牽引搶險(xiǎn)長(zhǎng)管袋沉降力學(xué)模型研究

牽引搶險(xiǎn)長(zhǎng)管袋沉降力學(xué)模型研究

用填充沙管袋作為堵塞材料，是一種新的堵塞技術(shù)。有關(guān)牽拉長(zhǎng)管袋拋擲后的沉降位移、管袋在河床上的穩(wěn)定及牽拉繩拉力的是工程設(shè)計(jì)十分關(guān)心的問(wèn)題。為此,本文進(jìn)行了牽拉長(zhǎng)管袋拋擲沉降的水槽概化模擬試驗(yàn)研究。同時(shí)還進(jìn)行了力學(xué)特性分析和數(shù)值模擬計(jì)算。1長(zhǎng)管袋的概化模擬試驗(yàn)1.1試驗(yàn)設(shè)備及條件目前河務(wù)部門(mén)擬采用的長(zhǎng)管袋尺寸為:長(zhǎng)40m,直徑1.5m;長(zhǎng)10m,直徑1.5m兩種。填充管袋的泥漿含沙量為:S=1200kg/m3,泥漿容重γm=1800kg/m3。大河流速:v=2.5～4.0m/s,口門(mén)附近水深:H=15～23m。牽拉繩采用高強(qiáng)度錦綸繩,牽拉繩長(zhǎng)度為:l=50～80m。試驗(yàn)條件:使用有機(jī)玻璃矩形斷面循環(huán)水槽,試驗(yàn)段長(zhǎng)4.5m,槽高0.25m,寬0.12m。水槽首部有靜水柵,尾部設(shè)可調(diào)水深的尾門(mén)。采用專(zhuān)用拉力計(jì)測(cè)定牽拉繩拉力,水槽試驗(yàn)裝置見(jiàn)示意圖1。1.2管袋、豆?jié){和拉伸繩模擬試驗(yàn)采用重力相似準(zhǔn)則,幾何比尺為100,主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。根據(jù)比尺及摩擦力相似要求,模型管袋采用較致密的滌良布,泥漿采用細(xì)沙與木屑按一定比例配制。牽拉繩采用柔度相似的細(xì)尼龍繩。試驗(yàn)中通過(guò)適當(dāng)調(diào)整模型Fr使水流紊動(dòng)強(qiáng)度相似于天然河道。2概化管袋沉降根據(jù)設(shè)計(jì)水力條件與牽拉長(zhǎng)管袋規(guī)格(見(jiàn)表1),進(jìn)行了多組次的概化管袋沉降模擬試驗(yàn),測(cè)取了管袋沉降的有關(guān)數(shù)據(jù),經(jīng)分析摸清了長(zhǎng)管袋的運(yùn)動(dòng)特性,得到了長(zhǎng)管袋沉降的基本力學(xué)特征參數(shù)。2.1管袋沉降試驗(yàn)牽拉長(zhǎng)管袋落入水中后,在牽拉繩的約束下,長(zhǎng)管袋基本以牽拉繩固定端為圓心,整體呈弧線下沉,見(jiàn)圖2。管袋尾端下沉稍快,管袋頭部則受繩子牽拉下沉稍慢,管軸線略呈上凹曲線。通常管袋尾端先碰觸河底,在牽拉繩的作用下,管袋略向前移,然后管袋由后向前逐段沉入河底。這一逐漸落地的過(guò)程可見(jiàn)試驗(yàn)圖3、圖4。由于模型水流紊動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)弱于天然河流,水槽試驗(yàn)中管袋受水流紊動(dòng)干擾較小。模型實(shí)測(cè)管袋沉降速度比實(shí)際河流中的管袋沉速偏大一些。水槽概化試驗(yàn)還觀測(cè)到,不同長(zhǎng)度試驗(yàn)管袋的沉降特性基本相同,管袋長(zhǎng)度不如管袋直徑對(duì)沉降速度的影響大。另外牽拉繩長(zhǎng)短對(duì)管袋沉降速度的影響也不大,但牽拉繩所受的拉力卻受牽拉繩長(zhǎng)度的影響較明顯。由于牽拉繩的約束作用,管袋能比較準(zhǔn)確地定位于河床底部。水槽概化試驗(yàn)觀測(cè)表明:一般管袋沉入河床后,相對(duì)于從浮舟上拋擲時(shí)的位置水平向前(上游)偏移1～2.5m。牽拉繩越長(zhǎng),偏移越小;管袋越短,則偏移越大。長(zhǎng)管袋尾端觸碰河底后,一般還要略向前偏移0.4～0.8m。有關(guān)水槽試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3和表4。2.2拉拔試驗(yàn)及結(jié)果在長(zhǎng)管袋剛拋擲入水中時(shí),管袋基本呈水平狀,主要受牽拉繩初始拉力、水下有效重力和繞流阻力影響,做加速下沉運(yùn)動(dòng)。牽拉繩初始拉力主要與繞流阻力有關(guān)。隨著管袋繼續(xù)沉降,水面和牽拉繩間的夾角即沉降角α也逐漸增大,在牽拉繩拉力、管袋重力、繞流阻力、繞流升力及慣性力的共同作用下,管袋的沉降運(yùn)動(dòng)可以概化為管袋質(zhì)心的近似圓周運(yùn)動(dòng)。此時(shí),管袋沿牽拉繩方向有一定的向心加速度,管袋牽拉繩拉力也相應(yīng)逐漸增大。當(dāng)管袋尾端剛碰觸河底時(shí),管袋尾端對(duì)河底瞬間產(chǎn)生較大的正壓力。由于在管袋牽拉繩約束下,管袋略向上游前移,相應(yīng)也沿床面方向瞬間產(chǎn)生較大摩擦力。這使得管袋牽拉繩拉力突然增大,每次試驗(yàn)中,使用測(cè)力計(jì)都測(cè)出此時(shí)的牽拉繩拉力最大。在以后的管袋逐段沉落河底階段,由于管袋不再移動(dòng),牽拉繩拉力反而有所減小。為了合理確定長(zhǎng)管袋的繞流阻力系數(shù)及管袋在水下的摩擦系數(shù),作者還做了專(zhuān)門(mén)的水槽試驗(yàn)。通過(guò)在動(dòng)、靜水中牽拉管袋,用測(cè)力計(jì)測(cè)試牽拉力,反求了有關(guān)參數(shù)供模擬計(jì)算參考使用。有關(guān)水槽概化試驗(yàn)的有關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和表4。3管袋沉降速度在水槽概化試驗(yàn)的觀察分析基礎(chǔ)上,建立了牽拉長(zhǎng)管袋沉降的基本力學(xué)模式。牽拉長(zhǎng)管袋落地以前的計(jì)算模型概化為如圖5所示。由于長(zhǎng)管袋的容重大于水的容重,在水中管袋受到重力作用而下沉。管袋長(zhǎng)度相對(duì)于水深而言較大,通過(guò)試驗(yàn)觀察表明,可以將管袋右端視為勻速下沉。這里將水中管袋形心處的沉降速度稱(chēng)為管袋沉速,用V表示。實(shí)際河流中Re較大,管袋沉降時(shí)通常都引起周?chē)w強(qiáng)烈的擾動(dòng),屬于強(qiáng)烈的紊動(dòng)沉降狀態(tài)。牽拉長(zhǎng)管袋在沉降時(shí)的受力分析如下:(1)如果你降低了管道袋的有效重力設(shè)管袋和水的容重分別為γm和γ,則管袋在靜水中沉降時(shí)受到的有效重力為式中d為管袋直徑,L為管袋長(zhǎng)度。(2)管袋內(nèi)繞流特征面積計(jì)算式中Cd為順流向繞流阻力系數(shù);Ad為順流向繞流特征面積;γ為水的容重;α為管袋軸線與水平面夾角;v為相應(yīng)流層的流速;d為長(zhǎng)管袋直徑;L為長(zhǎng)管袋長(zhǎng)度;g為重力加速度。(3)順流向升力系數(shù)cd由于水流對(duì)管袋的不對(duì)稱(chēng)繞流產(chǎn)生的垂直向上升力為(管袋順?biāo)鞣较驎r(shí)升力為0,管袋豎直方向時(shí)升力也為0,因此下式中乘sin2α)式中CL為順流向升力系數(shù),根據(jù)實(shí)測(cè)資料確定,與Cd值有關(guān);v為相應(yīng)流層的流速;其余符號(hào)解釋同公式(2)。(4)管袋沉速v管袋下沉?xí)r引起垂直管袋軸線的繞流阻力為式中Cd1為垂向繞流阻力系數(shù),其值與順流向繞流阻力系數(shù)有關(guān);V為管袋沉速;其余符號(hào)解釋同公式(2)。試驗(yàn)分析表明該力對(duì)牽拉繩的拉力無(wú)顯著影響。但對(duì)管袋沉降速度有一定影響,通過(guò)試驗(yàn)表明,管袋拋入水中在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到勻速沉降,接近平均沉速,因此,計(jì)算中采用平均流速后,該力對(duì)牽拉繩的拉力無(wú)顯著影響。(5)管袋質(zhì)量管袋特性此時(shí),管袋牽拉繩的拉力為式中T為牽拉繩拉力;V為管袋沉速;R為轉(zhuǎn)動(dòng)中心到管袋形心的距離,如圖5所示;m為管袋質(zhì)量;其余符號(hào)解釋見(jiàn)以上各式。(6)管袋著地對(duì)拉拔力的影響圖中FN為河床對(duì)管袋的反力,它是由于管袋落地時(shí)碰撞引起的撞擊力,可由瞬時(shí)動(dòng)量方程的形式反映圖中Ff為河床底部對(duì)管袋的摩擦力。式中μ為管袋碰撞作用系數(shù);f為管袋與河床底部的摩擦系數(shù);m為管袋質(zhì)量。圖中Fε為管袋著地時(shí)引起的切向慣性力。此時(shí),牽拉繩的拉力則為式中ξT為拉力修正系數(shù)。由于管袋著地時(shí)產(chǎn)生兩方面的運(yùn)動(dòng),一是管袋沿河床底部向上游牽拉摩擦滑動(dòng),二是繞管袋與地面接觸點(diǎn)逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。由于慣性力的作用使?fàn)坷K的拉力突然增大,所以牽拉繩的拉力要乘以慣性修正系數(shù)ξT。根據(jù)實(shí)測(cè)及計(jì)算數(shù)據(jù)分析確定ξT的表達(dá)式如下ξT=l+50l×0.65(9)ξΤ=l+50l×0.65(9)式中l(wèi)為牽拉繩長(zhǎng)度,這里主要考慮了牽拉繩長(zhǎng)度對(duì)管袋觸地后的緩釋影響。4管袋著地抗拉能力在結(jié)合概化試驗(yàn)確定力學(xué)模型與有關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上,碰撞系數(shù)μ取0.25,摩擦系數(shù)f取0.53,綜合繞流阻力系數(shù)Cd取2.20,由于CL、Cd1的繞流面積形狀與Cd繞流面積形狀很接近,因此作為工程實(shí)用計(jì)算均取為2.20,根據(jù)管袋著地前及著地后力的計(jì)算公式(5)、(8),進(jìn)行了設(shè)計(jì)水流條件下管袋沉降與牽拉繩拉力的模擬計(jì)算。計(jì)算采用的管袋長(zhǎng)度為40m,管袋直徑為1.5m。4.1管袋著地與拉伸繩應(yīng)力間的關(guān)系對(duì)于水深15m,水流速度3m/s的計(jì)算工況:根據(jù)以上受力分析所得基本關(guān)系,模擬計(jì)算得出管袋著地后不同牽拉繩長(zhǎng)與最大牽拉力間的關(guān)系,見(jiàn)圖8。對(duì)于水深15m,水流速度3m/s,牽拉繩長(zhǎng)50m、80m兩種工況:根據(jù)以上力學(xué)分析所得的基本關(guān)系,模擬計(jì)算得出在不同水流流速條件下,管袋著地后的牽拉繩最大拉力。大河流速與最大牽拉力間的關(guān)系見(jiàn)圖9。同時(shí)也模擬計(jì)算得出在不同大河水深條件下,管袋碰觸河底后的牽拉繩最大拉力。分析計(jì)算成果,得到大河水深與最大牽拉力間的關(guān)系如圖10所示。4.2拉伸繩拉力分析計(jì)算條件采用汛期大河洪水流速3m/s,水深15m,牽拉繩長(zhǎng)50m、80m兩種。根據(jù)建立的牽拉管袋沉降力學(xué)模型,模擬計(jì)算了長(zhǎng)管袋在沉降過(guò)程中處于不同時(shí)刻(水下不同位置)牽拉繩拉力以及長(zhǎng)管袋碰觸河底后的牽拉繩拉力變化。計(jì)算得出的牽拉管袋在沉降過(guò)程中,牽拉繩拉力隨沉降時(shí)間變化的關(guān)系,見(jiàn)圖11。模擬計(jì)算成果與水槽概化試驗(yàn)的實(shí)測(cè)成果基本是一致的。分析模擬計(jì)算成果,反映了牽拉繩由約21kN的初始牽拉力開(kāi)始(試驗(yàn)實(shí)測(cè)值為24.4kN。由該時(shí)刻至管袋著地時(shí)刻之間的曲線由模擬計(jì)算公式得出。著地之后的曲線是由試驗(yàn)觀測(cè)管袋沉降規(guī)律描繪得出),隨管袋沉降牽拉力逐漸增加,且增加速率基本保持一致。碰觸河底前,50m長(zhǎng)牽拉繩的牽拉力增至141kN,80m長(zhǎng)牽拉繩的牽拉力稍小,增至121kN。在管袋碰觸河床的瞬間,牽拉繩拉力突然跳躍增大。50m長(zhǎng)牽拉繩和80m牽拉繩的牽拉力分別劇增至207kN和151kN。在管袋右端觸地后,管袋逐段沉落河底的過(guò)程中,牽拉繩拉力逐漸減小,趨于一穩(wěn)定值。由計(jì)算成果繪制的牽拉繩拉力變化過(guò)程線,形象地反映了牽拉力這一變化過(guò)程。由圖11可以看出在管袋著地后牽拉繩拉力突躍增大,尤其牽拉繩長(zhǎng)度較小時(shí),其拉力值的躍增較大。但繩長(zhǎng)超過(guò)80m以后,降低拉力值的效果不太明顯,參見(jiàn)圖8及圖11。5概化試驗(yàn)與模擬計(jì)算結(jié)果分析通過(guò)牽拉長(zhǎng)管袋沉降模擬的概化試驗(yàn)與模擬計(jì)算研究,得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。(1)牽拉管袋沉降的基本形式是在牽拉繩約束下,繞固定樁沿曲線下沉。沉降過(guò)程中,管袋受有效重力、繞流阻力及牽拉繩拉力等的綜合作用。牽拉繩拉力主要受管袋重力、流速與牽拉繩長(zhǎng)度的影響;在管袋碰觸河底瞬間,碰撞河底及其所引起的床面附加摩擦力使?fàn)坷K所受拉力突增,達(dá)到最大值。(2)經(jīng)試驗(yàn)與模擬計(jì)算驗(yàn)證,長(zhǎng)管袋綜合繞流阻力系數(shù)約取2.1～2.4之間;摩擦阻力系數(shù)選用在0.53～0.68之間是比較可行的。(3)根據(jù)概化試驗(yàn)所得的認(rèn)識(shí)和確定的有關(guān)參數(shù),建立了管袋沉降的力學(xué)模型。按照設(shè)計(jì)水流條件和長(zhǎng)管袋規(guī)格,進(jìn)行的管袋沉降模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。