越多的領(lǐng)域,不僅具有重要的實用意義,而且具有廣闊的發(fā)展前景,如長江三峽工程的堤壩合攏等都有很好的例子。本課題研究采用了物理模型和數(shù)學(xué)模型兩種方法進(jìn)行,本文重點討論物理模型這一部分。由于整平船為坐底施工,在作業(yè)現(xiàn)場不可避免地會引起周圍流場發(fā)生變化,其影響范圍多大、引起流速變化多少以及能否引起導(dǎo)堤斷面底部兩側(cè)的軟體排發(fā)生變化是人們關(guān)注的問題,采用模型試驗是解決這個問題的有效方法。作者對不同斷面在不同潮位、流速、流向情況下,進(jìn)行了幾十個組次的模型試驗,主要測定分析了只有導(dǎo)堤(即有堤無船)和有整平船作業(yè)(即有堤有船)時對周圍流場的影響。本研究是在模型試驗的基礎(chǔ)上,分析了多種情況下流場的變化,為施工方案的比選以及施工中應(yīng)采取的措施提供了可靠的依據(jù)。1導(dǎo)堤堤頂標(biāo)高和斷坡面長試驗在青島海洋大學(xué)工程學(xué)院動力實驗室20m×6m×0.8m水槽內(nèi)進(jìn)行。導(dǎo)堤斷面方案采用兩種,①底標(biāo)高為-2.0m,半圓體半徑R=3.5m的斷面;②底標(biāo)高為-3.0m,半圓體半徑R=4.0m的斷面2。特征水位主要考慮設(shè)計高水位、設(shè)計低水位、洪季大潮漲急水位(高潮前約2h)、洪季大潮落急水位(低潮前約2h)、導(dǎo)堤堤頂標(biāo)高水位。水流流向主要考慮落潮、漲潮、與堤軸線呈垂直方向(由北向南)、與堤軸線呈45°斜方向(由上游至下游)。經(jīng)綜合考慮,取導(dǎo)堤實際長度為200m,導(dǎo)堤堤尾與船頭之間間距取40m。1.1模型建立與比尺該試驗為定床清水模型試驗,按重力相似律進(jìn)行設(shè)計,同時必須保證模型中水流的紊流狀態(tài),以滿足粘滯力的自模擬,要求模型雷諾數(shù)Re大于阻力平方區(qū)的臨界值。以明渠寬淺水流檢驗流場的流態(tài),取:其中:u為流速,h為水深,v為水的粘性系數(shù)。水深限制條件要求最小平均水深大于1.5cm。綜合考慮試驗要求與實驗室的條件,確定采用正態(tài)模型,模型的幾何比尺為1∶100,即λL=100,則所涉及的其他物理量參數(shù)的比尺為:速度比尺:λu=λ1/2LL1/2=10;時間比尺:λt=λ1/2LL1/2=10;重量比尺:λw=λ3LL3=106;糙率比尺:λn=λ1/6LL1/6=2.15;雷諾數(shù)比尺:λRe=λ3/2LL3/2=1000。試驗水文條件及試驗組次見表1。1.2模型結(jié)構(gòu)、尺寸試驗水池采用原土夯實為基底,用5～8cm厚水泥砂漿抹面,砂漿表面進(jìn)行壓光處理,再涂一層清漆,可滿足河床糙率要求。導(dǎo)堤半圓體結(jié)構(gòu)模型根據(jù)工程設(shè)計斷面要求,按幾何比尺進(jìn)行制作,材質(zhì)為高標(biāo)號水泥砂漿,并用砂紙磨光,表面涂清漆,尺寸誤差控制在±1.0mm以內(nèi)。模型尺寸見圖1、圖2。整平船模型根據(jù)提供的原型尺寸,按幾何比尺進(jìn)行制作,材質(zhì)為高標(biāo)號水泥砂漿并用砂紙磨光,表面涂清漆,尺寸誤差控制在±1.0mm以內(nèi)。整平船模型尺寸見圖3?；布白o(hù)肩塊石模型均按重量比尺經(jīng)人工挑選,誤差控制在±5%以內(nèi)。1.3水、池、水、測量儀器蓄水水槽:長30.0m,寬2.5m,深1.0m;試驗水池:長20.0m,寬6.0m,深0.8m;測量儀器:國產(chǎn)水位測針;日本產(chǎn)VM-201電磁式流速儀1.4水流速的調(diào)整利用水泵從地下水庫抽水至蓄水水槽,試驗水位、流速(流量)控制采取試驗水池兩側(cè)的雙活動堰及蓄水水槽和試驗水池之間的閥門進(jìn)行調(diào)整。調(diào)節(jié)過程中利用池壁水位標(biāo)記和池中心水位測針監(jiān)測水位,用流速儀監(jiān)測水流速,直至符合試驗給定的水位、流速值。當(dāng)試驗區(qū)水位和流速滿足試驗值,將導(dǎo)堤模型安放到預(yù)定位置,按照預(yù)先布畫的坐標(biāo)網(wǎng)格(10×10cm)測定各點流速值,可得無整平船時導(dǎo)堤附近流場流速分布,然后將整平船安放至施工位置,再測定坐標(biāo)網(wǎng)格各點流速值可得有整平船時附近流場流速分布34。2試驗測定斷面本次試驗分別對基床底標(biāo)高為-2m、-3m兩種斷面共進(jìn)行了22組次的試驗測定。對各組次又分無船和有船兩種情況,根據(jù)流向與堤軸線的方向關(guān)系分為:落潮、漲潮、垂直向、斜向45°進(jìn)行討論。2.1堤岸共同作用該情況下堤與船對施工區(qū)水域流場均有影響,堤對流場產(chǎn)生的影響可使流速最大值在小流速(0.5m/s、1.0m/s)時增加16%～32%,大流速(2.0m/s、2.96m/s)時增加13%;堤與船共同作用可使流速最大值在小流速時增加14%～56%,大流速時增加21%～23%,把堤對流場的影響扣除,整平船對流場的影響,可使流速最大值增加3%～18%。流速最大發(fā)生在洪季大潮落急水位與流速情況下(圖4),堤船共同作用產(chǎn)生流速最大值為3.59m/s(-3m斷面),比初始的2.96m/s增大了21%,船對流場影響范圍在60～120m以內(nèi),初始流速大時影響范圍也大。船舷兩側(cè)10m以內(nèi)流速普遍小于初始流速,20m以外流速開始變大,且超過初始流速,至40～70m達(dá)到最大值,40～70m以外逐漸變小并趨近于初始流速。堤尾與船頭之間和船尾后部為受遮蔽區(qū),流速普遍比初始流速小,且伴有渦的生成。2.2船對流場的影響堤與船對施工區(qū)水域流場均有影響,堤對流場產(chǎn)生的影響可使流速最大值增加13%～23.6%;堤與船共同作用可使流速最大值增加21%～33.5%,把堤對流場的影響扣除,整平船對流場的影響,使流速最大值增加3%～13%。流場受影響最大發(fā)生在洪季大潮漲急水位與流速情況下(圖5),堤船共同作用產(chǎn)生流速最大值為2.43m/s(-3m斷面),比初始的1.82m/s增大了33.5%,船對流場影響范圍在20～100m以內(nèi),初始流速大時影響范圍也大。船舷兩側(cè)15m以內(nèi)流速普遍小于初始流速,15m以外流速開始變大,且超過初始流速,至20～60m達(dá)到最大值,40～60m以外逐漸變小并趨近于初始流速。堤尾與船頭之間和船尾后部為受遮蔽區(qū),且形成渦動,流速普遍比初始流速小。2.3船堤對流場的影響堤與船對施工區(qū)水域流場均有較大范圍的影響,堤對流場產(chǎn)生的影響可使流速最大值增加23%～41%;堤與船共同作用下,可使流速最大值增加42%～77%,最大值為3.54m/s,出現(xiàn)在+2.0m水位,-3m斷面。把堤對流場的影響扣除,整平船對流場的影響,可使流速最大值增加15%～26%。船堤共同作用時,船堤之間形成流速較大的間隙流;船堤的迎流面形成阻擋區(qū),距中心線50～60m以內(nèi)流速普遍小于初始值;船堤的背流面為遮蔽區(qū),形成流速不大的渦旋,影響區(qū)為距船舷70～80m范圍;在船尾迎流面外角形成挑流,在距船尾10～20m處達(dá)到最大值后,開始衰減,至距船尾90～100m范圍趨近于初始流速(圖6)。2.4船堤對流場-3.0m斷面的結(jié)果45°堤與船對施工區(qū)水域流場均有較大范圍的影響,堤對流場產(chǎn)生的影響可使流速最大值增加27.5%～44.5%;堤與船共同作用下,可使流速最大值增加40.5%～73%,最大值為3.46m/s,出現(xiàn)在+2.0m水位,-3m斷面。把堤對流場的影響扣除,整平船對流場的影響,可使流速最大值增加10%～20%。船堤共同作用時,船堤之間形成流速較大的間隙流;船堤的迎流面形成阻擋區(qū),距中心線50～60m以內(nèi)流速普遍小于初始值;船堤的背流面為遮蔽區(qū),船的背流面形成左右兩個大小不等的呈動態(tài)交融狀的渦團(tuán),影響區(qū)為距船舷90～100m范圍;在船尾迎流面外角形成挑流,在距船尾15～30m處達(dá)到2.77m/s的最大值,至距船尾90～100m范圍趨近于初始流速(圖7)。3試驗結(jié)果滿足計劃學(xué)性能要求(1)試驗證實了整平船作為一種新型的港口與航道施工機具,以其獨特的優(yōu)點成功地在長江口航道治理工程中得到應(yīng)用,并會在以后的工程中發(fā)揮更大的作用,在施工時對其周圍的流場造成的影響,尚可滿足工程技術(shù)要求。(2)本次試驗