充沙长管袋抛掷沉降运动的力学研究论文

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1、充沙长管袋抛掷沉降运动的力学研究论文摘要：本文对充沙长管袋这种新型的筑坝、抢险整治工程材料进行了抛掷沉降运动的力学分析研究与模拟计算。根据充沙长管袋的几何、材料特性，本文分析了管袋沉降机理与沉降速度；在多个小块柔性连接体的假设下，对抛掷在河流中的管袋进行了力学分析与动力学过程的研究，建立了管袋沉降的连续体数学模型。通过合理简化，导出了实用的管袋位移与转角的计算公式。根据管袋抛掷的观测资料，确定了沉降计算的有关参数；针对黄河水流、泥沙特点及现实施工条件进行了多种管袋抛掷沉降的模拟计算，提出了适应黄河丁坝防护的管袋尺寸及位移范围值。关键词

2、：丁坝充沙长管袋沉降速度位移与转角近年河务部门尝试采用将填充泥沙的土工织物长管袋抛掷在丁坝周围，利用其柔性、贴体、防冲的特点.freelAd(Δυx)2/2g(2)式中：fl——洪水对单位长管段的水平作用力；Cd——管袋绕流阻力系数；γm——浑水容重；Ad——单位长管段的绕流特征面积；Δυx——水流与管袋间的相对速度。由式(2)，可将垂直于管袋轴线方向合力表示为：(3)1.2管袋在水中的沉降特性充沙长管袋在河流中的水力特性是指长管袋在水中的沉降规律，常以长管袋的沉降速度表征。抛掷在水中的管袋受到重力作用下沉，初始向下作加速运动，同时也

3、产生绕流阻力。当管袋的有效重力与管袋所受的绕流阻力相平衡时，管袋将以匀速继续下沉。管袋在水体中匀速下沉的速度称为管袋沉速，用ω表示。管袋沉速的大小主要与管袋的尺寸、泥沙密实度和绕流状态有关。实际河流洪水流速较高、Re较大，观测表明管袋沉降时引起周围水体强烈的扰动，属于强紊动沉降状态。长管袋形状不很规则，沉降规律比较复杂。如果设管袋与河水的容重分别为γs和γm，则管袋在水中沉降时受到的有效重力为：为：M=ξLFx，则管袋的转动惯量为：I=m/48(3d2+4L2)(21)而管袋绕其形心的角加速度ε为：ε=M/I(22)将式(1)、(2)

4、、(3)、(17)、(19)、(21)代入式(22)得：(23)管袋重心的水平位移为：u=1/2axt2(24)将式(20)、(8)、(7)代入式(24)得：(25)因为相对管袋原始位置的转角为：α=1/2εt2(26)将式(23)、(8)、(7)代入式(26)得：(27)式中ξ为：(28)若将管袋顺水流方向抛掷(管袋轴线平行水流方向)，推导过程与上述类似故从略，则位移计算公式为：u=CdC2υc2/4K2·H2υ2/Lgd·γ2m/γs(γs-γm)(29)2管袋抛掷沉降的模拟计算2.1计算参数的确定在管袋运动理论分析中出现的有关参

5、数，如绕流阻力系数Cd、管袋形状影响系数K、沉降综合影响系数c、相对运动影响的流速修正系数Cv等，都是影响管袋沉降物理过程的重要因素。但这些系数目前都缺乏可供计算的公式，因此可靠的参数只有依靠大量管袋抛掷实测资料来推求、校验。目前在黄河堤防工程中如丁坝防护，已有使用管袋的实例。根据收集到的管袋抛掷现场观测资料，一般水深H在2m～14m之间，流速v在0.7m/s～1.5m/s之间，大河含沙量S=60kg/m3左右；管袋直径D=0.8m～1.0m，管袋长L=7m～10m，管袋填充度即管袋内泥浆或土体容重γs=1200kg/m3～2100k

6、g/m3.对这些实测资料进行分析，初步率定了有关参数见表1、表2.应用有关参数进行了管袋位移及转角的模拟计算，计算值基本与实测值吻合，见图3.这表明所选参数基本合理，可以用来预测典型设计条件下的管袋沉降问题。表1顺水流方向抛掷管袋参数参数名称CdKcCv参数数值0.651.13.60.55～0.65表2垂直水流方向抛掷管袋参数参数名称CdKcCv参数数值1.21.11.060.35～0.482.2四种模拟计算成果根据所给的管袋设计条件，进行了不同条件下管袋抛掷在河中的沉降位移和转角计算。(1)在两种大河流速条件下，进行了不同水深时管袋

7、的沉降模拟计算，见图3.(2)在两种大河流速条件下，进行了不同管袋长度时，管袋的沉降计算，见图4.(3)在两种大河流速条件下，进行了不同水深时管袋的偏移转角计算，见图5.(4)在两种大河流速条件下，进行了不同管袋长度的偏移转角计算，见图6.计算成果表明，坝前水深、坝前流速对管袋的沉降位移有较大的影响，管袋长度和管径的影响次之。由于实测管袋位移对应的大河流速偏小，从图3中也可以看到理论计算位移比实测值略偏大，但总体讲，管袋抛掷后的沉降位移一般不会超过5m.分析实测与理论计算成果表明：对于黄河下游常见洪水，采用d=0.8m，L=10m～1

8、5m这种尺寸的管袋是比较适宜的；在一般条件下，沉降位移可以控制在2m～4m以内。当然，管袋尺寸的最佳选择，还应结合现场具体施工抢险条件，进行全面的技术经济比较。图3垂直水流方向抛掷管袋时水深与水平位移关系图4顺水流方向抛