四面体块石串在河道截流中的应用研究

许　杰

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司，成都　610065)



四面体块石串在河道截流中的应用研究

许杰

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司，成都610065)

摘要：为了研究四面体块石串在河道截流中的应用规律，以模型试验的方法对不同抛投方式下块石串的稳定以及块石串在明渠中的稳定流速进行了研究，得出了不同抛投方式对块石串稳定的影响规律以及块石串体在明渠中的稳定流速计算公式。

关键词：四面体块石串；稳定流速；截流；模型试验

0前言

在水利水电工程建设中，河道截流占有重要的地位[1-2]。截流的成败不仅对水利水电工程的施工安全、施工工期及工程造价有影响[3-4]，还涉及到坝址下游地区的防洪安全[5-6]；因此河道截流被看做水电工程建设中的控制性节点[7-8]。当今的截流过程中，块石串运用较多，但关于块石串抗冲稳定性的研究较少。肖焕雄[9]等提出了用串体代替单体并消减截流最大单体稳定重量的计算方法；李学海[10]等研究了抛投料稳定对三峡工程三期明渠截流的影响。上述研究对抛投方式以及块石串的抗冲规律未作具体的研究，故本文重点对块石串抗冲稳定性问题进行研究。针对块石串体的抗冲能力进行了模型试验，得出了块石串体在明渠中的抗冲流速计算公式以及不同抛投方式对块石串稳定的影响规律。本文研究成果对河道截流工程的设计和施工有一定的理论指导意义和参考价值。

1模型制作及试验方法

1.1模型制作

试验在矩形明渠中进行,见图1。试验用的明渠为混凝土底坡，坡度为0.1%，明渠长10 m，宽0.4 m，高0.4 m。试验时可以采用上游来水流量及明渠末端的闸门调节明渠内的水深和流速。四面体为混凝土，在制作过程中预先埋设铁丝弯钩，便于四面体连接成正四面体串和试验时连接测力设备；四面体边长分别为6、8、10和12 cm的正四面体，试验时四面体串分别由2～4个四面体组成。

图1　明渠布置示意图

1.2试验方法

(1) 调整上游流量阀门及下游控制闸门，达到预定的水深及流速，待水流稳定后，测量并记录垂线各试验位置点的流速。

(2) 在这个流速下，按不同的方式抛投单个四面体及四面体串，每种情况抛投20次，记录其稳定的次数。

(3) 抛投方式：正面抛投(即四面体按尖角正对水流抛投)、反面抛投(即面对正水流抛投)，四面体串增加了串与水流称45°角方向的抛投。

(4) 四面体串串联方式：a为四面体边长，串体间距分别以0.1a、0.5a、1a三种间距链接。

(5) 重新调整水深及流速，待稳定后重复以上步骤。

2试验成果与分析

2.1抛投方式对串体稳定性的影响分析

本次试验在不同流速、12 cm水深条件下进行，此数据中仅列出边长为8 cm的四面体在每种情况下抛投20次，串体的稳定次数见表1～3。

表1　串体在流速0.615 m/s下抛投20次的稳定次数表

表2　串体在流速0.627 m/s下抛投20次的稳定次数表

试验表明，串体抛入水中的稳定与块体在水下的排列方式相关[11]，总体来说直线排列的形式稳定性最好，而串体的水下排列形式还与抛投的方式及串体上块体之间的距离有关。一般来说顺水流方向以直线的方式抛投，入水后成直线排列的几率就大，并且串体上块体间的距离越短，成直线排列的几率越大，入水后越容易稳定。串体的稳定与串体的抛投形式及串体入水后的排列方式有关[12-13]。若块体入水后与水流方向成90°方向横向排列，则稳定性与单个块体的相似。若入水后可以顺水流方向竖向排列，这样块石之间有掩蔽作用、定托作用，串体的稳定性大大高于单个块体，并且随着串体块石数量的增加，稳定性也逐渐增加。

表3　串体在流速0.639 m/s下抛投20次的稳定次数表

从边长为8 cm的四面体串试验数据上可以看出，在相同的流速下，串体的稳定性高于单个块体的稳定性，并且随着串体上块体数量的增加，稳定性越来越强。串体正面顺水流方向抛投入水后，串体的稳定概率最高，而串体与水流方向成45°斜向抛投时的稳定性最差，串体反向抛投时的稳定性在三者中居于中位。原因是斜向抛投时，块体间的掩蔽作用不明显，且第2块体对第1块体的顶托力与水流方向不在一条直线上，在水流作用下串体自动调节为直线排列的几率不大；反向抛投时第2块体对第1块体的顶托力与水流方向不容易不在一条直线上，容易造成第1块体的倾斜导致串体失稳。

2.2串体稳定流速试验成果分析

由于块体之间相互作用，使四面体不易倾翻[14]，故可以建立抗滑稳定形态的极限平衡方程。受力分析见图2。

图2　串体抗滑稳定受力分析图

(1)以上3式相加得：

(2)

由于制作的四面体块是等体等重的，有d1=d2=d3，ω1=ω2=ω3，f1≈f2≈f3，η1≈η2≈η3,河道的糙率n是大致相当的，故谢才系数C1≈C2≈C3，将四面体的几何特征a=1.64d,h=1.34d,ω=1.17d2,代入上式，化简得到:

(3)

令

则可以得出：

(4)

式中:α3为3个块体组成1串时起动综合稳定系数，对于N个块体串的稳定问题，综合稳定系数可以记为αN，则

(5)

这种串体的稳定方式建立在串体顺水流方向成一条直线排列，串体中的块石间有掩蔽作用，且在串体稳定的因素中掩蔽作用占很大的部分[15]。串体中第1块体的作用是提供掩蔽作用，让后面的块体受到的水流作用力减小，而后面的块石则是在稳定的基础上为第1块体提供顶托力，保持第1块体的稳定，以保证第1块体持续的提供掩蔽作用，来保持整个串体的稳定。随着流速的增大，第1块体稳定所需的顶托力越来越大，仅凭第2块体不能提供足够的力，则会使串体排列更紧密，由第2、第3块或更多块共同提供顶托力，以保证串体稳定。稳定的串体在水下随着流速的增大的变化趋势如图3所示。

图3　串体水下稳定变化示意图

从理论推导的块体最稳定状态的计算公式如式(4)。为了使用方便，用明渠内的平均流速V1来表示串体的抗冲流速计算，从而使计算公式与传统的单个块体的抗冲流速公式在形式上一致，故本文采用了稳定系数α综合考虑V1、V3与V2之间的关系，稳定系数α由试验确定，得到最后的表达式：

(6)

综上所述，串体的稳定性要高于单个块体；稳定率大于等于80%即认为串体稳定，现将试验成果代入前面推导的计算公式中，则最后可以得到混凝土四面体串体的稳定流速公式如下。

1个四面体：

2个四面体的串：

3个四面体的串：

4个四面体的串：

由上面表达式计算得出各个串体的稳定流速，计算结果见表4。

表4　串体的计算稳定流速表　cm/s

3结语

串体的稳定率和稳定系数优于单体，且串体的综合稳定系数随着串联块个数的增加而增加；串联块体之间的间距越小稳定性越高。在相同的流速下，单个抛投块体所需的稳定重量比串体中的单个块体大。

参考文献:

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[9]肖焕雄,任春秀,孙志禹,等. 中国江河截流的科技进展[J].水利水电科技进展,2006(6):81-84.

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[11]肖焕雄,唐晓阳. 江河截流中混合粒径群体抛投石料稳定性研究[J].水利学报,1994(3):10-18.

[12]余文畴.抛石护岸稳定坡度与粒径的关系[J].泥沙研究,1984(3):71-76.

[13]姚仕明,卢金友,等. 抛石护岸工程试验研究[J].长江科学院院报,2006(1):20-23.

[14]周代鑫,黄希敏. 截流人工块体稳定性分析[J].人民珠江,1995(2):18-24.

[15]李学海,唐祥甫,刘力中.明渠截流抛投体稳定性研究[J].中国三峡建设,2002(10):26-27.

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

中图分类号：TV551

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.012

作者简介：许杰(1983- ),男，河南省郑州市人，硕士，主要从事水利工程设计工作.

收稿日期：2016-01-20

文章编号：1006—2610(2016)02—0041—04