水利工程論文-充沙長管袋拋擲沉降運(yùn)動的力學(xué)研究.doc

水利工程論文-充沙長管袋拋擲沉降運(yùn)動的力學(xué)研究摘要：本文對充沙長管袋這種新型的筑壩、搶險(xiǎn)整治工程材料進(jìn)行了拋擲沉降運(yùn)動的力學(xué)分析研究與模擬計(jì)算。根據(jù)充沙長管袋的幾何、材料特性，本文分析了管袋沉降機(jī)理與沉降速度；在多個小塊柔性連接體的假設(shè)下，對拋擲在河流中的管袋進(jìn)行了力學(xué)分析與動力學(xué)過程的研究，建立了管袋沉降的連續(xù)體數(shù)學(xué)模型。通過合理簡化，導(dǎo)出了實(shí)用的管袋位移與轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式。根據(jù)管袋拋擲的觀測資料，確定了沉降計(jì)算的有關(guān)參數(shù)；針對黃河水流、泥沙特點(diǎn)及現(xiàn)實(shí)施工條件進(jìn)行了多種管袋拋擲沉降的模擬計(jì)算，提出了適應(yīng)黃河丁壩防護(hù)的管袋尺寸及位移范圍值。關(guān)鍵詞：丁壩充沙長管袋沉降速度位移與轉(zhuǎn)角近年河務(wù)部門嘗試采用將填充泥沙的土工織物長管袋拋擲在丁壩周圍，利用其柔性、貼體、防沖的特點(diǎn)，抵抗洪水對丁壩壩體及附近河床的沖刷，達(dá)到搶險(xiǎn)護(hù)壩的目的。有關(guān)柔性長管袋拋擲后的力學(xué)特性以及管袋在河流中的位移、穩(wěn)定定位的確定，是河道壩岸工程設(shè)計(jì)、搶險(xiǎn)施工技術(shù)遇到的新問題。本文擬就長管袋拋擲沉降的力學(xué)過程進(jìn)行初步的理論分析與模擬計(jì)算。1管袋拋擲的力學(xué)模型1.1長管袋的水平作用力為了便于理論分析，下面將實(shí)際工程中采用的長管袋概化為直徑d長度L的柔性圓柱體。按水平拋擲管袋法線x與水流方向夾角為，見圖1.此時(shí)洪水來流流速可以分解為垂直于管袋軸線的x方向和平行于管袋軸線的y方向的分速度x、y：x=cos,y=sin(1)水流對管袋的作用力F也可分解為垂直和平行于管袋軸線方向的分力Fx、Fy，分別進(jìn)行研究。在河流中沿管袋軸線的流速分布不均勻，所以取單位長管段研究垂直管袋軸線的水流作用力：fx=CdmAd(x)2/2g(2)式中：fl洪水對單位長管段的水平作用力；Cd管袋繞流阻力系數(shù)；m渾水容重；Ad單位長管段的繞流特征面積；x水流與管袋間的相對速度。由式(2)，可將垂直于管袋軸線方向合力表示為：(3)1.2管袋在水中的沉降特性充沙長管袋在河流中的水力特性是指長管袋在水中的沉降規(guī)律，常以長管袋的沉降速度表征。拋擲在水中的管袋受到重力作用下沉，初始向下作加速運(yùn)動，同時(shí)也產(chǎn)生繞流阻力。當(dāng)管袋的有效重力與管袋所受的繞流阻力相平衡時(shí)，管袋將以勻速繼續(xù)下沉。管袋在水體中勻速下沉的速度稱為管袋沉速，用表示。管袋沉速的大小主要與管袋的尺寸、泥沙密實(shí)度和繞流狀態(tài)有關(guān)。實(shí)際河流洪水流速較高、Re較大，觀測表明管袋沉降時(shí)引起周圍水體強(qiáng)烈的擾動，屬于強(qiáng)紊動沉降狀態(tài)。長管袋形狀不很規(guī)則，沉降規(guī)律比較復(fù)雜。如果設(shè)管袋與河水的容重分別為s和m，則管袋在水中沉降時(shí)受到的有效重力為：W=(s-m)d2/4L(4)管袋下沉?xí)r受到水體的繞流阻力為：Fd=CdmAd2/2g=CdmdL2/2g(5)式中：管袋沉速；Cd垂向繞流阻力系數(shù)；Ad繞流特征面積。當(dāng)管袋勻速下沉?xí)r，必定有W=Fd，由上述力學(xué)分析則可導(dǎo)出管袋沉降速度：(6)上式是管袋沉降規(guī)律的一般形式，式中繞流阻力系數(shù)與管袋沉降狀態(tài)有關(guān)。實(shí)際管袋的形狀不規(guī)則，在沉降時(shí)還受水流紊動的影響，因此實(shí)際管袋在河流中的沉速應(yīng)寫成如下形式：(7)式中：K與管袋形狀、尺寸有關(guān)的沉降系數(shù)。根據(jù)相關(guān)實(shí)測資料分析，其值一般可取0.821.15之間。渾水容重m與含沙量有關(guān)：m=+0.623S；S渾水含沙量，單位為kg/m3.長管袋拋投在水中沉降，沉降時(shí)間與拋投點(diǎn)處的水深H和管袋的沉速有關(guān)。如果將動水的影響以系數(shù)c修正，則長管袋在水中的沉降時(shí)間t可表示為：t=cH/(8)圖1丁壩前拋擲管袋示意圖2水平面內(nèi)管袋拋擲受力示意1.3管袋沉降的連續(xù)體數(shù)學(xué)模型充沙長管袋可視為多個小塊體的柔性連接體，假定各小塊體為剛體，它們的運(yùn)動由作用在其上的合力及合力矩所決定，或平移或圍繞其形心的轉(zhuǎn)動。從簡化考慮，分別研究沿x-y和y-z兩個平面運(yùn)動，用增量法逐步計(jì)算出小塊體的位移。一單個塊體在變化的外力Fk作用下產(chǎn)生的運(yùn)動，可用牛頓第二運(yùn)動定律描述：(9)式中：小塊體的形心運(yùn)動速度；Fk小塊體形心處所受到的合力，m小塊體的質(zhì)量；t時(shí)間。上式左邊采用中心差分格式，在時(shí)間t可表達(dá)為：(10)將以上兩式整理為：(11)上式中半個時(shí)步點(diǎn)的速度可以用小塊體形心位移u的形式寫出：(12)由于力的產(chǎn)生依賴于位移，所以力位移的計(jì)算在同一時(shí)步內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。塊體在多個力及重力作用下，其運(yùn)動速度方程變?yōu)椋?13)(14)式中：塊體對于其形心的角速度；I塊體的慣性矩；gi塊體的重力加速度分量；i塊體形心的速度分量；(i=x,y).根據(jù)以上兩式得出新速度，可以由下式確定出塊體的新位置。(15)(16)式中：i塊體繞其形心的轉(zhuǎn)動量；xi塊體形心的坐標(biāo)分量；(i=x,y).這樣每一迭代過程中產(chǎn)生塊體的新位置都導(dǎo)致新的接觸力。合力與合力矩產(chǎn)生線加速度和角加速度，塊體的速度和位移可由整個時(shí)步增量的積分獲得。用這種方法可以計(jì)算出管袋每一時(shí)刻的位置，比較精確地描述管袋的實(shí)際運(yùn)動過程。1.4管袋沉降的計(jì)算方法這里主要考慮在水平面內(nèi)，確定管袋順丁壩軸線拋擲的位移及轉(zhuǎn)角。為了簡化計(jì)算，假定管袋運(yùn)動速度很小，水流對管袋的作用力因管袋的移動僅改變很小，這樣可將水流與管袋的相對速度用水流速度代替。為了正確反映水流對管袋的作用力，應(yīng)該對流速加以修正：=C(17)式中：C流速修正系數(shù)。修正系數(shù)C隨水流速度的不同而變化。將管袋的運(yùn)動分為水平運(yùn)動和豎直向下運(yùn)動兩部分。對于水平運(yùn)動，拋擲管袋受力示意如圖2所示。其中Fx為作用于與管袋軸線垂直方向分力，是Fx偏離管袋重心的系數(shù)。根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律：ax=Fx/m(18)考慮到管袋質(zhì)量m=s/4gd2L,有單位長管袋繞流面積為：Ad=d1=d(19)將式(1)、(2)、(3)、(17)、(19)代入式(18)得：(20)管袋所受到的合力矩M為：M=LFx，則管袋的轉(zhuǎn)動慣量為：I=m/48(3d2+4L2)(21)而管袋繞其形心的角加速度為：=M/I(22)將式(1)、(2)、(3)、(17)、(19)、(21)代入式(22)得：(23)管袋重心的水平位移為：u=1/2axt2(24)將式(20)、(8)、(7)代入式(24)得：(25)因?yàn)橄鄬艽嘉恢玫霓D(zhuǎn)角為：=1/2t2(26)將式(23)、(8)、(7)代入式(26)得：(27)式中為：(28)若將管袋順?biāo)鞣较驋仈S(管袋軸線平行水流方向)，推導(dǎo)過程與上述類似故從略，則位移計(jì)算公式為：u=CdC2c2/4K2H22/Lgd2m/s(s-m)(29)2管袋拋擲沉降的模擬計(jì)算2.1計(jì)算參數(shù)的確定在管袋運(yùn)動理論分析中出現(xiàn)的有關(guān)參數(shù)，如繞流阻力系數(shù)Cd、管袋形狀影響系數(shù)K、沉降綜合影響系數(shù)c、相對運(yùn)動影響的流速修正系數(shù)Cv等，都是影響管袋沉降物理過程的重要因素。但這些系數(shù)目前都缺乏可供計(jì)算的公式，因此可靠的參數(shù)只有依靠大量管袋拋擲實(shí)測資料來推求、校驗(yàn)。目前在黃河堤防工程中如丁壩防護(hù)，已有使用管袋的實(shí)例。根據(jù)收集到的管袋拋擲現(xiàn)場觀測資料，一般水深H在2m14m之間，流速v在0.7m/s1.5m/s之間，大河含沙量S=60kg/m3左右；管袋直徑D=0.8m1.0m，管袋長L=7m10m，管袋填充度即管袋內(nèi)泥漿或土體容重s=1200kg/m32100kg/m3.對這些實(shí)測資料進(jìn)行分析，初步率定了有關(guān)參數(shù)見表1、表2.應(yīng)用有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了管袋位移及轉(zhuǎn)角的模擬計(jì)算，計(jì)算值基本與實(shí)測值吻合，見圖3.這表明所選參數(shù)基本合理，可以用來預(yù)測典型設(shè)計(jì)條件下的管袋沉降問題。表1順?biāo)鞣较驋仈S管袋參數(shù)參數(shù)名稱CdKcCv參數(shù)數(shù)值0.651.13.60.550.65表2垂