充沙长管袋沉降机理与沉降速度分析

充沙长管袋沉降机理与沉降速度分析

用填充沙子的工具包领放在水库周围，防止洪水泛滥，保护水库及其附近河床，这是黄河流域目前开发的一种新技术。本文拟就长管袋的沉降过程进行初步的力学分析与模拟计算。1抛压管袋的机械特性1.1管袋轴线方向y向的分速度实际长管袋的形状不很规则,在下面的分析中将其概化为直径为d、长度为L的柔性圆柱体。假定管袋为水平抛掷并与水流方向呈角度β,则洪水流速v可以分解为垂直于管袋轴线(x向)和平行于管袋轴线方向(y向)的分速度vx=vcosβ和vy=vsinβ。洪水对管袋的作用力F也可分解为垂直于管袋轴线和平行于管袋轴线方向的分力Fx、Fy。由于沿管袋轴线方向水流的速度分布不均匀,故取单位长微段研究垂直管袋轴线的水流作用力fx=CdγmAd(Δvx)22ɡfx=CdγmAd(Δvx)22ɡ式中:fx为水流对单位长管袋的水平推力;Cd为管袋垂直绕流阻力系数;γm为浑水容重;Ad为单位长管袋的绕流特征面积;Δvx为洪水与管袋的相对速度(垂直管袋轴线方向)。则垂直于管袋轴线方向合力为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时,起初做加速运动,随着下沉速度的增加,抵抗管袋下沉的阻力也增大。当管袋的有效重力与所受的水流阻力相等时,管袋匀速下沉。管袋在水体中匀速下沉的速度称为管袋沉降速度(下简称沉速),用ω表示。管袋沉速的大小主要与管袋的尺寸、容重和绕流状态有关。根据实际观测,管袋在河流中下降的运动状态与水流雷诺数Re有关。实际河流中Re较大,管袋沉降时通常引起周围水体强烈的扰动,属于充分紊动沉降状态。(2)管袋沉速的变化长管袋形状不很规则,沉降规律比较复杂,当管袋匀速下沉时,我们根据模拟试验并进行力学分析,推导出管袋在清水中沉降时沉速的一般公式ω=√0.5πCd⋅√γs-γγɡd式中:γs、γ分别为管袋和清水的容重;Cd为垂直绕流阻力系数,与管袋沉降状态有关,其绕流阻力以紊动形态阻力为主。以上公式反映了管袋在静止清水中沉降的一般特征。实际管袋的形状不规则,而且在沉降时还受动水阻力和浑水含沙量的影响,因此实际管袋在河流中的沉速应写成如下形式:ω=Κ⋅√γs-γmγmɡd式中:K为管袋形状影响系数,由实测资料确定,一般可取0.82～1.15;γm为浑水容重,γm=γ+0.623S,S为浑水含沙量。(3)让下降看看管袋沉降时间T与抛投点处的水深H和管袋沉速有关,可概化表示为Τ=CΗω式中:C为沉降综合影响系数。2主袋爆炸的力学模型和计算2.1块体的位移和运动过程的计算将管袋视为多个小块柔性连接体,假定各小块体为刚体,它们的运动方式由作用在其上的不平衡合力及合力矩所决定,或平移或围绕其形心转动。为使问题简化,可分别考虑沿x-y和y-z两个平面运动,用增量法逐步计算出小块体的位移。限于篇幅,这里仅给出位移及转角公式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为块体绕其形心的转动量;xi为块体形心的坐标分量;˙ui为块体形心运动速度;t为运动时间;˙θi为块体对于其形心的角速度(i=x,y)。这样每一块体的新位置都导致新的接触力,合力与合力矩产生线加速度和角加速度,块体的速度和位移可由整个时步增量的积分获得。用这种方法可以计算出管袋每一时刻的位置,比较精确地描述管袋的实际运动过程。但要进行管袋运动精细的三维数值模拟,还需要大量的实测资料。2.2管袋与水流相对速度的修正为了使计算简化,假定管袋运动速度较小,水流对管袋的作用力不因管袋的移动而改变,即把水流与管袋的相对速度用水流速度代替。为了正确反映水流对管袋的作用力,适当对该速度加以修正:Δv=Cvv式中:Cv为相对运动影响系数,随水流速度的不同而变化;v为水流速度。2.2.1垂直方向分力将管袋的运动分为水平运动和竖直向下运动两部分。对于水平运动,管袋受力情况如图1所示。其中Fx为作用于管袋轴线垂直方向分力,ξ是Fx偏离管袋重心的距离。限于篇幅,仅给出推导后的结论。管袋重心的水平位移为u=CdC2vC2Κ2⋅Η2πd2Lɡ⋅γ2mγs(γs-γm)⋅cos2β∫L2-L2v2dL相对管袋原始位置的转角为α=48ξCdC2vC2Κ2⋅Η2πd2ɡ(3d2+4L2)⋅γ2mγs(γs-γm)⋅cos2β∫L2-L2v2dL2.2.2管袋运动轨迹22v将管袋按水流方向抛掷(管袋轴线平行于水流方向),假定管袋为平移运动,则u=CdC2vC2Κ2⋅Η2v2Lɡd⋅γ2mγs(γs-γm)。3计算长管袋爆炸运动的模拟计算3.1资料初步确定目前,各计算参数的确定还都只能依靠大量实测资料推求。这里采用了黄河河道工程管袋抛掷现场观测资料(水深H=5m,流速v=1.5m/s,含沙量S=60kg/m3)进行分析,初步确定各有关参数为:顺水流方向Cd=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移和转角计算根据黄河典型洪水条件及现场管袋制作条件,利用前述公式进行了管袋抛掷后的沉降位移和转角计算,计算值基本与实测值吻合。计算的几种主要情况为:(1)两种大河流速、不同水深时管袋的漂移计算,如图2、3。(2)两种大河流速、不同水深时管袋的转角计算,如图4。(3)两种大河流速、不同管袋长度的转角计算,如图5。4管袋参数的确定通过对长管袋抛掷沉降运动的分析研究及位移的数值模拟,得到一些初步认识:(1)长管袋的沉降力学特性可用沉速表征,管袋沉速与管袋的几何特性、填充度及河流的流速、含沙量有关。(2)将长管袋看作多个小块柔性连接体,在其抛掷沉降过程中同时受到水流冲击及重力作用。管袋的各块体在合力与合力矩作用下产生加速度,块体的速度和位移可通过时间的迭代积分获得。每一迭代过程中确定管袋的新位置和与边界新的接触力,为进行下一步的计算提供依据。(3)根据实测资料确定了有关的管袋参数。对不同管袋尺寸、不同水流条件进行的抛掷沉降数值模拟计算