整平船對(duì)長(zhǎng)江口導(dǎo)堤工程流場(chǎng)影響模型試驗(yàn)研究

整平船對(duì)長(zhǎng)江口導(dǎo)堤工程流場(chǎng)影響模型試驗(yàn)研究

在長(zhǎng)江口深水運(yùn)河的處理工程中，中國(guó)港一航局二公司同意在項(xiàng)目的南導(dǎo)壩se段進(jìn)行建設(shè)。該項(xiàng)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(jì)中充分考慮了長(zhǎng)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(duì)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(duì)坐底式平臺(tái)的沉浮穩(wěn)定性進(jìn)行了研究;拾兵等人曾對(duì)障礙物后紊動(dòng)水流的流速分布進(jìn)行了研究,但坐底式整平船在國(guó)內(nèi)尚屬首例。實(shí)踐表明,該整平船的采用為確保長(zhǎng)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(duì)類似的復(fù)雜工程課題研究中,試驗(yàn)一般包括兩種手段,一是實(shí)驗(yàn)室物理模型試驗(yàn);二是數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,物理模型試驗(yàn)一方面有某些功能可以被先進(jìn)的計(jì)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(shí)用意義,而且具有廣闊的發(fā)展前景,如長(zhǎng)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(diǎn)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(chǎng)不可避免地會(huì)引起周圍流場(chǎng)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?jī)蓚?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(yàn)是解決這個(gè)問題的有效方法。作者對(duì)不同斷面在不同潮位、流速、流向情況下,進(jìn)行了幾十個(gè)組次的模型試驗(yàn),主要測(cè)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(shí)對(duì)周圍流場(chǎng)的影響。本研究是在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分析了多種情況下流場(chǎng)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(zhǎng)試驗(yàn)在青島海洋大學(xué)工程學(xué)院動(dòng)力實(shí)驗(yàn)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(jì)高水位、設(shè)計(jì)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(shí)際長(zhǎng)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(yàn)為定床清水模型試驗(yàn),按重力相似律進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)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(yàn)流場(chǎng)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(yàn)要求與實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yàn)水文條件及試驗(yàn)組次見表1。1.2模型結(jié)構(gòu)、尺寸試驗(yàn)水池采用原土夯實(shí)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(jì)斷面要求,按幾何比尺進(jìn)行制作,材質(zhì)為高標(biāo)號(hào)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(hào)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(cè)量?jī)x器蓄水水槽:長(zhǎng)30.0m,寬2.5m,深1.0m;試驗(yàn)水池:長(zhǎng)20.0m,寬6.0m,深0.8m;測(cè)量?jī)x器:國(guó)產(chǎn)水位測(cè)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(kù)抽水至蓄水水槽,試驗(yàn)水位、流速(流量)控制采取試驗(yàn)水池兩側(cè)的雙活動(dòng)堰及蓄水水槽和試驗(yàn)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(cè)針監(jiān)測(cè)水位,用流速儀監(jiān)測(cè)水流速,直至符合試驗(yàn)給定的水位、流速值。當(dāng)試驗(yàn)區(qū)水位和流速滿足試驗(yàn)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(cè)定各點(diǎn)流速值,可得無整平船時(shí)導(dǎo)堤附近流場(chǎng)流速分布,然后將整平船安放至施工位置,再測(cè)定坐標(biāo)網(wǎng)格各點(diǎn)流速值可得有整平船時(shí)附近流場(chǎng)流速分布34。2試驗(yàn)測(cè)定斷面本次試驗(yàn)分別對(duì)基床底標(biāo)高為-2m、-3m兩種斷面共進(jìn)行了22組次的試驗(yàn)測(cè)定。對(duì)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(duì)施工區(qū)水域流場(chǎng)均有影響,堤對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響可使流速最大值在小流速(0.5m/s、1.0m/s)時(shí)增加16%～32%,大流速(2.0m/s、2.96m/s)時(shí)增加13%;堤與船共同作用可使流速最大值在小流速時(shí)增加14%～56%,大流速時(shí)增加21%～23%,把堤對(duì)流場(chǎng)的影響扣除,整平船對(duì)流場(chǎng)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(duì)流場(chǎng)影響范圍在60～120m以內(nèi),初始流速大時(shí)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(duì)流場(chǎng)的影響堤與船對(duì)施工區(qū)水域流場(chǎng)均有影響,堤對(duì)流場(chǎng)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(duì)流場(chǎng)的影響扣除,整平船對(duì)流場(chǎng)的影響,使流速最大值增加3%～13%。流場(chǎng)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(duì)流場(chǎng)影響范圍在20～100m以內(nèi),初始流速大時(shí)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(dòng),流速普遍比初始流速小。2.3船堤對(duì)流場(chǎng)的影響堤與船對(duì)施工區(qū)水域流場(chǎng)均有較大范圍的影響,堤對(duì)流場(chǎng)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(duì)流場(chǎng)的影響扣除,整平船對(duì)流場(chǎng)的影響,可使流速最大值增加15%～26%。船堤共同作用時(shí),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(duì)流場(chǎng)-3.0m斷面的結(jié)果45°堤與船對(duì)施工區(qū)水域流場(chǎng)均有較大范圍的影響,堤對(duì)流場(chǎng)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(duì)流場(chǎng)的影響扣除,整平船對(duì)流場(chǎng)的影響,可使流速最大值增加10%～20%。船堤共同作用時(shí),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(gè)大小不等的呈動(dòng)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(yàn)結(jié)果滿足計(jì)劃學(xué)性能要求(1)試驗(yàn)證實(shí)了整平船作為一種新型的港口與航道施工機(jī)具,以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成功地在長(zhǎng)江口航道治理工程中得到應(yīng)用,并會(huì)在以后的工程中發(fā)揮更大的作用,在施工時(shí)對(duì)其周圍的流場(chǎng)造成的影響,尚可滿足工程技術(shù)要求。(2)本次試驗(yàn)