許　杰

(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，成都　610065)

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四面體塊石串在河道截流中的應(yīng)用研究

許杰

(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，成都610065)

摘要：為了研究四面體塊石串在河道截流中的應(yīng)用規(guī)律，以模型試驗的方法對不同拋投方式下塊石串的穩(wěn)定以及塊石串在明渠中的穩(wěn)定流速進行了研究，得出了不同拋投方式對塊石串穩(wěn)定的影響規(guī)律以及塊石串體在明渠中的穩(wěn)定流速計算公式。

關(guān)鍵詞：四面體塊石串；穩(wěn)定流速；截流；模型試驗

0前言

在水利水電工程建設(shè)中，河道截流占有重要的地位[1-2]。截流的成敗不僅對水利水電工程的施工安全、施工工期及工程造價有影響[3-4]，還涉及到壩址下游地區(qū)的防洪安全[5-6]；因此河道截流被看做水電工程建設(shè)中的控制性節(jié)點[7-8]。當(dāng)今的截流過程中，塊石串運用較多，但關(guān)于塊石串抗沖穩(wěn)定性的研究較少。肖煥雄[9]等提出了用串體代替單體并消減截流最大單體穩(wěn)定重量的計算方法；李學(xué)海[10]等研究了拋投料穩(wěn)定對三峽工程三期明渠截流的影響。上述研究對拋投方式以及塊石串的抗沖規(guī)律未作具體的研究，故本文重點對塊石串抗沖穩(wěn)定性問題進行研究。針對塊石串體的抗沖能力進行了模型試驗，得出了塊石串體在明渠中的抗沖流速計算公式以及不同拋投方式對塊石串穩(wěn)定的影響規(guī)律。本文研究成果對河道截流工程的設(shè)計和施工有一定的理論指導(dǎo)意義和參考價值。

1模型制作及試驗方法

1.1模型制作

試驗在矩形明渠中進行,見圖1。試驗用的明渠為混凝土底坡，坡度為0.1%，明渠長10 m，寬0.4 m，高0.4 m。試驗時可以采用上游來水流量及明渠末端的閘門調(diào)節(jié)明渠內(nèi)的水深和流速。四面體為混凝土，在制作過程中預(yù)先埋設(shè)鐵絲彎鉤，便于四面體連接成正四面體串和試驗時連接測力設(shè)備；四面體邊長分別為6、8、10和12 cm的正四面體，試驗時四面體串分別由2～4個四面體組成。

圖1　明渠布置示意圖

1.2試驗方法

(1) 調(diào)整上游流量閥門及下游控制閘門，達到預(yù)定的水深及流速，待水流穩(wěn)定后，測量并記錄垂線各試驗位置點的流速。

(2) 在這個流速下，按不同的方式拋投單個四面體及四面體串，每種情況拋投20次，記錄其穩(wěn)定的次數(shù)。

(3) 拋投方式：正面拋投(即四面體按尖角正對水流拋投)、反面拋投(即面對正水流拋投)，四面體串增加了串與水流稱45°角方向的拋投。

(4) 四面體串串聯(lián)方式：a為四面體邊長，串體間距分別以0.1a、0.5a、1a三種間距鏈接。

(5) 重新調(diào)整水深及流速，待穩(wěn)定后重復(fù)以上步驟。

2試驗成果與分析

2.1拋投方式對串體穩(wěn)定性的影響分析

本次試驗在不同流速、12 cm水深條件下進行，此數(shù)據(jù)中僅列出邊長為8 cm的四面體在每種情況下拋投20次，串體的穩(wěn)定次數(shù)見表1～3。

表1　串體在流速0.615 m/s下拋投20次的穩(wěn)定次數(shù)表

表2　串體在流速0.627 m/s下拋投20次的穩(wěn)定次數(shù)表

試驗表明，串體拋入水中的穩(wěn)定與塊體在水下的排列方式相關(guān)[11]，總體來說直線排列的形式穩(wěn)定性最好，而串體的水下排列形式還與拋投的方式及串體上塊體之間的距離有關(guān)。一般來說順水流方向以直線的方式拋投，入水后成直線排列的幾率就大，并且串體上塊體間的距離越短，成直線排列的幾率越大，入水后越容易穩(wěn)定。串體的穩(wěn)定與串體的拋投形式及串體入水后的排列方式有關(guān)[12-13]。若塊體入水后與水流方向成90°方向橫向排列，則穩(wěn)定性與單個塊體的相似。若入水后可以順水流方向豎向排列，這樣塊石之間有掩蔽作用、定托作用，串體的穩(wěn)定性大大高于單個塊體，并且隨著串體塊石數(shù)量的增加，穩(wěn)定性也逐漸增加。

表3　串體在流速0.639 m/s下拋投20次的穩(wěn)定次數(shù)表

從邊長為8 cm的四面體串試驗數(shù)據(jù)上可以看出，在相同的流速下，串體的穩(wěn)定性高于單個塊體的穩(wěn)定性，并且隨著串體上塊體數(shù)量的增加，穩(wěn)定性越來越強。串體正面順水流方向拋投入水后，串體的穩(wěn)定概率最高，而串體與水流方向成45°斜向拋投時的穩(wěn)定性最差，串體反向拋投時的穩(wěn)定性在三者中居于中位。原因是斜向拋投時，塊體間的掩蔽作用不明顯，且第2塊體對第1塊體的頂托力與水流方向不在一條直線上，在水流作用下串體自動調(diào)節(jié)為直線排列的幾率不大；反向拋投時第2塊體對第1塊體的頂托力與水流方向不容易不在一條直線上，容易造成第1塊體的傾斜導(dǎo)致串體失穩(wěn)。

2.2串體穩(wěn)定流速試驗成果分析

由于塊體之間相互作用，使四面體不易傾翻[14]，故可以建立抗滑穩(wěn)定形態(tài)的極限平衡方程。受力分析見圖2。

圖2　串體抗滑穩(wěn)定受力分析圖

(1)以上3式相加得：

(2)

由于制作的四面體塊是等體等重的，有d1=d2=d3，ω1=ω2=ω3，f1≈f2≈f3，η1≈η2≈η3,河道的糙率n是大致相當(dāng)?shù)?，故謝才系數(shù)C1≈C2≈C3，將四面體的幾何特征a=1.64d,h=1.34d,ω=1.17d2,代入上式，化簡得到:

(3)

令

則可以得出：

(4)

式中:α3為3個塊體組成1串時起動綜合穩(wěn)定系數(shù)，對于N個塊體串的穩(wěn)定問題，綜合穩(wěn)定系數(shù)可以記為αN，則

(5)

這種串體的穩(wěn)定方式建立在串體順水流方向成一條直線排列，串體中的塊石間有掩蔽作用，且在串體穩(wěn)定的因素中掩蔽作用占很大的部分[15]。串體中第1塊體的作用是提供掩蔽作用，讓后面的塊體受到的水流作用力減小，而后面的塊石則是在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上為第1塊體提供頂托力，保持第1塊體的穩(wěn)定，以保證第1塊體持續(xù)的提供掩蔽作用，來保持整個串體的穩(wěn)定。隨著流速的增大，第1塊體穩(wěn)定所需的頂托力越來越大，僅憑第2塊體不能提供足夠的力，則會使串體排列更緊密，由第2、第3塊或更多塊共同提供頂托力，以保證串體穩(wěn)定。穩(wěn)定的串體在水下隨著流速的增大的變化趨勢如圖3所示。

圖3　串體水下穩(wěn)定變化示意圖

從理論推導(dǎo)的塊體最穩(wěn)定狀態(tài)的計算公式如式(4)。為了使用方便，用明渠內(nèi)的平均流速V1來表示串體的抗沖流速計算，從而使計算公式與傳統(tǒng)的單個塊體的抗沖流速公式在形式上一致，故本文采用了穩(wěn)定系數(shù)α綜合考慮V1、V3與V2之間的關(guān)系，穩(wěn)定系數(shù)α由試驗確定，得到最后的表達式：

(6)

綜上所述，串體的穩(wěn)定性要高于單個塊體；穩(wěn)定率大于等于80%即認為串體穩(wěn)定，現(xiàn)將試驗成果代入前面推導(dǎo)的計算公式中，則最后可以得到混凝土四面體串體的穩(wěn)定流速公式如下。

1個四面體：

2個四面體的串：

3個四面體的串：

4個四面體的串：

由上面表達式計算得出各個串體的穩(wěn)定流速，計算結(jié)果見表4。

表4　串體的計算穩(wěn)定流速表　cm/s

3結(jié)語

串體的穩(wěn)定率和穩(wěn)定系數(shù)優(yōu)于單體，且串體的綜合穩(wěn)定系數(shù)隨著串聯(lián)塊個數(shù)的增加而增加；串聯(lián)塊體之間的間距越小穩(wěn)定性越高。在相同的流速下，單個拋投塊體所需的穩(wěn)定重量比串體中的單個塊體大。

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Study on Application of Tetrahedron Block Rock String in River Closure Operation

XU Jie

(Southwest Municipal Engineering Design and Research Institute of China, Chengdu610065,China)

Abstract:To explore the application law of the tetrahedron block rock strings in river closure operation, stability of the strings dumped in different means and the stable velocity in open channel with the strings are studied by means of model tests, the influence law of the different dumping means to the string stability and formula for calculation of the stable velocity in the open channel with the strings are derived.

Key words:tetrahedron block rock string; stable velocity; river closure; model test

中圖分類號：TV551

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.012

作者簡介：許杰(1983- ),男，河南省鄭州市人，碩士，主要從事水利工程設(shè)計工作.

收稿日期：2016-01-20

文章編號：1006—2610(2016)02—0041—04