典型充填管袋的波浪失穩(wěn)機(jī)理及在堤工程中的應(yīng)用

典型充填管袋的波浪失穩(wěn)機(jī)理及在堤工程中的應(yīng)用

1管袋堤的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的河流和海堤技術(shù)相比，采用填充管袋式水庫，施工速度快，對軟基礎(chǔ)適應(yīng)性好，施工技術(shù)簡單，成本低。因此,國內(nèi)外充填管袋筑堤技術(shù)已成為河口、沿海等堤岸防護(hù)工程、圍海造陸工程中所采用的一種重要建筑技術(shù)。目前,充填管袋在我國的應(yīng)用大多選用矩形截面的扁平型管袋,而國外采用的管袋截面型式為圓形,兩種充填管袋施工圖見圖1、圖2。由于兩種斷面型式的管袋在波浪作用下失穩(wěn)的機(jī)理不同(圓形管袋堤壩主要是由于傾覆而失穩(wěn),扁平型管袋堤壩主要是由于層與層之間滑移而失穩(wěn)),所以有關(guān)國外所總結(jié)管袋堤壩設(shè)計(jì)的一些規(guī)范、公式不能直接應(yīng)用于國內(nèi)的管袋堤壩設(shè)計(jì)。雖然國內(nèi)很多管袋堤壩已完工或在建,但我國充填管袋工程設(shè)計(jì)時(shí)仍鮮有可以依據(jù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,大多只是參考以往的工程經(jīng)驗(yàn),因此,有必要對充填管袋在波浪作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。2模型模型的建立施工期很多情況會出現(xiàn)壩頂漫水,由于時(shí)間及試驗(yàn)條件的限制,本試驗(yàn)主要研究堤前水位不超過壩頂時(shí)正向規(guī)則波對無防護(hù)管袋堤壩的作用。本次波浪模型試驗(yàn)采用小型波浪水槽,長35m、寬0.5m、高1.3m。在水槽的一端安裝有造波機(jī),用懸掛式推波板產(chǎn)生正向規(guī)則波,整個(gè)造波機(jī)由微機(jī)系統(tǒng)控制,并由微機(jī)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析,模型整體斷面布置如圖3所示(Dc為管袋堤壩壩高;D為堤前水深;m為邊坡坡比;H為波高)。3在波浪的作用下，管道袋水庫的穩(wěn)定性3.1邊坡坡比對管袋堤穩(wěn)定性的影響本次試驗(yàn)所研究3種壩高的管袋堤壩,對應(yīng)于原型,壩高分別為8.4、6.3、4.2m?？紤]到工程應(yīng)用,將模型臨界波高換算成原型臨界波高,以供設(shè)計(jì)者參考。3種壩高管袋堤壩的原型臨界波高見表1至表3。波浪波陡H/L為1/25比1/20更不利于管袋堤壩的穩(wěn)定,即坦波比陡波產(chǎn)生的波壓力大(這里的坦波與陡波是兩種波陡的波浪之間相比較而言)。管袋堤壩在其管袋重量一定的情況下,其穩(wěn)定性僅僅取決于所受堤前波壓力與管袋底的上抬波壓力。由臨界波高的分析可以看出,隨著邊坡坡比的增大,管袋受到的堤前波壓力增大、上抬波壓力減小,當(dāng)m=2.0時(shí),兩者共同作用所產(chǎn)生的破壞力達(dá)到最大。邊坡坡比m=1.25的管袋堤壩,堤前水位與堤頂齊平時(shí),壩高與Hc/D(臨界波高與堤前水深的比值)關(guān)系圖如圖4所示。由圖4可以看出,在堤前水位與壩頂齊平的情況下,隨著管袋堤壩壩高的增加,其所對應(yīng)的臨界波高系數(shù)隨之減小(假設(shè)Hc/D為臨界波高系數(shù)ξ,則其臨界波高為hc=ξ×D)。3.2管袋固結(jié)系數(shù)研究管袋堤壩頂層管袋所受堤前波壓力時(shí),與其相關(guān)的主要參數(shù)有波高H、波周期T、波長L、堤前水深D、壩高Dc、邊坡坡比m、水的密度ρ。波壓強(qiáng)P與上述參變量的函數(shù)關(guān)系式可表示為:Ρ=f(Η?Τ?L?D?Dc?m?ρ)(1)選取波高H、波周期T和水的密度ρ為基本量,此3個(gè)基本變量是因次獨(dú)立的。根據(jù)π定理,并考慮波周期公式,由(1)可得:Ρ=γΗ22πLth2πDLf3(LΗ?DΗ?DcΗ?m)(2)式中γ為水的容重。計(jì)算頂層管袋的安全系數(shù)時(shí),這里主要考慮管袋所受堤前波壓力(也可理解為在堤前波壓力內(nèi)考慮了上抬波壓力的影響),由極限平衡原理可得其安全系數(shù)計(jì)算公式為:Fs=2πLγsBμγΗ2cth2πDL1f3(LΗ?DΗ?DcΗ?m)(3)式中γs為充填管袋的容重;B為管袋沿波浪作用向的袋寬;μ為管袋間的摩擦系數(shù)。將函數(shù)f3的表達(dá)式改寫為:f3(LΗ?DΗ?DcΗ?m)=ξ(LΗ)α(DΗ)β(DcΗ)γ(m)η(4)則式(3)變?yōu)?Fs=2πγsBμγΗLΗcth2πDL1ξ(LΗ)α(DΗ)β(DcΗ)γ(m)η(5)在試驗(yàn)臨界波高值和L/H、D/H、Dc/H、m值的基礎(chǔ)上,利用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行回歸分析(這里假設(shè)臨界波高值為表1至表3中臨界區(qū)間波高值的平均值,如波高區(qū)間為3～4cm,取H=3.5cm,且處于臨界狀態(tài)時(shí),安全系數(shù)為1),得經(jīng)驗(yàn)公式:當(dāng)1.25≤m≤2.0,Fs=2πγsBμγΗLΗcth2πDL11.464(LΗ)1.685(DΗ)0.833(DcΗ)-0.93(m)0.32(6)當(dāng)2.0≤m≤2.5,Fs=2πγsBμγΗLΗcth2πDL11.679(LΗ)1.711(DΗ)1.035(DcΗ)-1.185(m)-0.0227(7)3.3管袋堤的穩(wěn)定性為檢驗(yàn)式(6)、(7)的準(zhǔn)確性,分別將表1至表3中臨界波高區(qū)間的較小值與較大值代入式(6)、(7)中,得各工況的安全系數(shù),并繪圖5、6所示。從圖5、6中可以看出,由式(6)、(7)計(jì)算出較小波作用下管袋堤壩的穩(wěn)定安全系數(shù)大部分大于1或略小于1;較大波作用下管袋堤壩的穩(wěn)定安全系數(shù)大部分小于1或略大于1。由此可見,利用式(6)、(7)可以對無防護(hù)扁平型管袋堤壩波浪作用下的穩(wěn)定性作一初步的判斷與分析。4管袋堤壩高對穩(wěn)定性的影響本文通過模型試驗(yàn)研究了波浪作用下無防護(hù)扁平型管袋堤壩的穩(wěn)定性。研究了扁平型管袋堤壩失穩(wěn)的臨界波高,得出結(jié)論:坦波比陡波更易使扁平型管袋堤壩失穩(wěn);在相同的Dc/D情況下,