充沙長管袋沉降機(jī)理與沉降速度分析

充沙長管袋沉降機(jī)理與沉降速度分析

用填充沙子的工具包領(lǐng)放在水庫周圍，防止洪水泛濫，保護(hù)水庫及其附近河床，這是黃河流域目前開發(fā)的一種新技術(shù)。本文擬就長管袋的沉降過程進(jìn)行初步的力學(xué)分析與模擬計(jì)算。1拋壓管袋的機(jī)械特性1.1管袋軸線方向y向的分速度實(shí)際長管袋的形狀不很規(guī)則,在下面的分析中將其概化為直徑為d、長度為L的柔性圓柱體。假定管袋為水平拋擲并與水流方向呈角度β,則洪水流速v可以分解為垂直于管袋軸線(x向)和平行于管袋軸線方向(y向)的分速度vx=vcosβ和vy=vsinβ。洪水對管袋的作用力F也可分解為垂直于管袋軸線和平行于管袋軸線方向的分力Fx、Fy。由于沿管袋軸線方向水流的速度分布不均勻,故取單位長微段研究垂直管袋軸線的水流作用力fx=CdγmAd(Δvx)22ɡfx=CdγmAd(Δvx)22ɡ式中:fx為水流對單位長管袋的水平推力;Cd為管袋垂直繞流阻力系數(shù);γm為渾水容重;Ad為單位長管袋的繞流特征面積;Δvx為洪水與管袋的相對速度(垂直管袋軸線方向)。則垂直于管袋軸線方向合力為Fx=∫L2-L2fxdL。1.2由于管袋沉降的水特征(1)管袋沉降速度管袋在水中下沉?xí)r,起初做加速運(yùn)動,隨著下沉速度的增加,抵抗管袋下沉的阻力也增大。當(dāng)管袋的有效重力與所受的水流阻力相等時(shí),管袋勻速下沉。管袋在水體中勻速下沉的速度稱為管袋沉降速度(下簡稱沉速),用ω表示。管袋沉速的大小主要與管袋的尺寸、容重和繞流狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)實(shí)際觀測,管袋在河流中下降的運(yùn)動狀態(tài)與水流雷諾數(shù)Re有關(guān)。實(shí)際河流中Re較大,管袋沉降時(shí)通常引起周圍水體強(qiáng)烈的擾動,屬于充分紊動沉降狀態(tài)。(2)管袋沉速的變化長管袋形狀不很規(guī)則,沉降規(guī)律比較復(fù)雜,當(dāng)管袋勻速下沉?xí)r,我們根據(jù)模擬試驗(yàn)并進(jìn)行力學(xué)分析,推導(dǎo)出管袋在清水中沉降時(shí)沉速的一般公式ω=√0.5πCd?√γs-γγɡd式中:γs、γ分別為管袋和清水的容重;Cd為垂直繞流阻力系數(shù),與管袋沉降狀態(tài)有關(guān),其繞流阻力以紊動形態(tài)阻力為主。以上公式反映了管袋在靜止清水中沉降的一般特征。實(shí)際管袋的形狀不規(guī)則,而且在沉降時(shí)還受動水阻力和渾水含沙量的影響,因此實(shí)際管袋在河流中的沉速應(yīng)寫成如下形式:ω=Κ?√γs-γmγmɡd式中:K為管袋形狀影響系數(shù),由實(shí)測資料確定,一般可取0.82～1.15;γm為渾水容重,γm=γ+0.623S,S為渾水含沙量。(3)讓下降看看管袋沉降時(shí)間T與拋投點(diǎn)處的水深H和管袋沉速有關(guān),可概化表示為Τ=CΗω式中:C為沉降綜合影響系數(shù)。2主袋爆炸的力學(xué)模型和計(jì)算2.1塊體的位移和運(yùn)動過程的計(jì)算將管袋視為多個(gè)小塊柔性連接體,假定各小塊體為剛體,它們的運(yùn)動方式由作用在其上的不平衡合力及合力矩所決定,或平移或圍繞其形心轉(zhuǎn)動。為使問題簡化,可分別考慮沿x-y和y-z兩個(gè)平面運(yùn)動,用增量法逐步計(jì)算出小塊體的位移。限于篇幅,這里僅給出位移及轉(zhuǎn)角公式x(t+Δt/2)i=x(t)i+˙ui(t+Δt/2)?Δtθ(t+Δt/2)i=θ(t)i+˙θi(t+Δt/2)?Δt式中:θi為塊體繞其形心的轉(zhuǎn)動量;xi為塊體形心的坐標(biāo)分量;˙ui為塊體形心運(yùn)動速度;t為運(yùn)動時(shí)間;˙θi為塊體對于其形心的角速度(i=x,y)。這樣每一塊體的新位置都導(dǎo)致新的接觸力,合力與合力矩產(chǎn)生線加速度和角加速度,塊體的速度和位移可由整個(gè)時(shí)步增量的積分獲得。用這種方法可以計(jì)算出管袋每一時(shí)刻的位置,比較精確地描述管袋的實(shí)際運(yùn)動過程。但要進(jìn)行管袋運(yùn)動精細(xì)的三維數(shù)值模擬,還需要大量的實(shí)測資料。2.2管袋與水流相對速度的修正為了使計(jì)算簡化,假定管袋運(yùn)動速度較小,水流對管袋的作用力不因管袋的移動而改變,即把水流與管袋的相對速度用水流速度代替。為了正確反映水流對管袋的作用力,適當(dāng)對該速度加以修正:Δv=Cvv式中:Cv為相對運(yùn)動影響系數(shù),隨水流速度的不同而變化;v為水流速度。2.2.1垂直方向分力將管袋的運(yùn)動分為水平運(yùn)動和豎直向下運(yùn)動兩部分。對于水平運(yùn)動,管袋受力情況如圖1所示。其中Fx為作用于管袋軸線垂直方向分力,ξ是Fx偏離管袋重心的距離。限于篇幅,僅給出推導(dǎo)后的結(jié)論。管袋重心的水平位移為u=CdC2vC2Κ2?Η2πd2Lɡ?γ2mγs(γs-γm)?cos2β∫L2-L2v2dL相對管袋原始位置的轉(zhuǎn)角為α=48ξCdC2vC2Κ2?Η2πd2ɡ(3d2+4L2)?γ2mγs(γs-γm)?cos2β∫L2-L2v2dL2.2.2管袋運(yùn)動軌跡22v將管袋按水流方向拋擲(管袋軸線平行于水流方向),假定管袋為平移運(yùn)動,則u=CdC2vC2Κ2?Η2v2Lɡd?γ2mγs(γs-γm)。3計(jì)算長管袋爆炸運(yùn)動的模擬計(jì)算3.1資料初步確定目前,各計(jì)算參數(shù)的確定還都只能依靠大量實(shí)測資料推求。這里采用了黃河河道工程管袋拋擲現(xiàn)場觀測資料(水深H=5m,流速v=1.5m/s,含沙量S=60kg/m3)進(jìn)行分析,初步確定各有關(guān)參數(shù)為:順?biāo)鞣较駽d=0.65,K=1.1,C=3.6,Cv=0.6;垂直水流方向Cd=1.2,K=1.1,C=1.06,Cv=0.4。3.2移和轉(zhuǎn)角計(jì)算根據(jù)黃河典型洪水條件及現(xiàn)場管袋制作條件,利用前述公式進(jìn)行了管袋拋擲后的沉降位移和轉(zhuǎn)角計(jì)算,計(jì)算值基本與實(shí)測值吻合。計(jì)算的幾種主要情況為:(1)兩種大河流速、不同水深時(shí)管袋的漂移計(jì)算,如圖2、3。(2)兩種大河流速、不同水深時(shí)管袋的轉(zhuǎn)角計(jì)算,如圖4。(3)兩種大河流速、不同管袋長度的轉(zhuǎn)角計(jì)算,如圖5。4管袋參數(shù)的確定通過對長管袋拋擲沉降運(yùn)動的分析研究及位移的數(shù)值模擬,得到一些初步認(rèn)識:(1)長管袋的沉降力學(xué)特性可用沉速表征,管袋沉速與管袋的幾何特性、填充度及河流的流速、含沙量有關(guān)。(2)將長管袋看作多個(gè)小塊柔性連接體,在其拋擲沉降過程中同時(shí)受到水流沖擊及重力作用。管袋的各塊體在合力與合力矩作用下產(chǎn)生加速度,塊體的速度和位移可通過時(shí)間的迭代積分獲得。每一迭代過程中確定管袋的新位置和與邊界新的接觸力,為進(jìn)行下一步的計(jì)算提供依據(jù)。(3)根據(jù)實(shí)測資料確定了有關(guān)的管袋參數(shù)。對不同管袋尺寸、不同水流條件進(jìn)行的拋擲沉降數(shù)值模擬計(jì)算