牵拉抢险长管袋水下沉落的力学模拟

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1、泥沙研究年月第期牵拉抢险长管袋水下沉落的力学模拟彭成山孙东坡严军华北水利水电学院河南郑州摘要采用牵拉方法为充泥长管袋沉落定位达到缓流堵口的目的是黄河抢险堵口的新技术本文对牵拉抢险长管袋这种新型的抢险柔性材料进行了抛掷沉降的模拟实验研究得到了对管袋沉落过程的基本认识获取了基本力学参数在此基础上分析了牵拉长管袋沉降的力学特性建立了牵拉长管袋沉落力学模型通过不同工况的模拟计算得到了牵拉绳长大河流速大河水深等与牵拉力之间的关系发现了管袋碰撞着地时牵拉力的突跃现象本文提出的计算方法及有关参数对完善牵拉长管袋设

2、计提高新材料抢险堵口技术具有重要的工程指导意义关键词牵拉长管袋沉速着地碰撞牵拉力中图分类号文献标识码文章编号利用充沙长管袋作为堵口材料是一项全新的堵口技术有关牵拉长管袋抛掷后的沉降位移管袋在河床上的稳定及牵拉绳拉力的是工程设计十分关心的问题为此本文进行了牵拉长管袋抛掷沉降的水槽概化模拟试验研究同时还进行了力学特性分析和数值模拟计算长管袋概化模拟试验试验基本条件目前河务部门拟采用的长管袋尺寸为长直径长直径两种填充管袋的泥浆含沙量为?泥浆容重?大河流速?口门附近水深牵拉绳采用高强度锦纶绳牵拉绳长度为试验

3、条件使用有机玻璃矩形断面循环水槽试验段长槽高宽水槽首部有静水栅尾部设可调水深的尾门采用专用拉力计测定牵拉绳拉力水槽试验装置见示意图图试验水槽装置示意图收稿日期作者简介彭成山男河北人副教授从事水工结构及数值分析模型比尺与主要试验参数模拟试验采用重力相似准则几何比尺为主要试验参数见表表根据比尺及摩擦力相似要求模型管袋采用较致密的涤良布泥浆采用细沙与木屑按一定比例配制牵拉绳采用柔度相似的细尼龙绳试验中通过适当调整模型使水流紊动强度相似于天然河道表长管袋主要模拟试验参数表长管袋主要模拟试验比尺管袋尺寸管袋长

4、度管袋直径牵拉绳长度水深流速参数长度及水深流速时间作用力及试验参数?????名称原型值比尺模型值概化模拟试验分析根据设计水力条件与牵拉长管袋规格见表进行了多组次的概化管袋沉降模拟试验测取了管袋沉降的有关数据经分析摸清了长管袋的运动特性得到了长管袋沉降的基本力学特征参数牵拉管袋沉降特点牵拉长管袋落入水中后在牵拉绳的约束下长管袋基本以牵拉绳固定端为圆心整体呈弧线下沉见图管袋尾端下沉稍快管袋头部则受绳子牵拉下沉稍慢管轴线略呈上凹曲线通常管袋尾端先碰触河底在牵拉绳的作用下管袋略向前移然后管袋由后向前逐段沉入

5、河底这一逐渐落地的过程可见试验图图由于模型水流紊动强度远弱于天然河流水槽试验中管袋受水流紊动干扰较小模型实测管袋沉降速度比实际河流中的管袋沉速偏大一些水槽概化试验还观测到不同长度试验管袋的沉降特性基本相同管袋长度不如管袋直径对沉降速度的影响大另外牵拉绳长短对管袋沉降速度的影响也不大但牵拉绳所受的拉力却受牵拉绳长度的影响较明显图长管袋沉降示意图图管袋一端刚碰触槽底时的形态图管袋碰触槽底后的逐段沉降形态由于牵拉绳的约束作用管袋能比较准确地定位于河床底部水槽概化试验观测表明一般管袋沉入河床后相对于从浮舟上

6、抛掷时的位置水平向前上游偏移牵拉绳越长偏移越小管袋越短则偏移越大长管袋尾端触碰河底后一般还要略向前偏移有关水槽试验实测数据详见表和表管袋受力特点分析在长管袋刚抛掷入水中时管袋基本呈水平状主要受牵拉绳初始拉力水下有效重力和绕流阻力影响做加速下沉运动牵拉绳初始拉力主要与绕流阻力有关随着管袋继续沉降水面和牵拉绳间的夹角即沉降角也逐渐增大在牵拉绳拉力管袋重力绕流阻力绕流升力及惯性力的共同作用下管袋的沉降运动可以概化为管袋质心的近似圆周运动此时管袋沿牵拉绳方向有一定的向心加速度管袋牵拉绳拉力也相应逐渐增大当管

7、袋尾端刚碰触河底时管袋尾端对河底瞬间产生较大的正压力由于在管袋牵拉绳约束下管袋略向上游前移相应也沿床面方向瞬间产生较大摩擦力这使得管袋牵拉绳拉力突然增大每次试验中使用测力计都测出此时的牵拉绳拉力最大在以后的管袋逐段沉落河底阶段由于管袋不再移动牵拉绳拉表水槽概化试验实测管袋牵拉绳拉力及相关系数力反而有所减小为了合理确定长管袋的绕流阻力系数及管袋在水下的摩牵拉绳静水牵拉绳摩擦阻力动水流速绕流阻力擦系数作者还做了专门的水槽试验长?拉力?系数?系数通过在动静水中牵拉管袋用测力计测试牵拉力反求了有关参数供模拟

8、计算参考使用有关水槽概化试验的备注以上数据是在另一大型水槽试验中测取均已换算为原型数据有关实测数据见表和表表不同条件水槽概化试验实测成果一览表???????????注以上数据均换算为原型数据注分别为大河流速与水深分别为长管袋袋长和牵拉绳绳长注分别为管袋沉降至河底所需时间和管袋在河底纵向偏移距离为牵拉绳最大牵拉力牵拉长管袋抛掷沉降的力学分析在水槽概化试验的观察分析基础上建立了牵拉长管袋沉降的基本力学模式牵拉长管袋落地以前的计算模型概化为如图所示图管袋沉降计算简化模型由于