畢冬旭

(遼寧澤成水利工程檢測(cè)服務(wù)有限公司，遼寧 新民 110300)

近年來(lái)，水下夯錘主要用于水下工工程拋石夯擊施工中，這種方式速率較快，且對(duì)周圍影響較小，在水下工程中應(yīng)用較為廣泛[1- 3]。為提高水下夯錘的利用效率及能量消耗速率，對(duì)不同夯錘類型下其繞流類型的變化規(guī)律研究十分重要[4]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)主要集中在夯錘對(duì)繞流類型影響要素的研究[5- 6]，對(duì)不同水下夯錘類型下繞流變化規(guī)律的研究還較少。從20世紀(jì)以來(lái)，LS-DYNA模型在水下繞流數(shù)值模擬中得到不同程度的應(yīng)用[7- 10]，數(shù)值模擬效果較好。本文結(jié)合LS-DYNA模型，探討不同水下夯錘類型下繞流變化規(guī)律，研究成果對(duì)水利工程施工具有重要意義。

1 研究方法

水下夯錘可表示為三個(gè)作用力下的非勻速運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

mg-ρwgV-Fs=ma

(1)

(2)

式中，m—水下夯錘的質(zhì)量，t；V—水下夯錘的體積，m3；Fs—水下夯錘在靜止壓力下的繞流阻力；Cf—繞流阻力系數(shù)；ν—相對(duì)速度，m3/s；w—水下夯錘的垂向投影面積，m2；ρw—水體密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2。對(duì)其運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行微積分計(jì)算，計(jì)算方程為：

(3)

式中，x—夯錘下落位移，m；V—下落速度，m/s；η—質(zhì)量系數(shù)。其中其初始相對(duì)速度值的計(jì)算方程為：

(4)

式中，k—繞流阻力摩擦系數(shù)。對(duì)水下夯錘的能量利用效率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：

(5)

式中，J′—夯擊有效能量,J；J—不考慮地球引力和水體浮力作用下的最大動(dòng)能，J。

2 研究結(jié)果

2.1 不同夯錘類型主要參數(shù)

結(jié)合6種常用的水錘類型進(jìn)行分析，不同水下夯錘類型參數(shù)取值見(jiàn)表1。

結(jié)合6種水下夯錘類型主要參數(shù)，設(shè)定各水下夯錘下落的距離為6m，結(jié)合上述數(shù)值模擬的方式，對(duì)各水下夯錘的下落相對(duì)速度、夯擊有效能量以及夯擊能量效率進(jìn)行數(shù)值模擬。為盡力減少數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分時(shí)間，提高計(jì)算效率，設(shè)置無(wú)初始邊界的條件。通過(guò)反復(fù)試算結(jié)果表明，當(dāng)水域的寬度在6m時(shí)既可以滿足模型的收斂精度要求。

2.2 不同夯錘類型繞流數(shù)值模擬分析

結(jié)合不同夯錘類型繞流數(shù)值模擬結(jié)果，分析各類型夯錘下落距離～速度、下落距離～夯擊能的關(guān)

表1 不同水下夯錘類型參數(shù)取值

圖1 各類型夯錘效能與下落距離的規(guī)律分析結(jié)果

系及下落距離～夯擊能效率關(guān)系的變化規(guī)律，并對(duì)其繞流阻力系數(shù)與靜水壓強(qiáng)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可看出，隨著下落距離的增加，在同一靜水壓強(qiáng)下，隨著夯錘質(zhì)量的增加，其相對(duì)越大，5#夯錘質(zhì)量越高，其相對(duì)速度的變幅也最大，其最大相對(duì)速度達(dá)到3.5m/s，各夯錘類型相對(duì)速度隨著距離的增加逐步加大，相對(duì)速度在2.5m/s～4m/s之間處于相對(duì)穩(wěn)定階段。從各夯錘類型下落距離～夯擊能變化關(guān)系可看出，和相對(duì)速度變化較為類似，隨著下落距離的增加，其夯擊能也逐步增加，5#夯錘隨著下落距離夯擊能增幅最大，而質(zhì)量最小的夯錘其夯擊能變化最小，但各夯錘類型隨著下落距離變化其夯擊能總體變化較為類似。從各類型夯錘下落距離～夯擊能利用率關(guān)系可看出，隨著下落距離的增加，其夯擊能利用率逐步減小，這主要是因?yàn)殡S著下落距離的增加，其夯擊能轉(zhuǎn)化率降低，使得其夯擊能利用率減小，各各類型夯錘下落距離～夯擊能利用率變化較為一致。各類型夯錘夯擊能利用率最大值在出現(xiàn)在初始邊界條件區(qū)域。從阻力系數(shù)與靜水壓強(qiáng)之間的關(guān)系可看成，阻力系數(shù)與靜水壓強(qiáng)總體呈現(xiàn)倒數(shù)關(guān)系，即隨著下落距離的增加，靜水壓強(qiáng)越小，其阻力系數(shù)越大，反之，其阻力系數(shù)最小。

2.3 不同類型水下夯錘夯擊效果分析

對(duì)兩個(gè)典型下落距離的不同類型夯錘各夯擊點(diǎn)位的夯擊壓力值進(jìn)行數(shù)值分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2—3。

表2 2.5m落距下不同類型夯錘各夯擊點(diǎn)位的夯擊壓力值 單位：kPa

表3 5m落距下不同類型夯錘各夯擊點(diǎn)位的夯擊壓力值 單位：kPa

從表2中可看出，圓柱型夯錘在四次夯下其壓力最大值達(dá)到12.31kPa，而在六次夯時(shí)其壓力最大值可達(dá)到12.31kPa，而在六次夯時(shí)圓柱型夯錘的壓力最大值達(dá)到22.35kPa，可見(jiàn)在相同下落距離下，隨著夯次的加大，同一夯錘類型下其壓力最大值逐漸增加，而從圓臺(tái)的夯次變化也總體呈現(xiàn)這一變化規(guī)律，從表3中可看出，各類型夯錘最大壓力變化和2.5m下落距離的變化一致，隨著下落距離的增加，各測(cè)點(diǎn)壓力值均逐步加大，圓臺(tái)類型夯錘各測(cè)點(diǎn)壓力值變幅大于圓柱型夯錘。因此在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)，圓臺(tái)型夯錘壓力效果好于圓柱型夯錘。

2.4 不同類型水下夯錘夯沉量分析

結(jié)合各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析數(shù)據(jù)，對(duì)不同類型水下夯錘夯沉量進(jìn)行分析，各下落距離的夯沉量分析結(jié)果見(jiàn)表4—5。

表4 2.5m落距下各類型夯錘夯擊不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的夯沉量分析

表5 5m落距下各類型夯錘夯擊不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的夯沉量分析

從表4中可看出，圓柱型夯錘下在四次夯其夯沉量平均值最大，夯沉率最大為11.7%，而隨著夯次的增加，圓柱型夯錘的夯沉量均值逐步減小，夯沉率也逐步降低，這和實(shí)際情況較為相似，因此在實(shí)際工程施工中，對(duì)于圓柱型夯錘，應(yīng)該盡量減少其夯次，提高夯沉量和夯沉率，從表中還可看出，圓臺(tái)型夯錘各夯次的夯沉量和夯沉率都要大于圓柱型夯錘。從表5中可看出，隨著下落距離的增加，同一類型夯錘在各夯次的夯沉量和夯沉率都逐步增加，但總體增加的幅度隨著下落距離的增加有所減小。

2.5 不同夯錘縮比尺寸夯擊效果對(duì)比

夯錘縮比尺寸對(duì)水下夯錘的夯擊效果影響明顯，為此本文還對(duì)不同縮比尺寸下的夯擊效果進(jìn)行對(duì)比分析，不同縮比尺寸下夯錘的參數(shù)取值見(jiàn)表6，不同縮比尺寸下夯錘的夯擊效果與下落距離的變化規(guī)律分析結(jié)果如圖2所示。

表6 不同縮比尺寸下夯錘的參數(shù)取值

圖2 各縮比尺寸下夯錘效能與下落距離的規(guī)律分析結(jié)果

從圖2中可看出，隨著下落距離的增加，同一靜水壓強(qiáng)下，縮比尺寸越大，其下落相對(duì)速度越大，當(dāng)達(dá)到3.5倍夯錘，其下落距離與相對(duì)速度變幅達(dá)到最大，當(dāng)相對(duì)速度達(dá)到15m/s左右時(shí)，其下落距離與相對(duì)速度的變幅較為穩(wěn)定。從各縮比尺寸下落距離～速度關(guān)系還可看出，各縮比尺寸下其相對(duì)速度的變化規(guī)律較為一致，標(biāo)準(zhǔn)夯錘變化較為平穩(wěn)。從各縮比尺寸下落距離～夯擊能關(guān)系可看出，各縮比尺寸和各質(zhì)量夯錘下其下落距離與夯擊能的變化關(guān)系較為類似，隨著縮比尺寸的增加，其夯擊能逐步降低，從其變化關(guān)系還可看出，縮比尺寸對(duì)其夯擊能影響較為明顯，當(dāng)下落距離達(dá)到3m時(shí)，其夯擊能下降較大，且逐步趨于穩(wěn)定。

3 分析結(jié)論

(1)圓臺(tái)型夯錘夯擊效果總體好于圓柱型夯錘，在實(shí)際工程中應(yīng)首選應(yīng)用圓臺(tái)型夯錘進(jìn)行水下拋石的夯擊，并在其底部設(shè)置泄流孔進(jìn)行防護(hù)；

(2)隨著縮比尺寸增加，其夯擊能隨著下落距離的增加逐步降低，夯擊效果減小，在工程實(shí)際中應(yīng)首選高倍縮比尺寸的夯錘，從而提高其夯擊能利用率；

(3)本文未對(duì)各夯錘類型下夯擊效率的極限值進(jìn)行研究，在以后的研究中需對(duì)夯擊效率的極限值進(jìn)行研究，提高夯擊效果。