充沙長管袋拋擲沉降運動-力學(xué)研究

1、充沙長管袋拋擲沉降運動-力學(xué)研究            摘要：本文對充沙長管袋這種新型的筑壩、搶險整治工程材料進行了拋擲沉降運動的力學(xué)分析研究與模擬計算。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)出了實用的管袋位移與轉(zhuǎn)角的計算公式。根據(jù)管袋拋擲的觀測資料，確定了沉降計算的有關(guān)參數(shù)；針對黃河水流、泥沙特點及現(xiàn)實施工條件進行了

2、多種管袋拋擲沉降的模擬計算，提出了適應(yīng)黃河丁壩防護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，抵抗洪水對丁壩壩體及附近河床的沖刷，達到搶險護壩的目的。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、搶險施工技術(shù)遇到的新問題。本文擬就長管袋拋擲沉降的力學(xué)過程進行初步的理論分析與模擬計算。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

3、管袋法線x與水流方向夾角為，見圖1.此時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：(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)

4、有關(guān)。實際管袋的形狀不規(guī)則，在沉降時還受水流紊動的影響，因此實際管袋在河流中的沉速應(yīng)寫成如下形式：(9) 式中：(10)將以上兩式整理為：(12)由于力的產(chǎn)生依賴于位移，所以力位移的計算在同一時步內(nèi)同時進行。塊體在多個力及重力作用下，其運動速度方程變?yōu)椋?14) 式中：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。 (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步增量的積分獲

5、得。用這種方法可以計算出管袋每一時刻的位置，比較精確地描述管袋的實際運動過程。    1.4 管袋沉降的計算方法 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。為了簡化計算，假定管袋運動速度很小，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。將管袋的運動分為水平運動和豎直向下運動兩部分。對于水平運動，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=d·1=d(19)將式(1)、(2