水下基槽模型试验与数值模拟研究★

杨冀亮，李高攀

(中国电建市政建设集团有限公司，天津 300384)

1 概述

在沉管工程的设计与施工过程中，基槽边坡的变形和稳定性是工程成败的关键。特别是在河道不断航情况下进行沉管施工，保证水下基槽的稳定性尤为重要。国内外学者在该领域已有一些研究成果。陈庆中等[1]采用模型试验的方法对水下砂质边坡进行了稳定性分析，研究了流速对水下砂质边坡稳定坡角的影响，但仅仅得到了砂质边坡在水流作用下的变形规律，水流与稳定坡角之间的具体数量关系并没有给出。林枫等[2]分析了流速、坡率对水下边坡稳定性的影响，计算得到了基槽边坡的稳定坡率，但仅对基槽边坡做了静力分析，没有考虑动水作用下的基槽边坡稳定问题。王晨希等[3]研究了水下边坡稳定性与冲刷范围的关系。通过分析苏通大桥冲刷坑的形状及水流测深等实测数据，得到了冲刷坑边坡的冲刷稳定坡角。曹影峰等[4]针对沉管隧道基槽边坡稳定性进行了分析研究，主要考虑了回淤对基槽边坡稳定性的影响。通过对试挖槽的观测研究，得到了回淤厚度对基槽边坡稳定性的影响。Lijun Ke等[5]针对海底管道沟槽边坡进行了稳定性分析，采用有限元极限上限解法与下限解法研究了倾斜海床和水平海床中埋管沟槽的不排水稳定性。由于水下基槽边坡受地质及水流条件的影响，水下边坡的稳定性十分复杂，本文结合引江济淮某沉管工程，采用自制的模型试验装置进行基槽土坡过水试验，利用图像位移法测量土坡位移变形。利用FLUENT软件，采用欧拉多相流模型模拟水槽内水流、空气、沙子的相互作用。通过基槽边坡模型试验和数值模拟，得到了基槽在水流作用下的位移变化特征和稳定性变化规律。

2 模型试验

2.1 试验装置及步骤

在自行研制的水槽内开展基槽土坡过水试验，试验装置由上水箱和水槽组成。其中，上水箱长75 cm,宽60 cm，高40 cm；水槽长150 cm，宽25 cm，高60 cm，采用透明亚克力板制成。在水槽正面刻画有1 cm×1 cm标准网格。试验中，水流的流向从左往右流动，将基槽左边坡称为顺水坡，右边坡称为逆水坡。由于试验用的砂土的内摩擦角φ=34.5°，根据极限平衡法，无黏性土坡的内摩擦角就是土坡的休止角，因此，在无水条件下，基槽边坡坡角小于34.5°就可以保持稳定。本试验采用1∶1.5的坡率进行基槽过水试验。

水箱模型试验装置设计如图1所示。

模型试验步骤如下：

1)涂油。为了防止基槽过水时，基槽边界土体黏滞在水槽壁上影响观测，在水槽侧壁涂上一层润滑油，以减少土体与壁面的摩擦。

2)填土。将原状土经晒干、过筛后，填筑在水槽内，填筑高度为30 cm。

3)浇水饱和。给水槽内的填土浇水，使其逐渐达到饱和状态，模拟河床的原始状态。

4)挖槽。在试验模型内挖出固定坡比的基槽，本试验基槽的坡比为1∶1.5。

5)放水。向基槽内注水，通过阀门控制进水流量。

6)试验全程采用高速摄像机记录。

关键试验步骤如图2所示。

2.2 试验结果分析

分两种工况对基槽土坡进行过水试验，过水流量分别为0.002 m3/s和0.003 m3/s。对试验录像进行处理，根据图像位移法，得到边坡位移轮廓曲线如图3所示。

根据砂土基槽在动水水流作用下的位移轮廓曲线，可以发现，砂土边坡的滑坡近似呈直线型，这与理论相符。另外，通过观察还发现，水流流过基槽时，先在左边坡形成冲刷，并在右边坡形成堆积。随着水流的冲刷作用，顺水坡越来越缓，而基槽内的砂土慢慢堆积，逆水坡坡度也逐渐变缓。在一段时间后，基槽边坡达到稳定，不再受水流流动的影响，此时，两边坡的坡度都不再变化，但顺水坡比逆水坡坡度更小，更缓和。

通过比较不同流速下的边坡位移轮廓曲线，可以发现，流速越大，基槽边坡达到稳定的时间越短。试验结果显示，当流量为0.002 m3/s时，水流在作用45 s后基槽轮廓不再随时间变化，边坡达到了稳定。而当流量为0.003 m3/s时，水流作用20 s后，基槽轮廓达到稳定。图4为基槽最后形成的稳定坡角与进口流量关系曲线，可以看到，进口流量越大，基槽边坡最后形成的稳定坡角越小。这说明，砂土在水下的休止角受水流流速影响。流速越大，砂土的休止角越小，基槽边坡最后形成的稳定坡角越小。另外，曲线也表明，顺水坡稳定坡角比逆水坡更小。

3 数值模拟分析

砂土由于黏聚力低、光滑、颗粒性好、流动性好，所以可以当作流体来考虑。因此，水流流过砂土基槽的过程可以看作是沙子、水流、空气三种流体的互动。FLUENT软件可以用来模拟包括气、液、颗粒的三相混合流。FLUENT多相流模型包括VOF多相流模型、欧拉多相流模型与混合多相流模型等。欧拉多相流模型通常用来模拟相互渗透的各种流体，包括颗粒相流体与非颗粒相流体的相互混合作用。本文采用欧拉多相流模型来模拟水槽内水流、空气、沙子的相互作用。

砂土基槽多相流模拟重要参数设置如表1所示。

表1 气液沙多相流模拟重要参数设置

当进口流量Q设置为0.003 m3/s时，多相流模拟计算结果如图5所示。通过观察砂土固相云图，可以发现，水流流过基槽时，会对顺水坡形成冲刷，并在基槽逆水坡形成堆积，顺水坡由于冲刷坡度变缓，逆水坡由于堆积也在变缓。由于多相流模拟是将固体也考虑成流体来模拟，所以固相结果云图中砂土有扩散上浮现象，基槽整体位移形变特征比室内模型试验结果更大，但水流流过砂土基槽时，砂土的位移形变规律是一致的。

图5(a)为模拟进程在0.00 s时，水箱水位设定为预定水位，水流流速为0；图5(b)为模拟进程在10 s时，进口流量Q设置为0.003 m3/s，基槽中土体固相云图，此时顺水坡上游土体被水流冲入基槽中，在基槽中心位置形成凸起；图5(c)为模拟进程在20 s时，基槽中土体固相云图，此时基槽底部土体进一步堆积，堆积土体向逆水坡移动；图5(d)为模拟进程在30 s时，基槽中土体固相云图，此时基槽底部土体堆积高度增加；图5(e)为模拟进程在40 s时，基槽中土体固相云图，此时基槽底部土体堆积凸起高度接近坡顶高度；图5(f)为模拟进程在60 s时，基槽中土体固相云图，此时基槽底部土体进一步堆积，基槽基本被填满。

通过观察砂土固相云图可以发现，水流流过基槽时，会对顺水坡形成冲刷，并在基槽逆水坡形成堆积，顺水坡由于冲刷坡度变缓，逆水坡由于堆积也在变缓。由于多相流模拟是将固体也考虑成流体来模拟，所以固相结果云图中砂土有扩散上浮现象，基槽整体位移形变特征比室内模型试验结果更大，但水流流过砂土基槽时，砂土的位移形变规律是一致的。综合试验和模拟结果，实际工程中，对水下为砂性土开挖基槽，需考虑水流对砂土的影响，采取相应措施，保证基槽边坡的稳定性和施工的安全性。

4 结论

本文通过砂土基槽边坡过水模型试验与多相流数值模拟试验，研究了无黏性土基槽在水流流过时的位移形变情况。当水流流过砂土基槽时，先在顺水坡坡顶形成冲刷，并在逆水坡坡脚形成堆积。顺水坡由于冲刷而导致边坡坡度变缓，而逆水坡由于堆积而坡度变缓。顺水坡最后形成的稳定坡角比逆水坡更小、更平缓。因此，在动水水流作用下，基槽顺水坡比逆水坡更容易失稳，需要更小的坡度来维持稳定。

通过对比不同流量下的基槽土坡位移轮廓曲线，可以发现，流速越大，砂土的水下休止角越小，基槽边坡最终形成的稳定坡角越小，且顺水坡稳定坡角比逆水坡更小。

室内模型由于尺寸效应，相比真实的河流，静水压力的作用可以忽略不计。因此，可以得出结论，水下基槽边坡的失稳是由于动水压力的作用造成的。