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        穿河管線沖刷速率平面時(shí)均分布狀態(tài)實(shí)驗(yàn)分析探究

        2020-06-02 00:25:58王亞月
        水利技術(shù)監(jiān)督 2020年3期
        關(guān)鍵詞:沖刷水面高程

        王亞月

        (烏魯木齊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院(有限責(zé)任公司)二分院,新疆 烏魯木齊 832000)

        時(shí)均流動(dòng)速率是指垂直方向流動(dòng)速率、橫向流動(dòng)速率以及縱向流動(dòng)速率的平方和的開(kāi)方結(jié)果。沖刷平面時(shí)均流動(dòng)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(jì)的重要參考技術(shù)項(xiàng)之一。

        1 水槽實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)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(xué)水利實(shí)驗(yàn)大廳實(shí)施的水槽沖刷實(shí)驗(yàn)。沖刷實(shí)驗(yàn)水槽為硬質(zhì)透明長(zhǎng)方形有機(jī)玻璃水槽,截面高程48cm,寬度42cm,長(zhǎng)度1228cm。

        實(shí)驗(yàn)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(rùn)和無(wú)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(shí)施模擬動(dòng)床實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置2個(gè)小滑動(dòng)車,實(shí)驗(yàn)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(gè),截面間距離取值25mm,從而形成總計(jì)11個(gè)測(cè)流截面,本文實(shí)驗(yàn)分析主要集中在4- 4、5- 5、6- 6、7- 7 4個(gè)典型截面。以間距是25mm的距離沿各測(cè)流截面布設(shè)10個(gè)測(cè)流垂線,按距離水面150、120、90、60、30mm的高程,各垂線分設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)量選用多普勒聲學(xué)流動(dòng)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(shí)驗(yàn)參數(shù)及工況

        本文實(shí)驗(yàn)分析主要集中在4- 4、5- 5、6- 6、7- 7 4個(gè)典型截面,在二維流動(dòng)速率分析前提下的時(shí)均流動(dòng)速率演變規(guī)律。實(shí)驗(yàn)?zāi)嗌撤诸惥唧w見(jiàn)表1。

        表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)嗌撤诸?/p>

        為保障過(guò)流量變化條件下,流動(dòng)速率伴隨演變但過(guò)流截面保持面積不變,實(shí)驗(yàn)以擋水板調(diào)控水面保持h=16cm不變。本實(shí)驗(yàn)所選用的過(guò)流量值具體見(jiàn)表2。

        表2 實(shí)驗(yàn)基本工況

        3 沖刷速率平面時(shí)均分布狀態(tài)分析

        3.1 過(guò)流量13.93L/s尚未沖刷的時(shí)均平面流動(dòng)速率

        過(guò)流量13.93L/s管線未沖狀態(tài)時(shí)典型截面時(shí)均流動(dòng)速率演變態(tài)勢(shì)如圖1所示,過(guò)流量13.93L/s不同層間時(shí)均流動(dòng)速率演變范圍云狀態(tài)圖如圖2所示。由圖1—2可知:這時(shí)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(kāi)始,垂向流動(dòng)速率負(fù)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(dòng)速率發(fā)生負(fù)值,沖刷截面變窄。

        最小流動(dòng)速率發(fā)生于近泥沙底層距水面15cm位置,其絕對(duì)流動(dòng)速率在0~0.2cm/s區(qū)間演變,本實(shí)驗(yàn)?zāi)嗌车牧鲃?dòng)起動(dòng)速率在5.42cm/s,最大時(shí)均流動(dòng)速率發(fā)生在距水面15cm位置,最大時(shí)均流動(dòng)速率0.045cm/s,相較于沙泥流動(dòng)所需要的起動(dòng)速率,該值低出許多,因此不能夠達(dá)成沖刷的效果。最大時(shí)均流動(dòng)速率在距水面3cm高程位置達(dá)成,時(shí)均流動(dòng)速率演變范圍集中于3~5cm/s區(qū)間,亦沒(méi)能達(dá)成泥沙流動(dòng)起動(dòng)所需要的速率。

        圖1 過(guò)流量13.93L/s管線未沖狀態(tài)時(shí)典型截面時(shí)均流動(dòng)速率演變態(tài)勢(shì)

        圖2 過(guò)流量13.93L/s不同層間時(shí)均流動(dòng)速率演變范圍云狀態(tài)圖

        距水面9cm和6cm高程的范圍演變?cè)茽顟B(tài)揭示,2.8倍管徑范圍為管周造成時(shí)均過(guò)流速率影響的有效范圍,管周時(shí)均流動(dòng)速率在4.5~6cm/s變動(dòng),其最大值可達(dá)6cm/s。對(duì)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(dòng),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(cè)量層,流動(dòng)速率演變范圍在0.5~1.4cm/s波動(dòng)。距水面3cm的時(shí)均速率其波動(dòng)強(qiáng)度是距水面12cm的約2.14~12倍。表明越遠(yuǎn)離泥沙底層,波動(dòng)時(shí)均速率的范圍起伏越大,狀態(tài)相對(duì)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(duì)劇烈。

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

        3.2 過(guò)流量20.05L/s起沖刷狀態(tài)時(shí)平面時(shí)均流動(dòng)速率

        過(guò)流量20.05L/s管線未沖狀態(tài)典型截面時(shí)均流動(dòng)速率演變態(tài)勢(shì)如圖3所示,過(guò)流量20.05L/s不同層間時(shí)均流動(dòng)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(shí)均流動(dòng)速率演變范圍在2~3.5cm/s間波動(dòng),距水面9cm高程流動(dòng)速率值為4~6cm/s,達(dá)成了泥沙的起動(dòng)所需流速,水面開(kāi)始呈現(xiàn)出渾濁狀態(tài)。

        點(diǎn)線圖揭示,時(shí)均流動(dòng)速率值在各測(cè)量液面均呈劇烈波動(dòng)狀態(tài),均不同程度發(fā)生了拐點(diǎn),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(xì)孔隙通道在管周得以形成,過(guò)流大量入滲到越來(lái)越多的孔隙中,量變終致質(zhì)變,管涌現(xiàn)象形成,流動(dòng)速率隨即呈現(xiàn)劇烈波動(dòng)狀態(tài)。

        底部流層的流動(dòng)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(dòng)區(qū)間多在2~3.5cm/s區(qū)間,其最大值直至可達(dá)到4cm/s左右。形成這種情況的原因主要是,水位不變但過(guò)流量加大條件下,翻滾的模型沙動(dòng)力戰(zhàn)勝了摩擦阻力,形成模型沙抬升的勢(shì)能和運(yùn)動(dòng)過(guò)流的動(dòng)能,過(guò)流不斷帶走模型沙,致使近底層最終達(dá)成管線起沖狀態(tài)。

        液面層流動(dòng)速率變化揭示,流動(dòng)速率值與過(guò)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(dá)到未沖時(shí)均流動(dòng)速率的10倍。

        3.3 過(guò)流量25.03L/s沖刷裸露到穩(wěn)定狀態(tài)平面時(shí)均流動(dòng)速率

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

        圖3 過(guò)流量20.05L/s管線未沖狀態(tài)典型截面時(shí)均流動(dòng)速率演變態(tài)勢(shì)

        圖4 過(guò)流量20.05L/s不同層間時(shí)均流動(dòng)速率演變范圍云狀態(tài)圖

        圖5 過(guò)流量25.03L/s管線未沖狀態(tài)典型截面時(shí)均流動(dòng)速率演變態(tài)勢(shì)

        圖6 過(guò)流量25.03L/s不同層間時(shí)均流動(dòng)速率演變范圍云狀態(tài)圖

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

        流動(dòng)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(shí)均流動(dòng)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(shí)施管線沖沙處理設(shè)計(jì)時(shí),宜在管線的前后面均布設(shè)置防護(hù)技術(shù)措施,并且防沖沙范圍要在2~3倍管線直徑范圍實(shí)施。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本研究探討了特定過(guò)流量和特定管線沖刷狀態(tài)下的沖刷平面時(shí)均流動(dòng)速率分布規(guī)律。主要收獲和結(jié)論是:①縱向分析視角來(lái)看,相對(duì)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(lái)看,管后2.83倍管徑至管前1.93倍管徑為平面時(shí)均流動(dòng)速率的主要影響范圍;③因此管線防沖沙設(shè)計(jì)需要在距水面9cm高程往上和2~3倍管線直徑范圍重點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)施。

        本試驗(yàn)并未對(duì)管道兩端的沖刷進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量,選取的是管線所在河道的中流區(qū)域,對(duì)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(jìn)一步的對(duì)比分析。

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