四面六边透水框架群减速效果探究

闫鹏飞 荆 文 万 震 孙静涛

( 郑州大学 水利与环境学院，河南 郑州 450001)

0 背景

四面体透水框架是原水利部西北水利科学研究所在20世纪90年代初研制成功的一种完美结合实体抗冲和减速不冲防护特性于一体的护岸固脚技术，已获得国家实用新型技术专利。［1］1996年开始应用在长江干堤上，并经受住了1998年长江特大洪水的考验。因而被水利部作为推广项目列入《灾后堤防加固15 项推荐技术指南》中。

本文根据文献［2－4］利用框架群抛投前后流速的变化来体现四面六边透水框架群减速促淤的效果，建立了减速效果与框架尺寸、架空率和长度之间的关系模型。利用origin 软件从所搜查的文献［4］的图中提取原始水槽实验数据，借助统计分析理论对实验数据进行曲线拟合，并得出经验公式。

1 减速效率与架空率之间的关系曲线拟合

利用matlab 对从文献［4］中提取的减速效果η 与架空率ε的水槽实验数据(杆件长宽比λ =10m)进行四次曲线进行拟合，拟合结果如图1 所示。减速效果与架空率的经验公式为:

η=－0.01ε4＋0.17ε3－1.1ε2＋3.1ε－2.7。

由图1 可知，在框架长宽比λ=10m 时，当架空率在5.0－5.5 中间，减速效果达到最大值。四面六边框架群存在一个最优的架空率，在实际工程中，当框架尺寸长宽比取10m 时，应使框架群的架空率保持在5.0－5.5 之间;若采取其他形式的框架尺寸长宽比时，应根据室内水槽实验确定最优架空率。［4］

2 减速效率与框架尺寸长宽比之间的关系曲线拟合

利用matlab 对从文献［4］中提取的减速效率η 与框架尺寸长宽比λ 的水槽实验数据(架空率η 时)进行二次曲线拟合，拟合结果如图2 所示。减速效果η 与框架尺寸长宽比λ 的经验公式为η=－0.0017λ2 ＋0.051λ ＋0.39。

由图2 可知，在架空率ε=4.8 时，当框架尺寸长宽比λ 在15.0 左右时，减速效率达到最大值。当杆件长宽比λ 较小时，减速效率随λ 的增大而增大，但是当λ 增大到一定值后，其减速效率将随λ 的增大而减小。［4］

3 减速效率与顺水流方向铺设长度之间的关系曲线拟合

利用matlab 对从文献［4］中提取的减速效率η 与顺水流铺设长度L 的水槽实验数据(架空率ε=4.8)进行power 曲线拟合，拟合结果如图3 所示。减速效果η 与顺水流铺设长度L的经验公式为:η=－1.737L－1.336＋0.6774。

由图3 可知，当铺设长度小于某一值L1时(此处L1为10m左右)，减速效率随铺设长度的增加而增大。但是，当铺设长度增大到一定值L2时(此处L2为20m 左右)，当铺设长度超过这一个值后，相对减速率虽然有所增加，但增加幅度非常有限，仅有3～5 个百分点。建议此时框架体抛投长度取用10～20m 较为适宜，其他情况可根据室内水槽实验确定。［4］

4 结论

通过以上的分析，可以的到以下结论:

(1)当框架尺寸长宽比为定值时，框架群的架空率存在一个最优值，应根据室内水槽实验确定最优架空率。

(2)当架空率为一定值时，长宽比存在一个极限值，当超过这个值时，框架群的减速率不但得不到增强反而逐步降低。

(3)若铺设长度过大是不经济的，若过小，则不能起到一个有效的减速作用。考虑到工程施工的安全性以及经济性，应根据室内水槽实验确定铺设长度。

［1］水利部西北水利科学研究所.护岸防洪防冲四面六边透水框架［P］.中国专利:98233050.2，2002－02－02.

［2］吴龙华，周春天，严忠民等.架空率、杆件长宽比对四面六边透水框架群减速促淤效果的影响［J］.水利水运工程学报.2003(3) :74－77.

［3］刘刚.透水框架体水流特性及护岸应用实验研究［D］.河海大学，2006.

［41］吴龙华，周春天，严忠民等.四面六边透水框架群护岸机理研究［J］.水利水电快报.2003，24(11) :1－11.