李子越

(阜新市佳音工程項(xiàng)目管理有限公司，遼寧 阜新 123000)

0 前 言

在水庫、閘壩建設(shè)工程中，水下工程拋石主要通過水下夯錘進(jìn)行夯擊加固，不同夯錘類型受到水流繞流影響其夯擊效果及效能差異十分明顯，亟需對(duì)不同夯錘類型下的水流繞流進(jìn)行分析，從而提高夯錘的擊效果及效能[1]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者已逐步展開對(duì)夯錘下的水流繞流影響分析[2-10]，各研究成果均表明夯錘類型對(duì)水流繞流影響顯著，不同夯錘類型下其水流繞流的阻力系數(shù)分布不同，從而影響其夯擊效果及效能。但這些研究成果大都未能對(duì)不同夯錘類型下水流繞流的變化規(guī)律進(jìn)行探討。為提高水下夯錘效率，文章采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同水下夯錘類型下的水流繞流進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而確定最優(yōu)的夯錘類型。研究成果對(duì)于水庫、閘壩建設(shè)工程施工具有重要參考價(jià)值。

1 數(shù)值模擬方法

不同類型夯錘在水下的水流非均勻運(yùn)動(dòng)方程為：

mg-ρwgV-Fs=ma

(1)

(2)

式中：m為夯錘質(zhì)量，t；V為夯錘體積，m3；Fs為繞流阻力，kPa；Cf為阻力系數(shù)；ν為速度相對(duì)值，m3/s；w為夯錘縱向面積，m2；ρw為水體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。對(duì)上述方程進(jìn)行微分求解：

(3)

式中：x為夯錘擊打距離，m；V為夯錘擊打速率，m/s；η為質(zhì)量比。相對(duì)速度初始計(jì)算方程為：

(4)

式中：k為摩擦阻力。夯錘的擊打效能計(jì)算方程為：

(5)

式中：J'為夯擊效能，J；J為為夯擊最大動(dòng)能，J。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 模擬參數(shù)分析

對(duì)不同類型夯錘的主要參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，各類型夯錘的主要參數(shù)，見表1。

表1 各類型夯錘的主要參數(shù)

在各類型夯錘的主要參數(shù)設(shè)定基礎(chǔ)上，對(duì)各類型夯錘的擊打高度進(jìn)行了設(shè)置，本次數(shù)值模擬計(jì)算夯錘的擊打高度設(shè)置為5.5m，結(jié)合數(shù)值模擬方法，對(duì)各類型夯錘擊打速率、擊打效能進(jìn)行模擬分析。為提高數(shù)值模擬效率，不設(shè)定初始計(jì)算邊界，通過重復(fù)試驗(yàn)計(jì)算，當(dāng)水面寬度為4m時(shí)數(shù)值模擬計(jì)算可獲得收斂解。

2.2 夯錘類型下壓力分析

對(duì)不同夯錘下落高度下的不同點(diǎn)位擊打效能進(jìn)行計(jì)算分析，夯錘下落高度為3.0時(shí)各點(diǎn)位擊打效能分析結(jié)果，見表2；夯錘下落高度為5.5時(shí)各點(diǎn)位擊打效能分析結(jié)果，見表3。

表2 夯錘下落高度為3.0時(shí)各點(diǎn)位擊打效能分析結(jié)果

表3 夯錘下落高度為5.5時(shí)各點(diǎn)位擊打效能分析結(jié)果

從擊打數(shù)值模擬分析可看出，當(dāng)夯錘下落高度為3.0m時(shí)4次夯和6次夯下圓柱型夯錘擊打效能最高可分別達(dá)到14.6kPa和20.1kPa，4次夯和6次夯下圓臺(tái)型夯錘擊打效能最高可分別達(dá)到30.2kpa和31.1kpa，在相同下落高度下，對(duì)于同一個(gè)夯錘而言其壓力值隨著夯次的增加而加大。當(dāng)夯錘下落高度為5.0m時(shí)達(dá)到最大夯擊高度，各類型夯錘變化規(guī)律較為相似，在相同夯次下，各擊打點(diǎn)圓柱型夯錘擊打壓力要低于圓臺(tái)型夯錘。因此在工程實(shí)際過程中，圓柱型夯錘效果要低于圓臺(tái)型夯錘擊打效果。

2.3 夯錘類型下夯沉量分析

結(jié)合水下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)夯錘類型影響下的夯沉量進(jìn)行計(jì)算分析，夯錘下落高度為2.5時(shí)各點(diǎn)位夯沉量分析結(jié)果，見表4；夯錘下落高度為5.5時(shí)各點(diǎn)位夯沉量分析結(jié)果，見表5。

表4 夯錘下落高度為2.5時(shí)各點(diǎn)位夯沉量分析結(jié)果

表5 夯錘下落高度為5.5時(shí)各點(diǎn)位夯沉量分析結(jié)果

從不同夯錘下落高度下的各點(diǎn)位夯沉量分析結(jié)果可看出，夯錘的夯沉量隨著夯次的增加而逐步遞減3次夯下各夯錘類型的夯沉率最大，可分別達(dá)到10.53%和27.01%。因此在工程建設(shè)過程中，應(yīng)盡量降低圓柱型夯錘夯次，從而提高其夯擊效果。圓柱型夯錘的夯沉率及夯沉量在相同夯錘下落高度下要低于圓臺(tái)型夯錘。相同夯錘類型下隨著夯錘下落高度的增加其夯沉量和夯沉相應(yīng)提高，但遞增幅度隨著夯錘下落高度增加而有所減少。

2.4 夯錘尺寸對(duì)夯擊效果影響分析

對(duì)不同夯錘尺寸下的夯擊效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析，夯錘尺寸參數(shù)取值情況，見表6。

表6 夯錘尺寸參數(shù)取值情況

在夯錘尺寸設(shè)置基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)不同夯錘尺寸下的夯擊效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過分析表明在相同水壓和夯錘下落高度下，夯錘尺寸越大其夯擊速率越高。夯擊速率為13m/s達(dá)到最大夯擊效能。此后隨著夯擊速率提高其夯擊效能變化較為穩(wěn)定。

不同夯錘尺寸其夯擊速率變化較為平穩(wěn)。夯擊效能隨著夯錘尺寸增加而逐步遞減。當(dāng)夯錘擊打下落高度達(dá)到5.0m時(shí)期夯擊效能達(dá)到最佳。

3 結(jié) 論

1)各類型夯錘變化規(guī)律較為相似，在相同夯次下，各擊打點(diǎn)圓柱型夯錘擊打壓力要低于圓臺(tái)型夯錘。因此在工程實(shí)際過程中，圓柱型夯錘效果要低于圓臺(tái)型夯錘擊打效果。

2)相同夯錘類型下隨著夯錘下落高度的增加其夯沉量和夯沉相應(yīng)提高，但遞增幅度隨著夯錘下落高度增加而有所減少。

3)不同夯錘尺寸其夯擊速率變化較為平穩(wěn)。夯擊效能隨著夯錘尺寸增加而逐步遞減。當(dāng)夯錘擊打下落高度達(dá)到5.0m時(shí)期夯擊效能達(dá)到最佳。