整平船对长江口导堤工程流场影响模型试验研究

整平船对长江口导堤工程流场影响模型试验研究

在长江口深水运河的处理工程中，中国港一航局二公司同意在项目的南导坝se段进行建设。该项目位于九沙坪，海滩高度约为2.0.30米。该段采用抛石基床、半圆形预制构件的结构形状。传统的基床面处理工艺为潜水员水下人工整平,而该工程地段潮差较大,流速急,人工整平操作难以确保工程进度与质量。该公司在施工组织设计中充分考虑了长江口工程特定的水文、气象、地质条件,采用一特制的整平船。利用高精度的GPS系统进行船舶定位,坐底对导堤的基床抛石面进行整平的先进作业方式。潘斌等人对坐底式平台的沉浮稳定性进行了研究;拾兵等人曾对障碍物后紊动水流的流速分布进行了研究,但坐底式整平船在国内尚属首例。实践表明,该整平船的采用为确保长江口深水航道整治工程的顺利进行发挥了重要的作用。在对类似的复杂工程课题研究中,试验一般包括两种手段,一是实验室物理模型试验;二是数学模型试验。随着科学技术的进步,物理模型试验一方面有某些功能可以被先进的计算技术所替代,一方面却深入到越来越多的领域,不仅具有重要的实用意义,而且具有广阔的发展前景,如长江三峡工程的堤坝合拢等都有很好的例子。本课题研究采用了物理模型和数学模型两种方法进行,本文重点讨论物理模型这一部分。由于整平船为坐底施工,在作业现场不可避免地会引起周围流场发生变化,其影响范围多大、引起流速变化多少以及能否引起导堤断面底部两侧的软体排发生变化是人们关注的问题,采用模型试验是解决这个问题的有效方法。作者对不同断面在不同潮位、流速、流向情况下,进行了几十个组次的模型试验,主要测定分析了只有导堤(即有堤无船)和有整平船作业(即有堤有船)时对周围流场的影响。本研究是在模型试验的基础上,分析了多种情况下流场的变化,为施工方案的比选以及施工中应采取的措施提供了可靠的依据。1导堤堤顶标高和断坡面长试验在青岛海洋大学工程学院动力实验室20m×6m×0.8m水槽内进行。导堤断面方案采用两种,①底标高为-2.0m,半圆体半径R=3.5m的断面;②底标高为-3.0m,半圆体半径R=4.0m的断面2。特征水位主要考虑设计高水位、设计低水位、洪季大潮涨急水位(高潮前约2h)、洪季大潮落急水位(低潮前约2h)、导堤堤顶标高水位。水流流向主要考虑落潮、涨潮、与堤轴线呈垂直方向(由北向南)、与堤轴线呈45°斜方向(由上游至下游)。经综合考虑,取导堤实际长度为200m,导堤堤尾与船头之间间距取40m。1.1模型建立与比尺该试验为定床清水模型试验,按重力相似律进行设计,同时必须保证模型中水流的紊流状态,以满足粘滞力的自模拟,要求模型雷诺数Re大于阻力平方区的临界值。以明渠宽浅水流检验流场的流态,取:其中:u为流速,h为水深,v为水的粘性系数。水深限制条件要求最小平均水深大于1.5cm。综合考虑试验要求与实验室的条件,确定采用正态模型,模型的几何比尺为1∶100,即λL=100,则所涉及的其他物理量参数的比尺为:速度比尺:λu=λ1/2LL1/2=10;时间比尺:λt=λ1/2LL1/2=10;重量比尺:λw=λ3LL3=106;糙率比尺:λn=λ1/6LL1/6=2.15;雷诺数比尺:λRe=λ3/2LL3/2=1000。试验水文条件及试验组次见表1。1.2模型结构、尺寸试验水池采用原土夯实为基底,用5～8cm厚水泥砂浆抹面,砂浆表面进行压光处理,再涂一层清漆,可满足河床糙率要求。导堤半圆体结构模型根据工程设计断面要求,按几何比尺进行制作,材质为高标号水泥砂浆,并用砂纸磨光,表面涂清漆,尺寸误差控制在±1.0mm以内。模型尺寸见图1、图2。整平船模型根据提供的原型尺寸,按几何比尺进行制作,材质为高标号水泥砂浆并用砂纸磨光,表面涂清漆,尺寸误差控制在±1.0mm以内。整平船模型尺寸见图3。基床及护肩块石模型均按重量比尺经人工挑选,误差控制在±5%以内。1.3水、池、水、测量仪器蓄水水槽:长30.0m,宽2.5m,深1.0m;试验水池:长20.0m,宽6.0m,深0.8m;测量仪器:国产水位测针;日本产VM-201电磁式流速仪1.4水流速的调整利用水泵从地下水库抽水至蓄水水槽,试验水位、流速(流量)控制采取试验水池两侧的双活动堰及蓄水水槽和试验水池之间的阀门进行调整。调节过程中利用池壁水位标记和池中心水位测针监测水位,用流速仪监测水流速,直至符合试验给定的水位、流速值。当试验区水位和流速满足试验值,将导堤模型安放到预定位置,按照预先布画的坐标网格(10×10cm)测定各点流速值,可得无整平船时导堤附近流场流速分布,然后将整平船安放至施工位置,再测定坐标网格各点流速值可得有整平船时附近流场流速分布34。2试验测定断面本次试验分别对基床底标高为-2m、-3m两种断面共进行了22组次的试验测定。对各组次又分无船和有船两种情况,根据流向与堤轴线的方向关系分为:落潮、涨潮、垂直向、斜向45°进行讨论。2.1堤岸共同作用该情况下堤与船对施工区水域流场均有影响,堤对流场产生的影响可使流速最大值在小流速(0.5m/s、1.0m/s)时增加16%～32%,大流速(2.0m/s、2.96m/s)时增加13%;堤与船共同作用可使流速最大值在小流速时增加14%～56%,大流速时增加21%～23%,把堤对流场的影响扣除,整平船对流场的影响,可使流速最大值增加3%～18%。流速最大发生在洪季大潮落急水位与流速情况下(图4),堤船共同作用产生流速最大值为3.59m/s(-3m断面),比初始的2.96m/s增大了21%,船对流场影响范围在60～120m以内,初始流速大时影响范围也大。船舷两侧10m以内流速普遍小于初始流速,20m以外流速开始变大,且超过初始流速,至40～70m达到最大值,40～70m以外逐渐变小并趋近于初始流速。堤尾与船头之间和船尾后部为受遮蔽区,流速普遍比初始流速小,且伴有涡的生成。2.2船对流场的影响堤与船对施工区水域流场均有影响,堤对流场产生的影响可使流速最大值增加13%～23.6%;堤与船共同作用可使流速最大值增加21%～33.5%,把堤对流场的影响扣除,整平船对流场的影响,使流速最大值增加3%～13%。流场受影响最大发生在洪季大潮涨急水位与流速情况下(图5),堤船共同作用产生流速最大值为2.43m/s(-3m断面),比初始的1.82m/s增大了33.5%,船对流场影响范围在20～100m以内,初始流速大时影响范围也大。船舷两侧15m以内流速普遍小于初始流速,15m以外流速开始变大,且超过初始流速,至20～60m达到最大值,40～60m以外逐渐变小并趋近于初始流速。堤尾与船头之间和船尾后部为受遮蔽区,且形成涡动,流速普遍比初始流速小。2.3船堤对流场的影响堤与船对施工区水域流场均有较大范围的影响,堤对流场产生的影响可使流速最大值增加23%～41%;堤与船共同作用下,可使流速最大值增加42%～77%,最大值为3.54m/s,出现在+2.0m水位,-3m断面。把堤对流场的影响扣除,整平船对流场的影响,可使流速最大值增加15%～26%。船堤共同作用时,船堤之间形成流速较大的间隙流;船堤的迎流面形成阻挡区,距中心线50～60m以内流速普遍小于初始值;船堤的背流面为遮蔽区,形成流速不大的涡旋,影响区为距船舷70～80m范围;在船尾迎流面外角形成挑流,在距船尾10～20m处达到最大值后,开始衰减,至距船尾90～100m范围趋近于初始流速(图6)。2.4船堤对流场-3.0m断面的结果45°堤与船对施工区水域流场均有较大范围的影响,堤对流场产生的影响可使流速最大值增加27.5%～44.5%;堤与船共同作用下,可使流速最大值增加40.5%～73%,最大值为3.46m/s,出现在+2.0m水位,-3m断面。把堤对流场的影响扣除,整平船对流场的影响,可使流速最大值增加10%～20%。船堤共同作用时,船堤之间形成流速较大的间隙流;船堤的迎流面形成阻挡区,距中心线50～60m以内流速普遍小于初始值;船堤的背流面为遮蔽区,船的背流面形成左右两个大小不等的呈动态交融状的涡团,影响区为距船舷90～100m范围;在船尾迎流面外角形成挑流,在距船尾15～30m处达到2.77m/s的最大值,至距船尾90～100m范围趋近于初始流速(图7)。3试验结果满足计划学性能要求(1)试验证实了整平船作为一种新型的港口与航道施工机具,以其独特的优点成功地在长江口航道治理工程中得到应用,并会在以后的工程中发挥更大的作用,在施工时对其周围的流场造成的影响,尚可满足工程技术要求。(2)本次试验