泥沙河道管線沖刷的紊動強度及雷諾應力特性實驗探究

(烏魯木齊市水利勘測設計院(有限責任公司)二分院，新疆 石河子 832000)

伴隨工程技術和工程材料的進步和發(fā)展，時下河道沉管和穿流輸運工程日漸增多。掌握穿流管線的沙水沖刷規(guī)律特性是該類型工程抗沖刷安全設計、順利施建和科學維護的基本前提。本文以泥沙河道淺埋穿越管線的沖刷分析為課題，借助實驗室比尺模擬實驗的方式，對河道管線沖刷的紊動強度及雷諾應力特性進行分析探究，以期為同類工程應用提供技術參考，助力建設和維護安全牢固的穿河管線工程。

1 模型比尺與測量設計

1.1 模型比尺及實驗工況

本實驗以30mm直徑的硬質(zhì)有機玻璃實心圓管模擬900mm直徑的鑄鐵穿流管線，實驗模型的重點水力參數(shù)見表1。實驗模型、管線及現(xiàn)場狀態(tài)見圖1和圖2。

表1 實驗模型的重點水力參數(shù)

圖1 實驗模型與管線設計 (單位：mm)

圖2 實驗模型現(xiàn)場部分圖片

實驗工況各參數(shù)見表2。

表2 實驗工況

1.2 觀測截面及測點布設

實驗以距玻璃槽底50mm的高度，在透明硬質(zhì)有機玻璃槽中心部位固定實驗所用的30mm直徑圓管。考慮管墩樁固定有阻礙水流作用，故選擇應用502膠粘貼固定實驗管以盡可能降低額外水流擾動。鋪設130mm厚模型沙，該沙用水浸潤均勻拌和無氣泡。調(diào)整好模型沙的平整度，誤差控制在±3mm內(nèi)。此時，管上方模型沙厚50mm，管身處模型沙厚30mm，圓管下方模型沙厚50mm，符合以1∶30比例換算后的河底淺埋管線埋置深度需要。模型沙浸水沉淀一夜后，開始實驗。

實驗的著重點是觀測分析模型管線近身周邊的沖刷特性，實驗前把所制作的兩個滑動車銜接在管線四周。在滑動車的下方架子上粘貼軟尺，以管線正上方所布設的截面為中心截面，取25mm間距，逆水流向上和順水流向下各取5個測流截面,即獲得順水流依次為1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6、7-7、8-8、9-9、10-10、11-11共計11個測流截面，設置11個測流垂線，分別位處深度30mm、60mm、90mm、120mm、150mm處，每垂線再設置5個測點。距離所測部位30～50mm布置多普勒聲學流動速率儀。

2 紊動強度基本特性分析

水流運動存在紊流及層流之分，紊流為絕大多數(shù)河道水流存在的一種流態(tài)現(xiàn)象。流速脈動是紊流的基本特征，脈動流速有正負大小之分，水流點脈動強度一般用脈動流速均方根表示，稱作紊動強度或者脈動強度。本研究選擇四個典型截面繪制紊流狀態(tài)點線圖和波動范圍云圖并重點探討，以揭示基于過流量差異的沙中淺埋管線沖刷流紊動強度及雷諾應力特性。

實驗所需流量由實驗水槽進口入流擋板調(diào)節(jié)控制獲得，調(diào)節(jié)置放在實驗水槽尾端出水口的擋板高度，以獲得實驗所設定流量的相應的流速狀態(tài)，從而形成多組所設定的實驗流量和流速組合工況。本沖刷實驗在滿足所設定的水深要求后，依據(jù)起動流速計算結果，特別擬定了13.93L/s、20.05L/s、25.03L/s 計3種流量工況。

2.1 未沖刷時管線周圍紊動強度特性

未沖狀態(tài)和Q=13.93L/s的紊動強度曲線見圖3，不同層基于Q=13.93L/s的紊動強度云圖見圖4。

圖3 基于未沖狀態(tài)和Q=13.93L/s的紊動強度曲線

圖4 不同層基于Q=13.93L/s的紊動強度云圖

由圖3和圖4可知：因貼近沙面處的水流相對較為平穩(wěn)，貼近沙面處15cm深度底層的紊動強度波動在0.5～1之間，其平均值約為0.8，沒有大的紊動強度改變，是紊動強度相對較小的液層。深度12cm區(qū)域的紊動強度在3～6之間變動，其平均值約為4.6。9cm深度區(qū)域的平均紊動強度接近2.5。據(jù)此可以得到RVS9>RVS6>RVS3>RVS12>RVS15的流動速率規(guī)律，其中速率越大的地方，質(zhì)點交換的能量越大。云圖揭示，在未沖狀態(tài)下，不管是管前還是管后，紊動強度都存在上下浮動，這是由于水流在運動過程中存在能量交換，導致紊動強度在0.5～4之間變動。

2.2 起沖時管線周圍紊動強度特性

起沖狀態(tài)和Q=20.05L/s的紊動強度曲線見圖5，不同層基于Q=20.05L/s的紊動強度云圖見圖6。

圖5 起沖狀態(tài)和Q=20.05L/s的紊動強度曲線

圖6 不同層基于Q=20.05L/s的紊動強度云圖

由圖5和6圖可知：?RVS9>RVS6>RVS3>RVS12>RVS15，此與同條件下的縱向流動速率變動特性相同，15cm深度的近底層區(qū)域紊動強度相對較小，各工況下管線縱向紊動強度特性演變規(guī)律大致相同，在水體中層以上，深度與紊動強度明顯呈線性遞增關系，與縱向流動速率的演變規(guī)律一致；?近底層紊動強度波動在0.65～1.45之間，是未沖狀態(tài)強度的1.2倍左右，近面層深度3cm區(qū)域的紊動強度基本是左側(cè)低于右側(cè)，模型壁對流動速率存在較大影響，導致質(zhì)點劇烈交換能量；?在管線附近存在著一個紊動強度波動的核心區(qū)域，紊動強度發(fā)生值最大，此時管線對紊動強度的影響范圍管后是管徑的2.5倍，管前是管徑2.0倍。

2.3 沖刷裸露至穩(wěn)定狀態(tài)時管線周圍紊動強度特性

沖刷到裸露和Q=25.03L/s的紊動強度曲線見圖7，不同層基于Q=25.03L/s的紊動強度云圖見圖8。

圖7 沖刷到裸露和Q=25.03L/s的紊動強度曲線

由圖7和圖8可知：?RVS3>RVS6>RVS9>RVS12>RVS15，即隨著深度的加大紊動強度呈線性遞增，這是因為水質(zhì)點互相混摻的程度決定著紊動強度的大小和水面的波動強度，此時觀察DV錄像可清晰看到深度9cm高程以上，水體大量混摻運動；?沖刷裸露至穩(wěn)定狀態(tài)下的紊動強度在1～10之間波動，平均值為6.4，是未沖刷Q=13.93L/s狀態(tài)的8倍，是起沖狀態(tài)Q=20.05L/s的3.4倍；?從沖刷特性的云圖中可清晰看到在管線周圍存在著一個紊動強度波動的核心區(qū)域，紊動強度發(fā)生值最大，沖刷開后在管線前側(cè)對紊動強度的影響范圍大概是管線直徑的2.5倍，管線后側(cè)對紊動強度的影響范圍是管線直徑的2.2倍。

圖8 不同層基于Q=25.03L/s的紊動強度云圖

3 雷諾應力狀態(tài)分析

3.1 未沖刷時管線周圍雷諾應力特性

基于未沖狀態(tài)和Q=13.93L/s的截面雷諾應力演變曲線見圖9。

圖9曲線揭示，未受水流沖刷時，管線處在13.5cm深度處，雷諾應力多于-1.0～1.0之間波動，臨近管線周圍會發(fā)生雷諾應力核心區(qū)域，在管線后側(cè)方雷諾應力發(fā)生值最大，該區(qū)域中雷諾應力盡管發(fā)生負值，但負值僅表示了方向，絕對值大小會比其近邊其他區(qū)域數(shù)值高出很多，因為深度小故紊動強度相對較大，導致雷諾應力有所增加。

3.2 起沖時管線周圍雷諾應力特性

基于起沖狀態(tài)和Q=20.05L/s的截面雷諾應力演變曲線見圖10。

圖10曲線揭示，此情況下的雷諾應力在-2.5～2.0之間波動，是未沖刷情況下雷諾應力平均值的2.25倍。管線設埋于13.5cm橫坐標部位，圖線清晰可見，管線后方出現(xiàn)雷諾應力的升高區(qū)域，升高影響區(qū)域大致為1.5倍管徑，可知在大水流的狀態(tài)時此區(qū)域管線會遭受較大掏刷沖蝕，因此越河管線抗沖刷保護，該區(qū)域應被列為重點強化對象。

圖9 基于未沖狀態(tài)和Q=13.93L/s的截面雷諾應力演變曲線

圖10 基于起沖狀態(tài)和Q=20.05L/s的截面雷諾應力演變曲線

3.3 沖刷裸露至穩(wěn)定狀態(tài)時管線周圍雷諾應力特性

基于沖刷裸露和Q=25.03L/s的截面雷諾應力演變曲線見圖11。

圖11曲線揭示，此情況下的雷諾應力在-5.0～5.5之間波動，是未沖刷情況下雷諾應力平均值的30倍，是起沖狀態(tài)雷諾應力的2.33倍。此時深度不同的雷諾應力數(shù)值大小雜錯分布，不同于流動速率不同深度的規(guī)律性，可能緣于露出管線對水流的阻礙作用，同時在大過流量情況下，相對未沖刷與起沖狀態(tài)，水體所攜帶的能量大得多，質(zhì)點間混摻能力強，才導致點線圖的雜亂。管線后側(cè)17.5cm處，雷諾應力變動趨向相對穩(wěn)定，影響范圍為4cm，是管徑的1.8倍，此范圍內(nèi)應對管線加以保護。

圖11 基于沖刷裸露和Q=25.03L/s的截面雷諾應力演變曲線

4 結 語

本文借助實驗室比尺模擬實驗的方式，對河道管線沖刷的紊動強度及雷諾應力特性進行了專題分析探究。主要獲得以下研究成果：

a.開展了泥沙河道管線沖刷紊動強度基本特性分析。實驗揭示，沖刷過程中，管線周圍存在著一個紊動強度波動的核心區(qū)域，會發(fā)生最大紊動強度值，管線前側(cè)紊動強度的影響范圍大概為管線直徑的2.5倍，管線后側(cè)紊動強度的影響范圍一般為管線直徑的2.2倍。

b.開展了泥沙河道管線沖刷雷諾應力狀態(tài)分析。實驗揭示，沖刷過程中，管線后方出現(xiàn)雷諾應力的升高區(qū)域，升高影響區(qū)域大致為1.5倍管徑。

c.分析揭示，穿河管線不論在未沖刷狀態(tài)、起沖狀態(tài)還是沖刷至裸露狀態(tài)，均為中層液面以上區(qū)域的雷諾應力與紊動強度數(shù)值較大，兩者影響大致分布于1.5倍管線直徑的管線后方范圍內(nèi)，此范圍內(nèi)應對管線加以保護。起始沖刷后，水體中層的流動速率影響較大，埋設管線應該盡可能靠近沙泥底層。本實驗所探究的泥沙河道管線未沖刷、起沖刷、沖刷裸露至穩(wěn)定工況下的管線紊動強度和雷諾應力變動規(guī)律，可為同類泥沙河道管線工程設計建設提供實驗數(shù)據(jù)參考，以助力建設和維護安全牢固的穿越河道管線工程。