不同堤體坡比充填管袋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗研究

不同堤體坡比充填管袋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗研究

0充填管袋穩(wěn)定性分析填海大壩填充技術(shù)是河口、海岸等海防工程中應(yīng)用的一項重要技術(shù)。由于波浪的作用直接影響到水庫建筑的安全和穩(wěn)定性，因此有必要研究沖浪板在波浪中的穩(wěn)定性。國外對波浪作用下圓形充填管袋的穩(wěn)定性做了很多研究,文獻研究了2—1堆積形式下上層充填管袋的穩(wěn)定性并進行了理論計算分析,由靜力平衡條件推得穩(wěn)定公式ΗΔb=c13/4(1+k)c2(1)HΔb=c13/4(1+k)c2(1)式中H為臨界波浪浪高;k為波浪影響系數(shù);c1、c2為與管袋相關(guān)的系數(shù);b為管袋的寬度;Δ=(ρc-ρw)/ρw,ρc為充填材料的密度,ρw為水的密度。充填管袋在我國的應(yīng)用則大多選用矩形截面的扁平型管袋。圓形管袋主要是由波浪力在頂層產(chǎn)生傾覆力矩而失穩(wěn)(充填管袋平行于防波堤軸向),矩形管袋則是由于波浪力作用使管袋層之間產(chǎn)生滑移而失穩(wěn),因而式(1)不能應(yīng)用于國內(nèi)工程中。文獻研究了波浪作用下矩形充填管袋的穩(wěn)定性,得出穩(wěn)定公式為ΗΔl=f3/4(1+k)n(2)HΔl=f3/4(1+k)n(2)式中f為充填管袋之間的摩擦系數(shù);l為充填管袋的長度;n=1-0.5m,m為上層管袋水面線以上部分面積與整個橫截面面積之比;其它參數(shù)同式(1)。我國充填管袋工程設(shè)計時鮮有可以依據(jù)的設(shè)計準(zhǔn)則,大多是參考以往工程經(jīng)驗。由文獻可知,斜坡上波浪壓力的打擊中心點位置隨著坡比、波陡等因素而變化。式(2)中由于系數(shù)k的選擇存在困難,并且未考慮到堤前水深、堤體坡比和波陡對堤體結(jié)構(gòu)的影響,所以還沒有在實際工程中廣泛應(yīng)用。因此,有必要對充填管袋在不同堤前水深、不同堤體坡比和不同波陡的情況下,波浪對其作用的穩(wěn)定性進行分析。1試驗?zāi)Ｐ秃驮囼灧椒?.1充填管袋堤頂模型本次模型試驗采用的是小型波浪水槽,長35m、寬0.5m、高1.3m。在水槽的一端安裝有造波機,產(chǎn)生試驗所需各種工況的波浪,試驗均采用規(guī)則波進行模擬,波浪水槽模型布置見圖1。試驗結(jié)合國內(nèi)采用充填管袋筑壩的實際情況,參考長江口現(xiàn)場試驗工程所采用的施工管袋尺寸(2000cm×1500cm×60cm、2000cm×1230cm×60cm、2000cm×960cm×60cm及300cm×300cm×60cm等充填管袋規(guī)格)。模型堤壩均采用矩形扁平型充填管袋壘筑而成,模型管袋內(nèi)采用中砂充填。模型比尺取為1∶35,固定模型堤頂寬度為17.1cm,考慮到試驗條件,管袋模型長取為50cm,選取4種坡比為1∶1.2、1∶1.5、1∶2.0及1∶2.5。模型放置在水槽平底上,底部高10.6cm部分用水泥平臺代替充填管袋,模型總高度為28.6cm,充填管袋堤壩模型布置全景見圖2。試驗過程中,在進行波高率定時,保證波浪不破碎,同時還綜合考慮到實驗室試驗設(shè)備條件,造波機能夠產(chǎn)生的最大波高等因素,選取4種堤體坡比下的試驗工況見表1。1.2測試方法1.2.1壩下管袋結(jié)構(gòu)持續(xù)穩(wěn)定工程在試驗之前先對充填管袋的破壞現(xiàn)象進行研究。在進行一系列波浪作用后,通過對充填管袋現(xiàn)象的觀察,初步提出管袋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀況為:①穩(wěn)定:管袋迎水面有輕微的掀起現(xiàn)象,但管袋與管袋之間并無滑動,即沒有位移產(chǎn)生,堤壩管袋結(jié)構(gòu)保持靜止;②臨界穩(wěn)定:堤壩某高程上下層管袋之間偶有輕微相互移動,但在波浪持續(xù)作用下,相鄰兩層管袋并未發(fā)生明顯的相對位移,堤壩仍能保持其結(jié)構(gòu)的完整性;③失穩(wěn)破壞:堤壩某高程管袋之間發(fā)生明顯的相對位移,甚至有的管袋被沖出堤體,整個堤壩不能保持其結(jié)構(gòu)的完整性。1.2.2基于波浪作用的臨界波高將模型管袋按設(shè)計的堤體坡比在波浪槽內(nèi)鋪好后,對波浪槽灌水使其水深達到所設(shè)定的模型水深(如26cm),待水面基本平靜后開啟控制器,依據(jù)表1依次調(diào)節(jié)此模型水深下的波高,同時觀察充填管袋在波浪作用下的現(xiàn)象,直到某一波高波浪作用下充填管袋達到臨界失穩(wěn)狀態(tài),則此波高即為此模型水深、堤體坡比及波陡下的臨界波高。依此類推就可得到不同波陡、模型水深及堤體坡比下充填管袋結(jié)構(gòu)的臨界波高?？紤]到波浪對生波機的反射作用,每次生波以15個周期計,且每次造波前要確保水面基本平靜。2在管袋水庫的高臨高度2.1臨界波的計算按以上的試驗步驟進行試驗,就可得到不同波陡、模型水深及堤體坡比下充填管袋的臨界波高。由于試驗條件的限制,所測得管袋結(jié)構(gòu)的臨界波高不是一個具體的波高值,而是處在兩個波高的區(qū)間中,所得數(shù)據(jù)見表2、表3。2.2堤體臨界穩(wěn)定性由表2和表3的分析可得出以下結(jié)論:(1)波陡H/L為1/20比1/15更不利于充填管袋堤壩的穩(wěn)定。(2)水深越深,越不利于堤壩穩(wěn)定。從試驗選擇的4種模型水深來看,無論1/20波陡、1/15波陡,在模型水深為26cm時,對各種堤體坡比,堤體管袋均有位移產(chǎn)生,堤壩處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)模型水深為22cm時,在坡比為1∶1.2的情況下,1/20波陡的波浪會使充填管袋產(chǎn)生臨界失穩(wěn);而當(dāng)模型水深為18cm和14cm時,在給定的波要素作用下,堤壩均不會失穩(wěn)。(3)堤體坡比越小,堤壩達到臨界穩(wěn)定狀態(tài)下臨界波高的總的趨勢是減小的。但此試驗中在波陡為1/20的波浪作用下,坡比為1∶2.5時的臨界波高在8.5cm與9.5cm之間,小于其它幾種坡比下的臨界波高。由此可看出,坡比越小的堤體并不一定就越穩(wěn)定,不能僅僅通過減小堤體坡比來提高堤壩的穩(wěn)定性,可能還應(yīng)考慮與其它條件(如堤頂寬度等)的組合,使其達到最優(yōu)。(4)在給定的波要素作用下,不同波陡及各種不同坡比的工況下,不利于堤壩模型穩(wěn)定的臨界波高大多介于9.5cm與10.5cm之間。3波浪影響下管袋的位移3.1管袋結(jié)構(gòu)及位移試驗采用4種不同堤體坡比,分別在設(shè)計的波浪要素作用下,沖擊充填管袋使其達到臨界穩(wěn)定狀態(tài),此時,管袋結(jié)構(gòu)中的某些充填管袋有位移產(chǎn)生。對于不同的工況,臨界失穩(wěn)時產(chǎn)生位移的管袋層均有所不同。堤體坡比為1∶2.5,在堤壩受波浪沖擊達到臨界穩(wěn)定狀態(tài)時,堤壩第二層充填管袋有位移產(chǎn)生;坡比變陡為1∶2.0時,在臨界失穩(wěn)狀態(tài)時,第四層充填管袋有位移產(chǎn)生;坡比變陡為1∶1.5,堤壩臨界失穩(wěn)時,不穩(wěn)定管袋層仍達到第四層。而當(dāng)坡比繼續(xù)變陡,到1∶1.2時,由波浪沖擊堤壩到臨界失穩(wěn)狀態(tài),最初只有最頂層充填管袋有位移產(chǎn)生,當(dāng)繼續(xù)沖擊可以發(fā)現(xiàn),頂層管袋迅速被沖下堤體,然后一層一層管袋,均受波浪沖擊而沖出堤體,整個堤壩失穩(wěn)破壞(這里的第幾層充填管袋,是指按從上到下的順序,也即堤壩頂層即為第一層,以下依次為第二、第三層等等)。由此可得出以下結(jié)論:(1)管袋堤壩受波浪沖擊,達到臨界穩(wěn)定狀態(tài)時,不一定只是在最頂層充填管袋才有位移產(chǎn)生。根據(jù)試驗,在臨界失穩(wěn)的狀態(tài)下,有位移產(chǎn)生管袋可達到第四層。(2)坡比為1:1.2時,在波浪沖擊作用下,頂層管袋極易產(chǎn)生位移,甚至被沖出堤體,然后一層一層被沖掉,整個堤壩失穩(wěn)破壞。3.2用軟管袋填充3.2.1管袋充填體剛度早在1965年,Newmark曾用塊體滑動理論來計算土壩在地震荷載作用下的位移。后來,這種方法又延伸應(yīng)用到別的相關(guān)領(lǐng)域。對于在波浪作用下充填管袋的位移,可采用塊體滑動理論并參考波浪作用下沉箱位移公式來計算。采用此位移計算理論,考慮上層充填管袋為一嚴格塊體,其阻尼和剛度特性忽略不計,管袋的位移遵循嚴格的塑性法則——庫倫準(zhǔn)則。水平向充填管袋結(jié)構(gòu)的運動方程可表示為γwVg¨x=Ρ-μ(γ′V-U)(3)γwVgx¨=P?μ(γ′V?U)(3)式中γw、γ′分別為管袋充填體的濕容重及浮容重;V為所考慮管袋體的體積;¨x及g為充填管袋水平加速度和重力加速度;P及U分別為作用在充填管袋上的波浪水平力和上抬力;μ為與下層管袋之間的摩擦系數(shù)。采用波浪系數(shù)Ch、Cu及充填管袋有效重量來表示在波浪作用下充填管袋受到的波浪水平力和上抬力,即P=Chγ′V(4)U=Cuγ′V(5)因此式(3)可簡化為¨x=γ′γw[Ch-μ(1-Cu)]g(6)根據(jù)靜力平衡理論,上下層充填管袋之間滑動的安全系數(shù)Fs用管袋受到的抗滑力與波浪推力之比來定義,并考慮式(4)、式(5)得安全系數(shù)為Fs=μ1-CuCh(7)當(dāng)充填管袋結(jié)構(gòu)安全系數(shù)Fs=1時,充填管袋即將開始滑動,剛開始滑動這一刻的水平力波浪系數(shù)記為Chy,考慮式(7)并引入水平力和上抬力波浪系數(shù)之比r=Cu/Ch,可得臨界水平力波浪系數(shù)(Fs=1時)為Chy=μ/(1+rμ)(8)當(dāng)波浪沖擊過程中,由波浪系數(shù)之比和摩擦系數(shù)就可判別管袋的狀態(tài)。并可進一步簡化充填管袋水平加速度為¨x=γ′γw(Ch-Chy)g(9)當(dāng)波浪作用力超過了臨界值,充填管袋開始運動,最終導(dǎo)致位移。在波浪持續(xù)作用過程中,對充填管袋運動加速度進行積分,便可求得管袋的位移x=γ′γw?(Ch-Chy)gdt(10)為了得到保守的結(jié)果,這里把因波浪回帶(朝向海方向)時產(chǎn)生的充填管袋位移忽略不計。3.2.2chy時間曲線當(dāng)某一部分充填管袋因波浪作用而產(chǎn)生位移,記此波浪的波浪系數(shù)峰值為Cho、Cuo,假設(shè)波浪力～時間曲線為正弦曲線,則波浪系數(shù)～時間曲線亦為正弦曲線,Cho、Cuo即為此曲線的峰值。此曲線ω值可由波浪周期算得:ω=2π/T,曲線可表示為Ch=Chosin(ωt);Cu=Cuosin(ωt)(11)由式(8)可繪出Chy～時間曲線,并對式(10)積分可得速度～時間、位移～時間曲線,其大致形狀如圖3所示。從圖3可看出,在這一個波浪周期的AC段內(nèi),Ch大于屈服波浪系數(shù)Chy。從原點開始,Ch逐漸增大而Chy逐漸減小,A點時波浪力超過屈服波浪力并使管袋開始運動,其后達到最大值,然后又減少并使運動速度減緩直至運動停止。從圖3中波浪系數(shù)～時間曲線還可以看出,AC段內(nèi)波浪使管袋運動并產(chǎn)生位移,如果縮短AC段的范圍,就可使管袋的運動時間減少,如能使Chy恒大于Ch值,則管袋結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)將得到提高。由式(4)、式(5)及式(8)可知,增大管袋充填體的容重或增大管袋的體積,可減小Ch及Cu值并增大Chy值,即減小Ch曲線與Chy曲線的交集可以提高管袋結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。工程應(yīng)用中,管袋充填體材料一般取自河口或海岸的泥沙,增大材料的容重比較困難,可加大管袋的尺寸來提高管袋結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。4模型試驗的基礎(chǔ)(1)由模型試驗的臨界波高數(shù)據(jù)可知,10m高的管袋堤壩在不同堤前水深及不同的堤體坡比