朱 昊，王茂枚，婁 丹，羅 青，劉曉兵

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；2.南京國(guó)環(huán)科技股份有限公司，江蘇 南京 210004；3.如皋市新瀠水利市政工程有限公司，江蘇 如皋 226500)

人類活動(dòng)、自然變遷和強(qiáng)厄爾尼諾現(xiàn)象的綜合作用，導(dǎo)致長(zhǎng)江水沙條件的變化，江水對(duì)堤岸沖刷加劇，甚至造成江堤崩塌險(xiǎn)情[1]。近年來(lái)長(zhǎng)江下游實(shí)施了多項(xiàng)大型綜合整治工程，水下拋投護(hù)岸無(wú)一例外都是這些工程的重要環(huán)節(jié)[2-3]。

在整個(gè)拋投施工過(guò)程中，將塊石拋投到指定的位置，確保拋落的石塊下落至指定范圍是影響拋投施工質(zhì)量與效率的關(guān)鍵。采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行拋投漂距的計(jì)算是目前較為常用的手段，較多學(xué)者提出各自的理論公式[4-6]。由于以往缺乏先進(jìn)的監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)確定拋投測(cè)定漂距技術(shù)難度較大[7-8]，廣泛應(yīng)用的拋投漂距經(jīng)驗(yàn)公式大多是由室內(nèi)水槽試驗(yàn)推導(dǎo)得出的。然而，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果顯示實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值的誤差較大[9]。此外，隨著環(huán)境保護(hù)等諸多因素，亟需探尋新的拋投材料以及防護(hù)工藝[10]，袋裝沙枕工藝便應(yīng)運(yùn)而生[11]。

因此，本文針對(duì)新型拋投材料通過(guò)漂移距理論公式推導(dǎo)以及現(xiàn)場(chǎng)拋投試驗(yàn)相結(jié)合的方法探求更加科學(xué)及可靠的漂移距公式，所得成果可為節(jié)約塊石資源、解決天然河流拋投距離相關(guān)理論提供依據(jù)。

1 拋投現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況

1.1 材料準(zhǔn)備

采用黃家洲邊灘采沙區(qū)為袋裝沙枕的充填沙源。對(duì)指定的采沙區(qū)河床進(jìn)行取樣，測(cè)定篩分析、含泥量、泥塊含量、堆積密度、表觀密度。袋裝沙土枕土工布等效孔徑O95≤0.5d85(d85為袋裝沙土枕充填料的特征粒徑)。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有：1艘拋枕船、1艘定位船、1艘吸沙船、2艘運(yùn)輸船、1艘交通船、1艘警戒船、3套充沙設(shè)備、 2臺(tái)定位儀、2套南方自由行軟件、1臺(tái)測(cè)深儀、1臺(tái)流速儀等。

1.2 拋投施工流程

首先在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)格劃分，把整個(gè)試驗(yàn)區(qū)劃分成每個(gè)小區(qū)域，進(jìn)行定位船精準(zhǔn)定位，然后把沙枕平鋪在拋投船上，對(duì)沙枕充沙，而后沙枕拋投。在一次拋投結(jié)束后，移動(dòng)定位船并重新定位，再次對(duì)沙枕充沙，最后在拋投前、結(jié)束拋投后進(jìn)行多波束水下地形測(cè)量。

1.3 試驗(yàn)場(chǎng)地選取

施工原則按照從上游向下游、從遠(yuǎn)岸向近岸、從深泓到淺灘、從底部到頂部的順序進(jìn)行，拋枕施工時(shí)必須劃分小區(qū)，準(zhǔn)確定位、定量拋投。先對(duì)深槽坑坎處理是便于后期施工陡坡的關(guān)鍵。深槽坑坎拋填是沙枕拋填的基礎(chǔ)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具有適用性和代表性，更具有指導(dǎo)施工的意義。

工程所在區(qū)域八卦洲洲頭水流情況復(fù)雜多變，漂距的大小與流速、流向等因素有關(guān)，確定的水流流場(chǎng)、調(diào)整定位方向可將漂距誤差最大限度降低，保證沙枕拋填準(zhǔn)確性。經(jīng)綜合考慮以沙枕拋填分部工程一單元(高程-16～-15 m)作為本次拋投試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)段符合施工規(guī)范要求的拋投順序從上游到下游、從底部到頂部的施工原則。

1.4 多波束水下測(cè)量

多波束測(cè)深系統(tǒng)是用于測(cè)量水下地形、地貌的大型測(cè)繪設(shè)備組合。它使用水下傳感器，發(fā)射扇波束并接收從海底反射回來(lái)的回波信號(hào)。本試驗(yàn)采用Sonic2024型超高分辨率多波束測(cè)深系統(tǒng)、美國(guó)天寶公司R7GPS、OCTANS光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器、Atlas雙頻測(cè)深儀、全站儀、miniSVP聲速剖面儀等。

在吸收和借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的多波束軟件設(shè)計(jì)思想和開(kāi)發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文將多波束測(cè)深數(shù)據(jù)按以下順序處理：1)將多波束系統(tǒng)設(shè)置并安裝好，在拋投前、后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地形地貌的測(cè)量，讀取初始地形數(shù)據(jù)；2)將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入caris軟件中進(jìn)行定位編輯，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；3)建立聲速文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)修正；4)導(dǎo)入潮位數(shù)據(jù)并進(jìn)行修正；5)進(jìn)行線檢查等其他數(shù)據(jù)檢查，然后準(zhǔn)備成圖。

整個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程是以提供海洋環(huán)境可視化產(chǎn)品為最終目的，多波束系統(tǒng)采集的所有地形數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，建立較為完善的原始數(shù)據(jù)與結(jié)果數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)水深數(shù)據(jù)的映射。

2 沙枕漂移距影響因素分析

沙枕漂移距離(簡(jiǎn)稱漂距)是指沙枕從入水至著床的過(guò)程中，在水流作用下所產(chǎn)生的水平距離，其受水流速度及流態(tài)、河水深度等因子影響，既有一定的規(guī)律性，又呈現(xiàn)出一定的隨機(jī)性。

水流的沖擊作用是拋投產(chǎn)生水平漂移的主要原因[12]，沖擊力大小與水流流速有關(guān)，分析沙枕漂移影響因子本身屬性特征，研究水流速度、河水深度、沙枕質(zhì)量、水流流速垂向分布對(duì)拋投漂移的作用效果和作用機(jī)理是解決天然河流環(huán)境特定條件下拋投落點(diǎn)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

2.1 水深、流速、沙枕質(zhì)量的影響

為了考察沙枕落點(diǎn)距離與水深、流速、質(zhì)量的影響，分別進(jìn)行4組控制變量試驗(yàn)。水深為32 m，保證水深和沙枕本身質(zhì)量不變，流速分別為0.677、0.820、1.000、1.200 m/s的漂距計(jì)算值與試驗(yàn)值比較見(jiàn)圖1a)；流速為1.000 m/s，保證流速和沙枕本身質(zhì)量不變，水深分別為30、33、35、40 m的漂距計(jì)算值與試驗(yàn)值比較見(jiàn)圖1b)；水深為32 m，流速為1.000 m/s，保證水深和流速不變，沙枕質(zhì)量分別為12.72、12.76、12.80、12.96 t下的漂距計(jì)算值與試驗(yàn)值比較見(jiàn)圖1c)。可以看出，袋裝沙枕漂距隨水深的增加而增大，反之則減?。浑S流速的增加而增大，反之則減?。浑S沙枕本身質(zhì)量的增加而減小，反之隨沙枕本身質(zhì)量的減小而增大。不同水深、流速的漂距均值和均方差非常接近，遠(yuǎn)大于沙枕質(zhì)量。可見(jiàn)水深、流速是主要因素，而沙枕質(zhì)量對(duì)漂距影響居次要地位。

圖1 控制變量下漂距計(jì)算值與試驗(yàn)值比較

2.2 垂線流速分布對(duì)漂距的影響

根據(jù)水流速度數(shù)據(jù)的垂直分布試驗(yàn)結(jié)果[13]，在沙枕下沉過(guò)程中，水流流速垂向呈指數(shù)型分布，對(duì)沙枕漂距的影響主要取決于最大流速(水面流速)。為了考察流速垂線分布對(duì)沙枕漂距的影響，分別取流速分布指數(shù)n為1/12、1/8、1/4進(jìn)行計(jì)算分析，s1/12-s1/8和s1/12-s1/4為不同垂線流速分布指數(shù)時(shí)塊石漂距的差值。由圖2可看出，各差值隨水深的增大而減小，隨水深的減小而增大，隨水面流速的增大而增大。因此，在大水深或大流速的情況下，應(yīng)該多考慮水流實(shí)際流速在垂線方向上分布的影響。

圖2 不同流速垂線分布時(shí)的塊石漂距差值

2.3 沙枕充填時(shí)間與充填度之間的關(guān)系

本次沙枕的充填度不小于70%，研究施工時(shí)如何能在最短的時(shí)間內(nèi)充填達(dá)到設(shè)計(jì)要求是沙枕充填試驗(yàn)的目的，試驗(yàn)步驟為：

1)單位時(shí)間充填完成的沙袋稱質(zhì)量(m)，并進(jìn)行編號(hào)記錄。

2)對(duì)已稱質(zhì)量的沙袋測(cè)定含水率，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

①稱量干燥容器的質(zhì)量(m1)。

②取沙袋上、中、下3層各約500 g的樣品，充分混合。樣品以已知質(zhì)量放入干燥容器中，記錄每個(gè)樣品和容器的總質(zhì)量(m2)。

③容器和樣品置于鼓風(fēng)爐中，干燥溫度在105 ℃左右，烘干至質(zhì)量恒定。

④將烘干后的樣品與容器稱質(zhì)量，并記錄總質(zhì)量(m3)。

⑤按下式計(jì)算含水率：

w=(m2-m3)/(m3-m1)

(1)

填充時(shí)間8 min時(shí)的充盈率試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，可見(jiàn)不同質(zhì)量不同含水率的沙枕充盈率基本滿足設(shè)計(jì)要求的70%。

表1 充盈率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 拋體漂距公式的推導(dǎo)

沙枕下沉?xí)r的有效重力：

(2)

式中：ρs為袋裝沙枕的密度，它與袋裝沙枕的充填物質(zhì)、充填壓實(shí)程度等因素有關(guān)；ρ為長(zhǎng)江中清水的密度；d1、d2分別為沙枕的寬度、高度；k1為折算系數(shù)，計(jì)算整個(gè)袋裝沙枕為橢圓形的折減系數(shù)。假設(shè)袋裝沙枕的長(zhǎng)度為l1，橫截面積的長(zhǎng)軸為d1、短軸為d2橢圓。

實(shí)際試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)江水流流速較高，雷諾數(shù)較大，袋裝沙枕在沉降過(guò)程中能夠引起四周水體的擾動(dòng)，屬于紊動(dòng)沉降狀態(tài)，根據(jù)泥沙沉速的研究成果，沙枕在水流中受到的繞流阻力可表示為：

(3)

式中：CD為袋裝沙枕沉降過(guò)程中受到的繞流阻力系數(shù)；A為袋裝沙枕下沉過(guò)程中形成的繞流阻力面積，其值為d1l1；ω為袋裝沙枕在水體中下降的沉速。

考慮袋裝沙枕長(zhǎng)江水體運(yùn)動(dòng)時(shí)受到垂直向上的力和其在水中的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)牛頓第二定律得：

W-F=m′a

(4)

式中：m′為袋裝沙枕本身的質(zhì)量；a為袋裝沙枕在長(zhǎng)江中下沉中的加速度。將式(2)(3)、m′及a代入式(4)可得：

(5)

解式(5)可得：

(6)

(7)

(8)

式中：t為沙枕落水時(shí)間；p1為反映與長(zhǎng)江水流與袋裝沙枕的物理特性有關(guān)的因子；p2為反映與袋裝沙枕的尺寸、形狀、充填物等有關(guān)的影響因子；c為常數(shù)，在水面的初始條件下，將t=0，ω=0代入式(6)，可得出c=0，則式(6)可以寫為：

(9)

(10)

式中：K為系數(shù)，與水體中水流流速垂向繞流阻力系數(shù)、袋裝沙枕在水中下沉狀態(tài)等有關(guān)。

將式(9)結(jié)合式(10)，可得：

(11)

在已知袋裝沙枕在水中的下沉速度時(shí)，可以推算出袋裝沙枕沉降到不同水流深度所需要時(shí)間，即：

(12)

式中：y為沙枕距離水面的垂直距離；c1為常數(shù)，根據(jù)式(11)和初始狀態(tài)的t=0、y=0代入式(12)可得：

(13)

將式(13)代入式(12)可得：

(14)

當(dāng)y=H時(shí)，由式(14)可得：

(15)

沙枕水平作用力只有水流對(duì)沙枕的力，根據(jù)牛頓第二定律得：

(16)

式中：CD2為沙枕受到的水平繞流阻力系數(shù)；u為袋裝沙枕拋投出的水流運(yùn)動(dòng)速度；v為沙枕在水中下落過(guò)程中的水平方向的運(yùn)動(dòng)速度；l1為沙枕長(zhǎng)軸順?biāo)鞣较驍[放的在水中的投影；α1為修正系數(shù)，考慮到對(duì)長(zhǎng)江天然河道水流流速垂向分布式(14)，并由初始條件t=0、v=0確定常數(shù)后，可得沙枕水平運(yùn)動(dòng)速度：

(17)

式中：u′為沙枕在水中的速度；Kt為沉降時(shí)間t的函數(shù)，當(dāng)t→0時(shí)Kt→0有v→0，當(dāng)t→+∞時(shí)Kt→1有v→u′。

(18)

式中：α2為與沙枕形狀、大小、密度等有關(guān)的綜合系數(shù)。對(duì)于給定位置的河水深度，可以由式(14)求得沙枕在下沉過(guò)程中的沉降時(shí)間t0(即t-Δt)，再將t0代入式(18)，即可得到沙枕漂距的計(jì)算公式。

4 漂距公式現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

4.1 拋投試驗(yàn)方法

由于沙枕落水后至河床的漂距受多重因素相互影響，難以用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。因此，沙枕的漂距主要還是依靠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定，施工時(shí)采用多波束實(shí)時(shí)測(cè)量沙枕落地位置，通過(guò)落地位置與目標(biāo)位置之間的關(guān)系，調(diào)整定位船位置，同時(shí)修正漂距公式中的K值，最終通過(guò)不斷調(diào)整，達(dá)到能通過(guò)漂距公式準(zhǔn)確算出漂距，為大規(guī)模施工提供數(shù)據(jù)支持。試拋沙枕漂距的測(cè)定方法如圖3所示。

圖3 沙枕漂距測(cè)定

表2 沙枕漂距拋投試驗(yàn)工況

4.2 現(xiàn)場(chǎng)拋投試驗(yàn)結(jié)果

驗(yàn)證資料采用長(zhǎng)江中下游南京八卦洲試驗(yàn)河段沙枕拋投的資料，根據(jù)袋裝沙枕的設(shè)計(jì)尺寸l1=8.5 m、d1=1.6 m、d2=0.5 m計(jì)算出沙枕沉速隨K值變化曲線，由圖4可看出，當(dāng)時(shí)間t≤1 s時(shí)，ω/ω0隨K值的減小而增大；當(dāng)t為1.0、1.5、2.0、2.5 s時(shí)，ω/ω0隨K值的變化見(jiàn)表3，當(dāng)t=2.0 s時(shí)，5條曲線趨于穩(wěn)定；當(dāng)K=0.8時(shí)，ω/ω0已達(dá)到0.999，可以認(rèn)為基本達(dá)到勻速沉降。

圖4 不同K值情況下沙枕沉速與時(shí)間關(guān)系

根據(jù)長(zhǎng)江中下游南京八卦洲試驗(yàn)河段實(shí)測(cè)水深、流速等資料，采用以上動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算沙枕漂距，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)及相對(duì)誤差見(jiàn)表3。可以看出，上述推導(dǎo)出的袋裝沙枕漂移距計(jì)算公式與實(shí)際拋投試驗(yàn)值誤差在20%以內(nèi)，表明本文所述方法能夠較好地計(jì)算漂距。

表3 拋距試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

1)袋裝沙枕漂距隨水深的增加而增大，隨流速的增加而增大，隨沙枕本身質(zhì)量的增加而減小。水深、流速是主要因素，在大水深或大流速的情況下，應(yīng)多考慮水流流速在垂線上分布的影響。

2)本文基于水力學(xué)推導(dǎo)的漂距公式，在通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得參數(shù)后可較好地預(yù)測(cè)袋裝沙枕的漂移距離，可以運(yùn)用到長(zhǎng)江其他河段的拋投施工中，為長(zhǎng)江河道整治工程的順利實(shí)施提供參考依據(jù)。

3)現(xiàn)有拋距計(jì)算公式是將水流流速沿水深方向的分布假定為指數(shù)分布，當(dāng)工程區(qū)靠近河口受潮汐影響時(shí)，在流向轉(zhuǎn)變時(shí)刻表層流速與底層流速可能出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，須針對(duì)轉(zhuǎn)流時(shí)刻流速分布規(guī)律對(duì)拋距公式進(jìn)行改良，以減少誤差。