鋼筋石籠串體穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

胡海松 伍學(xué)文 柳 滔

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

鋼筋石籠串體穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

胡海松 伍學(xué)文 柳 滔

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

鋼筋石籠串體是截流工程施工中較為重要的人工材料，研究鋼筋石籠串體綜合穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中尤為重要．本文主要通過(guò)物理模型試驗(yàn)，得出鋼筋石籠串體綜合穩(wěn)定系數(shù)范圍，同時(shí)通過(guò)對(duì)伊茲巴斯公式綜合穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行修正引入綜合穩(wěn)定折算系數(shù)α，擬合出鋼筋石籠串體起動(dòng)流速公式，為類似工程研究提供重要的參考依據(jù)．

截流； 鋼筋石籠串體； 綜合穩(wěn)定性系數(shù)； 起動(dòng)流速

1 研究背景

在水利施工中解決截流難度和提高截流效率一直是眾多學(xué)者研究的關(guān)鍵問(wèn)題，而鋼筋石籠是將編制好的鋼筋籠填充天然的石塊構(gòu)成的整體，在一定程度上增大了塊體的重量，并具有較好的透水性和柔性特點(diǎn)，其抗沖能力明顯高于單獨(dú)石料及其他拋投材料，已在截流工程、護(hù)岸工程中得到了廣泛的應(yīng)用．目前，已經(jīng)有學(xué)者針對(duì)鋼筋石籠的截流研究做了大量的工作，如肖煥雄[1]對(duì)立堵截流拋石立徑計(jì)算進(jìn)行研究；李學(xué)海[2]的鋼筋石籠的穩(wěn)定性及其計(jì)算方法；孫東坡[3]對(duì)截流龍口水力特性與截流的試驗(yàn)進(jìn)行了研究；葉恩立[4]的鋼筋石籠起動(dòng)流速試驗(yàn)與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析，黃國(guó)兵[5]等以截流塊體穩(wěn)定影響因素而推導(dǎo)出實(shí)用計(jì)算公式．然而到目前為止，針對(duì)鋼筋石籠串體穩(wěn)定性研究的理論成果并不是很多．因此，進(jìn)行鋼筋石籠串體的穩(wěn)定性研究具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)用意義．

2 問(wèn)題提出與分析

本文把鋼筋石籠串體作為影響因素，通過(guò)一系列的起動(dòng)流速試驗(yàn)，對(duì)伊茲巴斯公式綜合穩(wěn)定系數(shù)作出一定的修正，引入綜合穩(wěn)定折算系數(shù)α，轉(zhuǎn)化為鋼筋石籠串體截流塊體的計(jì)算公式，期待為鋼筋石籠串體在截流工程中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)．

3 鋼筋石籠串體穩(wěn)定性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在1∶50比尺的水槽模型中進(jìn)行，其寬度為0.5 m，高度為0.8 m，長(zhǎng)度為15 m，左右以及底部均采用加厚玻璃制作，便于試驗(yàn)觀察，并通過(guò)流量控制儀器調(diào)節(jié)水槽內(nèi)部的流量、流速、水位以滿足試驗(yàn)的需要．

圖1 試驗(yàn)水槽模型

試驗(yàn)工況：本次試驗(yàn)研究正六面體形狀的鋼筋石籠，在正六面體鋼筋籠內(nèi)裝入不同級(jí)配的石子，使石籠的重量存在差異，分別設(shè)置2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)一串4組，每組設(shè)置2 cm、2.5 cm、3.0 cm、3.5 cm、4.0 cm邊長(zhǎng)的5種尺寸，一共20組工況，進(jìn)而討論鋼筋石籠串體穩(wěn)定性試驗(yàn)研究．

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

本文指出鋼筋石籠串體試驗(yàn)都是垂直于水流方向擺放，并且串體均是只發(fā)生水平滑動(dòng)，不發(fā)生滾動(dòng)和翻轉(zhuǎn)．本試驗(yàn)采用多普勒超聲流速儀測(cè)量鋼筋石籠串體截面的平均流速，截面取左中右3條垂線，垂線采用三點(diǎn)法，截面流速取9點(diǎn)的平均值．鋼筋石籠串體抗沖起動(dòng)流速的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1．

表1 正六面體鋼筋石籠串體流速測(cè)量結(jié)果

3.3 鋼筋石籠串體綜合穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算

試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋石籠串體綜合穩(wěn)定系數(shù)變化范圍為0.543～0.661．鋼筋石籠串體綜合穩(wěn)定系數(shù)隨著串體個(gè)數(shù)的增加而增大，且在串聯(lián)個(gè)數(shù)相同的情況下，串體的抗沖流速隨著串聯(lián)單體重量的增加而變大，其綜合穩(wěn)定系數(shù)值隨著串聯(lián)單體重量的增加而逐漸減小，如圖2所示．

表2 正六面體鋼筋石籠串體綜合穩(wěn)定系數(shù)K′計(jì)算結(jié)果

續(xù)表2 正六面體鋼筋石籠串體綜合穩(wěn)定系數(shù)K′計(jì)算結(jié)果

圖2 正六面體鋼筋石籠串體對(duì)綜合穩(wěn)定系數(shù)K′影響

4 鋼筋石籠串體穩(wěn)定計(jì)算公式的擬合與驗(yàn)證

4.1 鋼筋石籠串體的穩(wěn)定計(jì)算公式擬合

圖3 正六面體鋼筋石籠串體綜合穩(wěn)定折算系數(shù)α計(jì)算結(jié)果

串聯(lián)個(gè)數(shù)綜合穩(wěn)定系數(shù)K′單體穩(wěn)定系數(shù)Kα=K/K′α均值2個(gè)一串0．6041．2750．5941．0000．5780．771．2751．2680．5611．3730．5431．4183個(gè)一串0．6181．2460．6111．0000．5960．771．2461．2420．5771．3340．5571．3824個(gè)一串0．6331．2160．6171．0000．6030．771．2161．2250．5831．3210．5611．3735個(gè)一串0．6611．1650．6321．0000．6160．771．1651．1850．6021．2790．5841．318

4.2 鋼筋石籠串體的穩(wěn)定計(jì)算公式的驗(yàn)證

為驗(yàn)證公式(2)的準(zhǔn)確性，本文又進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，針對(duì)串體個(gè)數(shù)不同的鋼筋石籠，在試驗(yàn)條件相同的情況下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)．將試驗(yàn)測(cè)得的鋼筋石籠串體起動(dòng)流速與依據(jù)式(2)計(jì)算所得的起動(dòng)流速進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表4，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖4所示．

表4 鋼筋石籠串體起動(dòng)流速試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果

圖4 鋼筋石籠串體起動(dòng)流速計(jì)算值與試驗(yàn)值比較

由表4和圖4可知，用本文擬合鋼筋石籠串體公式計(jì)算的起動(dòng)流速值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的起動(dòng)流速值基本吻合，誤差在1.10%～2.01%之間，滿足實(shí)驗(yàn)室誤差[6]精度要求．

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)鋼筋石籠串體的穩(wěn)定性起動(dòng)流速試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究分析，得出如下結(jié)論：

1)串體個(gè)數(shù)一定，隨著鋼筋石籠串體質(zhì)量的增加起流速也隨之增加，穩(wěn)定性越好．

2)鋼筋石籠串體綜合穩(wěn)定系數(shù)K′變化范圍為0.543～0.661，它隨鋼筋石籠串體質(zhì)量的增大而減小，同時(shí)隨串聯(lián)個(gè)數(shù)的增加而增加．

3)在伊茲巴斯公式的基礎(chǔ)上，引入了綜合穩(wěn)定折算系數(shù)α，擬合出鋼筋石籠串體綜合穩(wěn)定系數(shù)起動(dòng)流速新的計(jì)算公式，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該公式計(jì)算精度較好，具有一定可靠性，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有一定的參考價(jià)值．

[1] 肖煥雄．立堵截流拋石立徑計(jì)算研究[J]．水電站設(shè)計(jì)，2000，1(3)：1-7．

[2] 李學(xué)海，程子兵，汪世鵬，等．鋼筋石籠的穩(wěn)定性及其計(jì)算方法[J]．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，30(8)：31-36．

[3] 葉恩立，周宜紅，肖煥雄，等．鋼筋石籠啟動(dòng)流速試驗(yàn)與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)模分析[J]．天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，47(2)：108-115．

[4] 孫東坡，趙若鼎，嚴(yán) 闊，等．立堵截流龍口水利特性與截流難度的試驗(yàn)研究[J]．中國(guó)農(nóng)村水利水電，2013(5)：122-125．

[5] 黃國(guó)兵，李學(xué)海，程子兵，等．截流塊體穩(wěn)定影響因素及實(shí)用計(jì)算公式[J]．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，30(8)：25-30．

[6] 肖煥雄．施工水力學(xué)[M]．北京：水利電力出版社，1992．

[7] 楊旭武．實(shí)驗(yàn)室誤差原理與數(shù)據(jù)處理[M]．北京：科技出版社，2009．

ExperimentalStudyofReinforcedGabionStringBodyStability

Hu Haisong Wu Xuewen Liu Tao

(College of Hydraulic & Environmental Engineering， China Three Gorges Univ.，Yichang 443002， China)

The reinforced gabion is one of the most important artificial materials in the construction of the river closure project. It is very important to study the comprehensive stability coefficient of the reinforced gabion. Through the physical model test, the reinforced gabion body comprehensive stability coefficient range is obtained. Meanwhile, based on the comprehensive stability coefficient, S. V. lsbash formula modification is introduced into the integrated stable conversion coefficient, fitting out the starting velocity of reinforced gabion string body, so as to provide important reference for similar projects.

river closure； reinforced gabion string body; comprehensive stability coefficient; starting velocity

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.012

2017-03-10

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(2014401027)

胡海松(1992-)，男，碩士研究生，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究，E-mail：2369577695@qq.com

TV131

A

1672-948X(2017)05-0059-04

[責(zé)任編輯王迎春]