洪娟 王荣 高昂 谢朝勇 马冬冬

摘要：为了解新型装配式快速堵口装置的水动力特性，从而为堵口装置选型及抛投方案的制定提供依据，针对单件堵口装置开展了系统的室内水槽试验研究，对比分析了不同水流条件（水深、流速）及装置质量（不同填充物）等因素对其水下运动的影响。结果表明：装置觸底横向漂距与装置质量有较好的负相关关系，水深及流速与装置触底横向漂距成正相关关系：基于量纲分析方法，建立了表征水流条件及装置质量的无量纲数，构建了装置触底横向漂距预测公式，并得到原型试验合理性验证。

关键词：堵口装置：水槽试验：水下运动：量纲分析：横向漂距

中图分类号：TV135

文献标志码：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2020. 01.007

1 引言

堤坝在水资源利用及洪水灾害防治等方面具有重要作用[1]，然而超标准洪水、堤坝自身质量降低或其他不利因素均会增加堤坝溃决的风险。堤坝一旦发生溃决，河流或水库中水体将在溃口附近集中宣泄，溃决速度快且能量巨大，对洪水影响区内人员生命和财产造成极大威胁[2]。

针对如何在堤坝溃决后根据溃口地形、地质及水流条件，因地制宜地采取合理措施有效封堵溃口这一问题，不少学者进行了大量的研究[3-4]。然而由于坝堤溃决危害很大，且具有不可重复性，大多采用模型试验和理论分析相结合的方法对溃口水流或溃口封堵装置合理性进行研究。洪娟等[4]指出在堵口工程中，堵口材料的选择极其重要，是堵口能否成功的关键因素之一。孙东坡等[5]对土工包的沉降运动进行了概化模拟试验研究，建立了土工包沉降速度的计算模式。周景芍等[6]经过模型和现场试验，研究了大型土工包、铅丝网石笼、充沙土工布长管袋式软体排等在黄河堤防堵口技术的可行性。孙芦忠等[7-8]提出了用箱型结构物封堵堤坝溃口的技术方案，试验研究了溃口水流、沉箱顺序和裹头构筑对溃口水力特性的影响。贾志峰等[9]对不同投放高度、水流速度、投放方式的效果进行了探究，建立了理想状态下的水平和竖直方向上的运动微分方程，并利用相似准则计算出模拟实际溃坝时重物的投放位置。

虽然上述堵口技术最终能够达到封堵目的，但总体上存在技术普适性差、封堵时机滞后、材料难以储备、代价较高等问题。如何在溃口初期及时响应，并对溃口实现快速封堵是防止溃口造成巨大损失的关键。陈云鹤等[10]提出一种装配式快速堵口装置（下文简称“装置”），具有“便于储备一快速运输一现场装配”等特点，旨在溃口初期能够实现对溃口的有效封堵。采用这种装置进行堵口抢险工程设计，必须掌握其水下运动特性。笔者开展了装置抛掷沉落的概化模拟试验，详细了解其沉落的运动特征，并基于试验数据及量纲分析方法构建装置横向漂距的预测公式。

2 试验方案

2.1 试验设计

采用正态模型模拟该装置，根据重力相似准则[11]，考虑原型装置尺寸、试验水流条件，并结合试验水槽尺寸及水泵供水能力，确定模型几何比尺为1：10。试验水流满足雷诺数大于500、水深大于1.5 cm的要求。

根据原型装置尺寸及模型比尺，装置的模型外框尺寸为0.20 mX0.25 m（高×边长）。框架钢截面尺寸为6 mmx6 mm，采用不锈钢薄片制作;钢筋网选用筛网模拟;三角形网板间采用自锁式塑料扎带绑扎。制作模型总数为4个，各模型实物见图1，参数见表1。

试验在室内水槽中进行，水槽断面为矩形，尺寸为30 mx1.19 mx1.2 m（长×宽×高），底坡为平坡;水槽边壁为透明钢化玻璃，底壁为钢板材质。水槽进口设置稳流栅，用以平顺水流，消除不均匀流态。试验段设置在水槽中后部，长度2m。试验段底部铺设人造皮革材料，试验前测量了不同装置与皮革间的静摩擦系数μ肛，结果见表2。由表2可见，1#、2#、3#装置与皮革之间的摩擦系数基本一致，取其平均值1.0作为三者与皮革间的摩擦系数;0#装置摩擦系数与其他差别较大，约为0.7。

试验水流由进口蝶阀控制，流量Q由电磁流量计计量（精度为1%）;水深h由水槽尾部尾门调节，由水位尺测取（精度为1 mm），流速v由Q/s计算，其中S为水流断面面积，S= 1.19h。装置水下运动轨迹采用侧视摄像机记录（帧率30 Hz、像素1 920xl 080），后期采用图像识别方法获取系列图像中装置的像素位置，根据标定系数（实际距离与像素距离的标定系数）换算出装置的实际位置。

2.2 试验工况

试验过程中，装置由软线牵引，在调整至入水姿态后释放入水。装置均在水面上方15 cm处抛投，以自由落体抛入水中，并保证装置入水姿态基本保持一致（允许偏差±50）。为消除偶然性，提高试验结果的可信度，每组试验不少于3次。具体工况见表3。

3 装置水下运动过程试验成果分析

3.1 不同质量装置投放

分别在0.2 m和0.3 m试验水深条件下，进行4种装置的水下运动轨迹试验。试验发现，装置入水后在重力、水流拖曳力及浮力等外力共同作用下，运动轨迹呈曲线型式。图2绘出了工况4-0.2-0.6（0.2表示水深为0.2 m.0.6表示流速为0.6 m/s）和工况4-0.3 -0.4下4种装置的运动轨迹，其中坐标原点为装置入水点，横坐标表示横向位移，纵坐标表示纵向位移。由图2知，0#装置触底时横向位移最大，3#装置触底时横向位移最小，排序为0#>1#>2#>3#.触底时横向位移与装置质量有较好的负相关关系。虽然0#装置阻水体积较小（镂空）.但其质量明显小于其他装置，从动量守恒角度讲，其在水流冲击作用下，对水流的横向响应更为强烈，横向加速度及速度大于其他装置。图3点绘了不同装置质量与触底时横向漂距（X，）的关系。由图3知，随着装置质量的增大，触底横向位移呈现减小的趋势。

此外，通过试验还可以看出，装置的质量越大，其横向移动对水流的冲击响应越滞后（见图2），其中1#装置入水后发生明显横向位移的时间短于2#装置，2#装置入水后发生明显横向位移的时间短于3#装置。产生该现象的原因主要与加速度有关，即相同尺寸的3个装置，在受水流横向冲击力相同的情况下，质量越大，其加速度越小，对冲击力的响应越滞后。

3.2 不同水深投放

为研究相同流速条件下不同水深对装置水下轨迹的影响，选取工况4-0.2-0.6与工况6-0.3 -0.6进行试验，两个组次的平均流速均为0.6 m/s。

图4点绘了1#、2#、3#装置的水下轨迹。由图4知水深对装置的水下轨迹影响显著，小水深下装置运动轨迹在大水深轨迹的上方，表明在装置入水高度相同的情况下，小水深的横向位移更大，这主要与水流流速的垂向分布特性有关。此外，由于水深越大，水流对装置的横向冲击时间越长，因此大水深下装置的Xt要大于小水深下的Xt。

3.3 不同流速投放

为研究相同水深条件下不同流速对装置水下轨迹的影响，选取工况4-0.3-0.4、工况6-0.3 -0.6、工况8-0.3-0.8进行试验.3个组次的水深均为0.3 m，平均流速依次为0.4、0.6、0.8 m/s。

图5点绘了1#、2#、3#装置的水下轨迹。由图5知流速对装置的水下轨迹影响较为明显，高流速下装置的运动轨迹在低流速轨迹的上方，表明在装置入水高度相同的情况下，高流速下装置的横向位移更大。高流速對装置的横向冲击力大，其对水流冲击力的横向响应更敏感，从而导致高流速条件下装置触底时的横向位移要大于低流速下装置触底时的横向位移。

4 装置触底横向漂距预测方法及合理性验证

4.1 装置触底横向漂距预测方法

装置横向漂距的有效预测是装置抛投点确定的关键。根据前述分析，影响装置触底横向漂距的主要因素包括装置质量m、流速v、水深h，且触底横向位移与质量成反比、与流速和水深成正比。因此，采用量纲分析方法构建以下无量纲数[13]。

4.2 公式应用及合理性验证

基于对室内水槽试验条件下装置水下运动特性的认识及提出的漂距预测公式，设计了原型装置的水动力试验方案，并开展了原型试验研究。原型试验在江苏省防汛抢险训练基地开展，较大程度地模拟了溃口实际水动力条件。试验采用起重机抛投了2种尺寸相同但质量不同的原型装置（见图7、图8），采用水位尺测量试验水深，采用数显式流速仪测量流速，拍摄视频记录装置运动过程，并基于刻度尺反算漂距，试验条件、实测漂距及运用预测公式（8）预测的漂距见表4。可知预测漂距相对误差在25%以内，表明提出的装置触底横向漂距预测公式具有一定的合理性，对该装置在防汛抢险中的应用具有一定的指导意义。

5 结论

对堵口装置的水下运动特性进行了系统的水槽试验研究，分析了其水下运动轨迹与相关参数的关系，并在原型试验中予以合理性验证，具体结论如下。

（1）装置在一定流速的水流中运动轨迹呈现曲线形式，随着水深增加，其横向运动速度逐渐增大。

（2）水深及水流与装置横向漂距正相关，装置横向漂距与装置质量负相关。

（3）建立了表征水流条件及装置质量的无量纲数，并构建了含有水深、流速及装置质量的装置触底横向漂距的预测公式。由公式结构形式知，水深变化对装置触底横向漂距的贡献率要大于流速变化。

（4）原型试验验证了装置横向漂距预测公式的合理性，表明水槽试验相关结论对该装置应用在防汛抢险中有一定的指导意义。

参考文献：

[1]丁勇，河流洪水风险分析及省级洪水风险图研究[D].大连：大连理工大学，2010：12-13.

[2]李云，李君，溃坝模型试验研究综述[J].水科学进展，2009，20（2）：304-310.

[3] 马洪福，孙东坡，刘明潇，等，基于聚类分析的堤防溃口水力边界特征值研究[J].水力发电学报，2019，38（4）：75-86.

[4]洪娟，陈徐均，于伟，等，堵口料体及其应用技术研究综述[J].人民黄河，2009.31（8）：20-22.

[5]孙东坡，张耀先，王二平，等，堵口土工包沉落试验研究[J].武汉大学学报（工学版），2002，35（4）：33-37.

[6]周景芍，耿明全，黄淑阁.新型堵口料体水力特性试验研究[J].人民黄河，2003，25（3）：12-13.

[7] 孙芦忠，严建国，赵建钧，箱型结构物封堵溃坝水力学特性试验研究[J].长江科学院院报，2003，20（6）：9-11.

[8] 严建国，孙芦忠，赵建钧，箱型结构物封堵堤坝溃口的技术[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2004，5（4）： 77-80.

[9]贾志峰，富飞，投放重物封堵溃口试验探究[J].长江科学院院报，2011，28（9）：25-29.

[10] 陈云鹤，顾刚，焦经纬，等，堤坝决口快速封堵装置：ZL2017 2 0456022.8[P].2018-03- 09.

[11]南京水利科学研究院，水工模型试验[M].北京：水利电力出版社.1985：25-43.

[12] 陈徐均，于伟，洪娟，等，溃坝（堤）堵口单件水下运动特性试验[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2011，12（1）：48-53.

[13]徐婕，詹士昌，田晓岑，量纲分析的基本理论及其应用[J].大学物理，2004，23（5）：54-58.

【责任编辑许立新】

收稿日期：2019- 08 - 06

作者简介：洪娟（1980-）.女，江苏丹阳人，讲师，主要从事防汛抢险、桥梁防撞等方面的研究工作