李嘉興

(遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

0 前 言

水下夯錘主要在水庫(kù)、閘壩建設(shè)工程中對(duì)水下拋石進(jìn)行夯實(shí)加固，水流繞流對(duì)不同類型夯錘的夯擊效能影響較為明顯[1]。不同類型下水下夯錘由于水流繞流作用的影響，其夯擊效能差異程度較大。因此需要對(duì)不同類型水下夯錘的夯擊效能進(jìn)行試驗(yàn)分析，從而提高水下夯錘的夯擊效能[2]。近些年來，通過一些水利工程建設(shè)實(shí)際，水下夯錘的夯擊效能分析取得一定的研究成果[3-9]，但這些方法大都采用水下試驗(yàn)的方式進(jìn)行，這種方式的優(yōu)點(diǎn)在能較為真實(shí)的反應(yīng)水下夯錘的夯擊效能，適用于大型水利工程建設(shè)，但對(duì)于一些小型水利工程而言，這種方式需要耗費(fèi)大量的人力和物力，需要結(jié)合一種另外一種方式進(jìn)行不同類型水下夯錘的夯擊效能分析。當(dāng)前，水力學(xué)方法可以對(duì)水流繞流阻力進(jìn)行較好的計(jì)算分析，而不同類型下水下夯錘的夯擊效能可通過對(duì)水流繞流阻力計(jì)算得到，為此文章以水力學(xué)方法，通過對(duì)不同類型水下夯錘的水流繞流阻力進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)其各類型水下夯錘的夯擊效能分計(jì)算提供一種方法參考。

1 夯擊效能計(jì)算方法

采用水流非均勻運(yùn)動(dòng)方程對(duì)不同類型水下夯錘的水流繞流阻力計(jì)算：

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)；v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

文章主要選用6種尺寸參數(shù)的水下夯錘進(jìn)行各類型夯錘的夯擊效能分析，不同類型水系夯錘的尺寸特征值，見表1。

表1 不同類型水系夯錘的尺寸特征值

對(duì)6種類型夯錘的主要參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，本次試驗(yàn)設(shè)定各類型夯錘最大擊打高度為2.5m,結(jié)合水流繞流水力學(xué)計(jì)算方程對(duì)各類型夯錘的擊打效能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。為提高數(shù)值求解方程的收斂程度，初始計(jì)算邊界不進(jìn)行設(shè)定，采用重復(fù)擊打試驗(yàn)，當(dāng)數(shù)值求解取得收斂解時(shí)，各類型夯錘的擊打效能達(dá)到最高值。

3.2 夯錘類型下壓力分析

分別設(shè)置水下夯錘下落高度分別為1.0m和2.5m，對(duì)不同下落高度各點(diǎn)位的擊打效能進(jìn)行計(jì)算，夯錘下落高度為1.0m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2.5m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1.0m時(shí)各點(diǎn)位擊打效能分析結(jié)果

續(xù)表2 夯錘下落高度為1.0m時(shí)各點(diǎn)位擊打效能分析結(jié)果

表3 夯錘下落高度為2.5m時(shí)各點(diǎn)位擊打效能分析結(jié)果

從各類型夯錘不同下落高度的點(diǎn)位擊打效能分析結(jié)果可看出，各類型水下夯錘隨著夯次的增加其不同點(diǎn)位的擊打效能總體呈現(xiàn)遞增變化，對(duì)于圓柱型水下夯錘而言，其各夯次不同點(diǎn)位的擊打效能總體在8.3J-13.0J之間，而圓臺(tái)型水下夯錘其各夯次不同點(diǎn)位擊打效能在14.0J-15.6J之間。相同點(diǎn)位下圓臺(tái)型夯錘的擊打效能均高于圓柱型夯錘。當(dāng)夯錘下落高度為2.5m時(shí)，圓柱和圓臺(tái)兩種類型夯錘在各點(diǎn)位下的擊打效能均高于夯錘下落高度為1.0m的各點(diǎn)位擊打效能，高度的增加，使得各類型夯錘的重力勢(shì)能增加，也相應(yīng)的增加其點(diǎn)位的擊打效能。從夯打效能分析結(jié)果還可看出，當(dāng)夯錘下落高度達(dá)到2.5時(shí)，圓臺(tái)6次夯下的擊打效能最高值可達(dá)到51.8J?？傮w而言相比于圓柱型水下夯錘，圓臺(tái)型夯錘的擊打效能較高。

3.3 夯錘類型下夯沉量分析

在夯錘下落高度對(duì)擊打效能分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同類型水下夯錘的夯沉量進(jìn)行分析，夯錘下落高度為1.0m時(shí)各點(diǎn)位夯沉量分析結(jié)同，見表4；夯錘下落高度為2.5m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1.0m時(shí)各點(diǎn)位夯沉量分析結(jié)果

表5 夯錘下落高度為2.5m時(shí)各點(diǎn)位夯沉量分析結(jié)果

分別對(duì)各類型水下夯錘的夯錘高度為1.0m和2.5m時(shí)的不同點(diǎn)位的夯沉量進(jìn)行分析可看出，圓柱和圓臺(tái)兩種類型夯錘在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著夯次的增加其沉降量有逐步減小的變化規(guī)律，當(dāng)夯錘下落高度為1.0m時(shí)，圓柱和圓臺(tái)型夯錘在3次夯下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均夯沉率分別為9.477%和8.235%，均高于其他夯次下的平均夯沉率。圓柱型夯錘的平均夯沉率要好于圓臺(tái)型夯錘。當(dāng)夯錘下落高度為2.5m時(shí)，兩種類型夯錘在各夯次下的平均夯沉率均要高于夯錘下落高度為1.0m時(shí)的夯沉率。因此在工程建設(shè)過程中，為提高夯錘對(duì)水下拋石的夯沉率，應(yīng)盡量降低夯次。

3.4 夯錘尺寸對(duì)夯擊效能影響分析

采用水力學(xué)方法對(duì)不同夯錘尺寸下的夯擊效能進(jìn)行分析，不同夯錘尺寸參數(shù)下的夯擊效能分析結(jié)果，見表6。

在夯錘類型下的夯擊效能分析的基礎(chǔ)上，考慮到相同點(diǎn)位下，圓臺(tái)型夯錘的夯擊效能總體好于圓柱型夯錘，因此以圓臺(tái)型夯錘為例，探討圓臺(tái)型夯錘不同尺寸參數(shù)下的夯擊效能，從各尺寸參數(shù)下的夯擊效能分析結(jié)果可看出，夯錘尺寸參數(shù)對(duì)夯擊效能影響也較為明顯，隨著夯錘尺寸倍數(shù)的增加，其夯擊效能也逐步提高，這主要是因?yàn)楹诲N尺寸倍數(shù)的增加，可對(duì)應(yīng)提高夯錘下落的夯擊速率，由于夯擊速率的增加，其相應(yīng)的增加了其夯擊效能。此外從不同夯錘尺寸倍數(shù)下的夯擊效能變化可看出，當(dāng)夯錘尺寸倍數(shù)在1.5-2.5倍之間變化時(shí)，其夯擊效能變化較為明顯，這是因?yàn)楹诲N尺寸倍數(shù)較小時(shí)，夯錘速率變化較大，隨著夯錘尺寸數(shù)增加后，水下夯錘受水流繞流作用影響程度增加，降低其速率變化程度，使得其夯擊效能遞增幅度降低。

表6 不同夯錘尺寸參數(shù)下的夯擊效能分析結(jié)果

4 結(jié) 論

1)各類型水下夯錘隨著夯次的增加其不同點(diǎn)位的擊打效能總體呈現(xiàn)遞增變化，對(duì)于圓柱型水下夯錘而言，其各夯次不同點(diǎn)位的擊打效能總體在8.3J-13.0J之間，而圓臺(tái)型水下夯錘其各夯次不同點(diǎn)位擊打效能在14.0J-15.6J之間。

2)當(dāng)夯錘下落高度為2.5m時(shí)，兩種類型夯錘在各夯次下的平均夯沉率均要高于夯錘下落高度為1.0m時(shí)的夯沉率。因此在工程建設(shè)過程中，為提高夯錘對(duì)水下拋石的夯沉率，應(yīng)盡量降低夯次。

3)當(dāng)夯錘尺寸倍數(shù)在1.5-2.5倍之間變化時(shí)，其夯擊效能變化較為明顯，這是因?yàn)楹诲N尺寸倍數(shù)較小時(shí)，夯錘速率變化較大，隨著夯錘尺寸數(shù)增加后，水下夯錘受水流繞流作用影響程度增加，降低其速率變化程度，使得其夯擊效能遞增幅度降低。