基于水力学方法的不同类型水下夯锤的夯击效能试验分析

李嘉兴

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

0 前 言

水下夯锤主要在水库、闸坝建设工程中对水下抛石进行夯实加固，水流绕流对不同类型夯锤的夯击效能影响较为明显[1]。不同类型下水下夯锤由于水流绕流作用的影响，其夯击效能差异程度较大。因此需要对不同类型水下夯锤的夯击效能进行试验分析，从而提高水下夯锤的夯击效能[2]。近些年来，通过一些水利工程建设实际，水下夯锤的夯击效能分析取得一定的研究成果[3-9]，但这些方法大都采用水下试验的方式进行，这种方式的优点在能较为真实的反应水下夯锤的夯击效能，适用于大型水利工程建设，但对于一些小型水利工程而言，这种方式需要耗费大量的人力和物力，需要结合一种另外一种方式进行不同类型水下夯锤的夯击效能分析。当前，水力学方法可以对水流绕流阻力进行较好的计算分析，而不同类型下水下夯锤的夯击效能可通过对水流绕流阻力计算得到，为此文章以水力学方法，通过对不同类型水下夯锤的水流绕流阻力进行计算，从而对其各类型水下夯锤的夯击效能分计算提供一种方法参考。

1 夯击效能计算方法

采用水流非均匀运动方程对不同类型水下夯锤的水流绕流阻力计算：

mg-ρwgV-Fs=ma

(1)

(2)

式中：m为夯锤质量，t；V为夯锤体积，m3；Fs为绕流阻力，kPa；Cf为阻力系数；v为速度相对值，m3/s；w为夯锤纵向面积，m2；ρw为水体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。对上述方程进行微分求解：

(3)

式中：x为夯锤击打距离，m；V为夯锤击打速率，m/s；η为质量比。相对速度初始计算方程为：

(4)

式中：k为摩擦阻力。夯锤的击打效能计算方程为：

(5)

式中：J′为夯击效能，J；J为夯击最大动能，J。

2 数值模拟结果

2.1 模拟参数分析

文章主要选用6种尺寸参数的水下夯锤进行各类型夯锤的夯击效能分析，不同类型水系夯锤的尺寸特征值，见表1。

表1 不同类型水系夯锤的尺寸特征值

对6种类型夯锤的主要参数进行了设定，本次试验设定各类型夯锤最大击打高度为2.5m,结合水流绕流水力学计算方程对各类型夯锤的击打效能进行数值计算。为提高数值求解方程的收敛程度，初始计算边界不进行设定，采用重复击打试验，当数值求解取得收敛解时，各类型夯锤的击打效能达到最高值。

3.2 夯锤类型下压力分析

分别设置水下夯锤下落高度分别为1.0m和2.5m，对不同下落高度各点位的击打效能进行计算，夯锤下落高度为1.0m时各点位击打效能分析结果，见表2；夯锤下落高度为2.5m时各点位击打效能分析结果，见表3。

表2 夯锤下落高度为1.0m时各点位击打效能分析结果

续表2 夯锤下落高度为1.0m时各点位击打效能分析结果

表3 夯锤下落高度为2.5m时各点位击打效能分析结果

从各类型夯锤不同下落高度的点位击打效能分析结果可看出，各类型水下夯锤随着夯次的增加其不同点位的击打效能总体呈现递增变化，对于圆柱型水下夯锤而言，其各夯次不同点位的击打效能总体在8.3J-13.0J之间，而圆台型水下夯锤其各夯次不同点位击打效能在14.0J-15.6J之间。相同点位下圆台型夯锤的击打效能均高于圆柱型夯锤。当夯锤下落高度为2.5m时，圆柱和圆台两种类型夯锤在各点位下的击打效能均高于夯锤下落高度为1.0m的各点位击打效能，高度的增加，使得各类型夯锤的重力势能增加，也相应的增加其点位的击打效能。从夯打效能分析结果还可看出，当夯锤下落高度达到2.5时，圆台6次夯下的击打效能最高值可达到51.8J。总体而言相比于圆柱型水下夯锤，圆台型夯锤的击打效能较高。

3.3 夯锤类型下夯沉量分析

在夯锤下落高度对击打效能分析的基础上，对不同类型水下夯锤的夯沉量进行分析，夯锤下落高度为1.0m时各点位夯沉量分析结同，见表4；夯锤下落高度为2.5m时各点位夯沉量分析结果，见表5。

表4 夯锤下落高度为1.0m时各点位夯沉量分析结果

表5 夯锤下落高度为2.5m时各点位夯沉量分析结果

分别对各类型水下夯锤的夯锤高度为1.0m和2.5m时的不同点位的夯沉量进行分析可看出，圆柱和圆台两种类型夯锤在各监测点随着夯次的增加其沉降量有逐步减小的变化规律，当夯锤下落高度为1.0m时，圆柱和圆台型夯锤在3次夯下各监测点平均夯沉率分别为9.477%和8.235%，均高于其他夯次下的平均夯沉率。圆柱型夯锤的平均夯沉率要好于圆台型夯锤。当夯锤下落高度为2.5m时，两种类型夯锤在各夯次下的平均夯沉率均要高于夯锤下落高度为1.0m时的夯沉率。因此在工程建设过程中，为提高夯锤对水下抛石的夯沉率，应尽量降低夯次。

3.4 夯锤尺寸对夯击效能影响分析

采用水力学方法对不同夯锤尺寸下的夯击效能进行分析，不同夯锤尺寸参数下的夯击效能分析结果，见表6。

在夯锤类型下的夯击效能分析的基础上，考虑到相同点位下，圆台型夯锤的夯击效能总体好于圆柱型夯锤，因此以圆台型夯锤为例，探讨圆台型夯锤不同尺寸参数下的夯击效能，从各尺寸参数下的夯击效能分析结果可看出，夯锤尺寸参数对夯击效能影响也较为明显，随着夯锤尺寸倍数的增加，其夯击效能也逐步提高，这主要是因为夯锤尺寸倍数的增加，可对应提高夯锤下落的夯击速率，由于夯击速率的增加，其相应的增加了其夯击效能。此外从不同夯锤尺寸倍数下的夯击效能变化可看出，当夯锤尺寸倍数在1.5-2.5倍之间变化时，其夯击效能变化较为明显，这是因为夯锤尺寸倍数较小时，夯锤速率变化较大，随着夯锤尺寸数增加后，水下夯锤受水流绕流作用影响程度增加，降低其速率变化程度，使得其夯击效能递增幅度降低。

表6 不同夯锤尺寸参数下的夯击效能分析结果

4 结 论

1)各类型水下夯锤随着夯次的增加其不同点位的击打效能总体呈现递增变化，对于圆柱型水下夯锤而言，其各夯次不同点位的击打效能总体在8.3J-13.0J之间，而圆台型水下夯锤其各夯次不同点位击打效能在14.0J-15.6J之间。

2)当夯锤下落高度为2.5m时，两种类型夯锤在各夯次下的平均夯沉率均要高于夯锤下落高度为1.0m时的夯沉率。因此在工程建设过程中，为提高夯锤对水下抛石的夯沉率，应尽量降低夯次。

3)当夯锤尺寸倍数在1.5-2.5倍之间变化时，其夯击效能变化较为明显，这是因为夯锤尺寸倍数较小时，夯锤速率变化较大，随着夯锤尺寸数增加后，水下夯锤受水流绕流作用影响程度增加，降低其速率变化程度，使得其夯击效能递增幅度降低。