土工填充管袋丁壩的設(shè)計(jì)與施工

土工填充管袋丁壩的設(shè)計(jì)與施工

0管袋結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題通過填充管袋丁水庫，將土壤工布網(wǎng)連接到一定大小的管道袋中，用水流或機(jī)械方法將沙子和水混合在一起。多余的水可從汗袋孔中提取，填砂在重力和水分壓力下形成相對緊密的砂材料。土工織物填充管袋具有降低工作量、縮短施工周期、節(jié)省工程費(fèi)用、可就地取材并利用當(dāng)?shù)卦O(shè)備、降低工程維修費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn),不失為一種取代傳統(tǒng)拋石壩工的理想方法。國外填充管袋技術(shù)相對成熟,通常采用圓形管袋,而我國主要采用扁平型充填管袋筑堤技術(shù)。兩種斷面型式的管袋水流作用的失穩(wěn)機(jī)理不同,圓形管袋丁壩主要是由于傾覆而失穩(wěn),扁平型管袋丁壩主要是由于層與層之間滑移而失穩(wěn),有關(guān)國外所總結(jié)管袋丁壩設(shè)計(jì)的一些規(guī)范、公式不能直接應(yīng)用于國內(nèi)的管袋丁壩設(shè)計(jì)。因此,要想進(jìn)一步推廣土工織物填充管袋丁壩技術(shù)在內(nèi)河航道整治工程中的應(yīng)用,就必須要對扁平型管袋在水流作用下的穩(wěn)定性問題進(jìn)行深入研究。本研究利用流固耦合數(shù)學(xué)模型,分析復(fù)雜水流作用下管袋丁壩施工階段的流場、動水壓力場和管袋內(nèi)部應(yīng)力場變化情況,為堤壩穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算以及施工期穩(wěn)定性控制提供一定的理論依據(jù)。1數(shù)學(xué)模型1.1水流計(jì)算公式1.1.1控制方程式連續(xù)方程:1.1.2壓力出口邊界上游進(jìn)口給定進(jìn)口流速,下游出口處水深、流速依據(jù)出口流量變化而變化,采用壓力出口較為合適。上部邊界設(shè)定在高程0.5m處,設(shè)定其為壓力邊界。水槽底部和邊壁及壩面均設(shè)定為無滑移邊壁。1.1.3分散和求解方法采用有限體積法對水流控制方程進(jìn)行離散,通過較成熟的SIMPLE算法求解速度和壓力場。1.2求節(jié)點(diǎn)位移有限單元法求解中,一般是以節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量,通過節(jié)點(diǎn)平衡方程求出節(jié)點(diǎn)位移,再由位移反推出各單元的內(nèi)力。節(jié)點(diǎn)平衡方程:其中:[K]為整體剛度矩陣,{δ}為整個(gè)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移矩陣,{P}為整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)荷載矩陣。1.3管袋丁壩施工階段模擬研究本研究選取3種高度的堤壩(模型壩高分別為12、18和24cm)模擬管袋丁壩的3個(gè)施工階段。根據(jù)工程實(shí)踐和以往模型試驗(yàn)成果可知,丁壩邊坡坡地對丁壩的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響,因此選取3種堤壩邊坡坡度(分別為m=1.25、1.5、2)進(jìn)行計(jì)算分析。如表1。2結(jié)論分析2.1管袋壩上、下流場演變管袋丁壩施工過程中,由于壩體的存在,使過壩處的過水?dāng)嗝鏈p小,壩前水流受阻壅高,比降減小,流速降低,到壩頂處,流速大幅度增大。水流與壩頂產(chǎn)生分離,同時(shí)由于翻壩水流與壩后靜止水流之間存在的流速梯度而產(chǎn)生的切應(yīng)力,帶動壩后靜水開始形成副流,此副流上層靠近運(yùn)動水流的一部分在主流的攜帶下隨主流一起流向水槽下游,下層的靜水向上補(bǔ)充,這樣就在壩下形成一個(gè)很強(qiáng)的回流區(qū)。圖1～圖3表述了管袋丁壩施工3個(gè)階段的流場變化情況。由圖可知,第一層管袋施工時(shí),管袋壩前平均流速沿堤身逐漸增加,壩上平均流速達(dá)到最大值;隨著第二層管袋的施工,管袋壩前、壩上平均流速較第一階段增加。管袋堤壩水流流速,以迎水面壩頂頂角及壩頂面附近為最大,壩后底層附近產(chǎn)生回流。垂線方向上,分層流速壩前服從正常流速分布規(guī)律,即垂線方向上上層流速大下層流速小;迎水面壩頂頂角及壩頂面的流速分布為上層流速小下層流速大。壩后水面流態(tài)紊亂,底層出現(xiàn)回流,流速分布基本上恢復(fù)正常分布規(guī)律。隨著丁壩坡度的增加,壩前水流流速變化逐漸劇烈,對丁壩的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。2.2袋丁壩工程波動影響分析利用整治建筑物壅水是各類河道治理及航道整治工程措施之一,其目的是壅高上游水位,調(diào)整局部河段水面比降、單寬流量及水流流速,改善原河道水流流態(tài)。管袋丁壩工程壅水的計(jì)算分析是在整治效果評價(jià)中的一個(gè)重要指標(biāo);其施工過程中的壅水變化,也是一個(gè)重要的參考指標(biāo)。水流經(jīng)管袋丁壩作用后,一部分動能向勢能轉(zhuǎn)化,從而形成管袋丁壩的壅水。施工過程中,隨著管袋丁壩的逐層鋪設(shè),過水?dāng)嗝婷娣e逐漸減少,丁壩的阻水效果逐漸加強(qiáng),以m=1.25的邊坡為例,上游水面線由0.37m逐漸增加到0.52m,壅水逐漸增加(見圖1～圖3)。隨著管袋丁壩坡度的增加,壅水也隨之增加,且壩前水面線沿程變化較大。2.3管袋的動水壓力河道整治工程中,作用在丁壩上動水壓力的大小及分布直接影響到丁壩自身的穩(wěn)定性,其不僅僅與流速有關(guān),也與丁壩本身的斷面型式、丁壩對水流的壓縮比等因素有關(guān)。圖4～圖6分析了不同坡度、不同施工階段下,作用管袋丁壩坡面的動水壓力分布。由圖可知,施工期管袋丁壩迎、背水面的動水壓力存在一定的差異,通常迎水面的動水壓力要大于背水面。在施工期第一階段(h=0.08m),淹沒水深比較大,壩高較低,作用在其上的動水壓力相對較少,隨著施工期二、三階段的推進(jìn)(h=0.16m,h=0.24m),其動水壓力逐漸增加。從丁壩迎水面動水壓力分布圖示可知,丁壩上層的動水壓力大于下層,這對施工期管袋的穩(wěn)定性有較大的影響。壩前隨著坡度增大的情況下,壓力值呈上升趨勢,且坡頂處壓力值上升速度較快,坡腳處壓力上升速度相對較慢;壩后數(shù)據(jù)分布并無明顯規(guī)律,這與該區(qū)域內(nèi)水流下泄產(chǎn)生擾動較多、流態(tài)不穩(wěn)定有很大關(guān)系。通過對丁壩堤前、堤后壓力分布比較,不難發(fā)現(xiàn)同一壩高和邊坡坡度情況下,壩前動水壓力明顯大于壩后動水壓力,結(jié)合丁壩的布置特點(diǎn),可以預(yù)測出管袋丁壩施工期破壞的基本模式。2.4管袋丁壩的管袋方向抗滑力差,邊坡較緩,管袋較緩隨著施工階段的進(jìn)行,壩體上的外荷載(動水壓力)逐步增加,壩體自重增加,因此壩體最大應(yīng)力將隨著施工的進(jìn)行逐漸增加。施工期第一階段,應(yīng)力相對較小,但該階段水平方向的應(yīng)力需要重點(diǎn)考慮,因?yàn)樵摴r下,管袋的方向的抗滑力相對較小,容易出現(xiàn)管袋水平滑移現(xiàn)象。隨著施工階段的進(jìn)行,局部應(yīng)力集中現(xiàn)象集中在管袋丁壩的壩前位置,通常該區(qū)域成為施工過程中的薄弱環(huán)節(jié),與實(shí)際工程施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)管袋迎水面的外翻現(xiàn)象相一致。不同堤壩邊坡的管袋丁壩,在施工期第一階段其應(yīng)力差別不明顯,其主要原因是在管袋厚度一樣的情況下,作用在其上的自重力幾乎相同,且在該階段動水壓力條件差異不多,導(dǎo)致其應(yīng)力場無明顯區(qū)別。隨著施工二、三階段的進(jìn)行,動水壓力條件出現(xiàn)了較大的差異,邊坡較陡的工況(m=1.25),其最大應(yīng)力大于邊坡較緩的工況,從應(yīng)力場角度不難看出,邊坡較越陡,其穩(wěn)定性越差。見圖7、圖8。2.5管袋丁壩堤內(nèi)應(yīng)變變化由計(jì)算可知,管袋丁壩施工過程中,丁壩壩體迎水面區(qū)域往往應(yīng)變較大,通常導(dǎo)致丁壩管袋變形,出現(xiàn)其內(nèi)填充砂發(fā)生變化,影響到管袋丁壩的正常使用,這也是施工過程中令現(xiàn)場施工人員感到頭疼的問題。在施工第一階段,不同壩體邊坡的應(yīng)變變化相對不大,隨著施工階段的推進(jìn),坡度較陡的丁壩,其堤內(nèi)應(yīng)變變化較大,影響到管袋丁壩的質(zhì)量,進(jìn)而對其穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。見圖9～圖11。3管袋壩施工期穩(wěn)定性研究本研究通過理論分析和流固耦合數(shù)學(xué)模型結(jié)合的研究手段,分析了管袋丁壩施工期在水流作用下的流場變化、作用在丁壩上的動水壓力變化以及丁壩壩體應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律。分析結(jié)果可為今后管袋堤壩的設(shè)計(jì)和施工過程控制提供參考。不過,本次研究中重點(diǎn)考慮了各施工階段管袋堤壩的流場和應(yīng)力應(yīng)變場變化,其影響因素只考慮了管袋丁壩的邊坡影響,影響管袋丁壩