基于水力學方法的不同類型水下夯錘的夯擊效能試驗分析

李嘉興

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

0 前 言

水下夯錘主要在水庫、閘壩建設工程中對水下拋石進行夯實加固，水流繞流對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。因此需要對不同類型水下夯錘的夯擊效能進行試驗分析，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實際，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的方式進行，這種方式的優點在能較為真實的反應水下夯錘的夯擊效能，適用于大型水利工程建設，但對于一些小型水利工程而言，這種方式需要耗費大量的人力和物力，需要結合一種另外一種方式進行不同類型水下夯錘的夯擊效能分析。當前，水力學方法可以對水流繞流阻力進行較好的計算分析，而不同類型下水下夯錘的夯擊效能可通過對水流繞流阻力計算得到，為此文章以水力學方法，通過對不同類型水下夯錘的水流繞流阻力進行計算，從而對其各類型水下夯錘的夯擊效能分計算提供一種方法參考。

1 夯擊效能計算方法

采用水流非均勻運動方程對不同類型水下夯錘的水流繞流阻力計算：

mg-ρwgV-Fs=ma

(1)

(2)

式中：m為夯錘質量，t；V為夯錘體積，m3；Fs為繞流阻力，kPa；Cf為阻力系數；v為速度相對值，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。對上述方程進行微分求解：

(3)

式中：x為夯錘擊打距離，m；V為夯錘擊打速率，m/s；η為質量比。相對速度初始計算方程為：

(4)

式中：k為摩擦阻力。夯錘的擊打效能計算方程為：

(5)

式中：J′為夯擊效能，J；J為夯擊最大動能，J。

2 數值模擬結果

2.1 模擬參數分析

文章主要選用6種尺寸參數的水下夯錘進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6種類型夯錘的主要參數進行了設定，本次試驗設定各類型夯錘最大擊打高度為2.5m,結合水流繞流水力學計算方程對各類型夯錘的擊打效能進行數值計算。為提高數值求解方程的收斂程度，初始計算邊界不進行設定，采用重復擊打試驗，當數值求解取得收斂解時，各類型夯錘的擊打效能達到最高值。

3.2 夯錘類型下壓力分析

分別設置水下夯錘下落高度分別為1.0m和2.5m，對不同下落高度各點位的擊打效能進行計算，夯錘下落高度為1.0m時各點位擊打效能分析結果，見表2；夯錘下落高度為2.5m時各點位擊打效能分析結果，見表3。

表2 夯錘下落高度為1.0m時各點位擊打效能分析結果

續表2 夯錘下落高度為1.0m時各點位擊打效能分析結果

表3 夯錘下落高度為2.5m時各點位擊打效能分析結果

從各類型夯錘不同下落高度的點位擊打效能分析結果可看出，各類型水下夯錘隨著夯次的增加其不同點位的擊打效能總體呈現遞增變化，對于圓柱型水下夯錘而言，其各夯次不同點位的擊打效能總體在8.3J-13.0J之間，而圓臺型水下夯錘其各夯次不同點位擊打效能在14.0J-15.6J之間。相同點位下圓臺型夯錘的擊打效能均高于圓柱型夯錘。當夯錘下落高度為2.5m時，圓柱和圓臺兩種類型夯錘在各點位下的擊打效能均高于夯錘下落高度為1.0m的各點位擊打效能，高度的增加，使得各類型夯錘的重力勢能增加，也相應的增加其點位的擊打效能。從夯打效能分析結果還可看出，當夯錘下落高度達到2.5時，圓臺6次夯下的擊打效能最高值可達到51.8J。總體而言相比于圓柱型水下夯錘，圓臺型夯錘的擊打效能較高。

3.3 夯錘類型下夯沉量分析

在夯錘下落高度對擊打效能分析的基礎上，對不同類型水下夯錘的夯沉量進行分析，夯錘下落高度為1.0m時各點位夯沉量分析結同，見表4；夯錘下落高度為2.5m時各點位夯沉量分析結果，見表5。

表4 夯錘下落高度為1.0m時各點位夯沉量分析結果

表5 夯錘下落高度為2.5m時各點位夯沉量分析結果

分別對各類型水下夯錘的夯錘高度為1.0m和2.5m時的不同點位的夯沉量進行分析可看出，圓柱和圓臺兩種類型夯錘在各監測點隨著夯次的增加其沉降量有逐步減小的變化規律，當夯錘下落高度為1.0m時，圓柱和圓臺型夯錘在3次夯下各監測點平均夯沉率分別為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型夯錘。當夯錘下落高度為2.5m時，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時的夯沉率。因此在工程建設過程中，為提高夯錘對水下拋石的夯沉率，應盡量降低夯次。

3.4 夯錘尺寸對夯擊效能影響分析

采用水力學方法對不同夯錘尺寸下的夯擊效能進行分析，不同夯錘尺寸參數下的夯擊效能分析結果，見表6。

在夯錘類型下的夯擊效能分析的基礎上，考慮到相同點位下，圓臺型夯錘的夯擊效能總體好于圓柱型夯錘，因此以圓臺型夯錘為例，探討圓臺型夯錘不同尺寸參數下的夯擊效能，從各尺寸參數下的夯擊效能分析結果可看出，夯錘尺寸參數對夯擊效能影響也較為明顯，隨著夯錘尺寸倍數的增加，其夯擊效能也逐步提高，這主要是因為夯錘尺寸倍數的增加，可對應提高夯錘下落的夯擊速率，由于夯擊速率的增加，其相應的增加了其夯擊效能。此外從不同夯錘尺寸倍數下的夯擊效能變化可看出，當夯錘尺寸倍數在1.5-2.5倍之間變化時，其夯擊效能變化較為明顯，這是因為夯錘尺寸倍數較小時，夯錘速率變化較大，隨著夯錘尺寸數增加后，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 不同夯錘尺寸參數下的夯擊效能分析結果

4 結 論

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

2)當夯錘下落高度為2.5m時，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時的夯沉率。因此在工程建設過程中，為提高夯錘對水下拋石的夯沉率，應盡量降低夯次。

3)當夯錘尺寸倍數在1.5-2.5倍之間變化時，其夯擊效能變化較為明顯，這是因為夯錘尺寸倍數較小時，夯錘速率變化較大，隨著夯錘尺寸數增加后，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。