牵引抢险长管袋沉降力学模型研究

牵引抢险长管袋沉降力学模型研究

用填充沙管袋作为堵塞材料，是一种新的堵塞技术。有关牵拉长管袋抛掷后的沉降位移、管袋在河床上的稳定及牵拉绳拉力的是工程设计十分关心的问题。为此,本文进行了牵拉长管袋抛掷沉降的水槽概化模拟试验研究。同时还进行了力学特性分析和数值模拟计算。1长管袋的概化模拟试验1.1试验设备及条件目前河务部门拟采用的长管袋尺寸为:长40m,直径1.5m;长10m,直径1.5m两种。填充管袋的泥浆含沙量为:S=1200kg/m3,泥浆容重γm=1800kg/m3。大河流速:v=2.5～4.0m/s,口门附近水深:H=15～23m。牵拉绳采用高强度锦纶绳,牵拉绳长度为:l=50～80m。试验条件:使用有机玻璃矩形断面循环水槽,试验段长4.5m,槽高0.25m,宽0.12m。水槽首部有静水栅,尾部设可调水深的尾门。采用专用拉力计测定牵拉绳拉力,水槽试验装置见示意图1。1.2管袋、豆浆和拉伸绳模拟试验采用重力相似准则,几何比尺为100,主要试验参数见表1、表2。根据比尺及摩擦力相似要求,模型管袋采用较致密的涤良布,泥浆采用细沙与木屑按一定比例配制。牵拉绳采用柔度相似的细尼龙绳。试验中通过适当调整模型Fr使水流紊动强度相似于天然河道。2概化管袋沉降根据设计水力条件与牵拉长管袋规格(见表1),进行了多组次的概化管袋沉降模拟试验,测取了管袋沉降的有关数据,经分析摸清了长管袋的运动特性,得到了长管袋沉降的基本力学特征参数。2.1管袋沉降试验牵拉长管袋落入水中后,在牵拉绳的约束下,长管袋基本以牵拉绳固定端为圆心,整体呈弧线下沉,见图2。管袋尾端下沉稍快,管袋头部则受绳子牵拉下沉稍慢,管轴线略呈上凹曲线。通常管袋尾端先碰触河底,在牵拉绳的作用下,管袋略向前移,然后管袋由后向前逐段沉入河底。这一逐渐落地的过程可见试验图3、图4。由于模型水流紊动强度远弱于天然河流,水槽试验中管袋受水流紊动干扰较小。模型实测管袋沉降速度比实际河流中的管袋沉速偏大一些。水槽概化试验还观测到,不同长度试验管袋的沉降特性基本相同,管袋长度不如管袋直径对沉降速度的影响大。另外牵拉绳长短对管袋沉降速度的影响也不大,但牵拉绳所受的拉力却受牵拉绳长度的影响较明显。由于牵拉绳的约束作用,管袋能比较准确地定位于河床底部。水槽概化试验观测表明:一般管袋沉入河床后,相对于从浮舟上抛掷时的位置水平向前(上游)偏移1～2.5m。牵拉绳越长,偏移越小;管袋越短,则偏移越大。长管袋尾端触碰河底后,一般还要略向前偏移0.4～0.8m。有关水槽试验实测数据详见表3和表4。2.2拉拔试验及结果在长管袋刚抛掷入水中时,管袋基本呈水平状,主要受牵拉绳初始拉力、水下有效重力和绕流阻力影响,做加速下沉运动。牵拉绳初始拉力主要与绕流阻力有关。随着管袋继续沉降,水面和牵拉绳间的夹角即沉降角α也逐渐增大,在牵拉绳拉力、管袋重力、绕流阻力、绕流升力及惯性力的共同作用下,管袋的沉降运动可以概化为管袋质心的近似圆周运动。此时,管袋沿牵拉绳方向有一定的向心加速度,管袋牵拉绳拉力也相应逐渐增大。当管袋尾端刚碰触河底时,管袋尾端对河底瞬间产生较大的正压力。由于在管袋牵拉绳约束下,管袋略向上游前移,相应也沿床面方向瞬间产生较大摩擦力。这使得管袋牵拉绳拉力突然增大,每次试验中,使用测力计都测出此时的牵拉绳拉力最大。在以后的管袋逐段沉落河底阶段,由于管袋不再移动,牵拉绳拉力反而有所减小。为了合理确定长管袋的绕流阻力系数及管袋在水下的摩擦系数,作者还做了专门的水槽试验。通过在动、静水中牵拉管袋,用测力计测试牵拉力,反求了有关参数供模拟计算参考使用。有关水槽概化试验的有关实测数据见表3和表4。3管袋沉降速度在水槽概化试验的观察分析基础上,建立了牵拉长管袋沉降的基本力学模式。牵拉长管袋落地以前的计算模型概化为如图5所示。由于长管袋的容重大于水的容重,在水中管袋受到重力作用而下沉。管袋长度相对于水深而言较大,通过试验观察表明,可以将管袋右端视为匀速下沉。这里将水中管袋形心处的沉降速度称为管袋沉速,用V表示。实际河流中Re较大,管袋沉降时通常都引起周围水体强烈的扰动,属于强烈的紊动沉降状态。牵拉长管袋在沉降时的受力分析如下:(1)如果你降低了管道袋的有效重力设管袋和水的容重分别为γm和γ,则管袋在静水中沉降时受到的有效重力为式中d为管袋直径,L为管袋长度。(2)管袋内绕流特征面积计算式中Cd为顺流向绕流阻力系数;Ad为顺流向绕流特征面积;γ为水的容重;α为管袋轴线与水平面夹角;v为相应流层的流速;d为长管袋直径;L为长管袋长度;g为重力加速度。(3)顺流向升力系数cd由于水流对管袋的不对称绕流产生的垂直向上升力为(管袋顺水流方向时升力为0,管袋竖直方向时升力也为0,因此下式中乘sin2α)式中CL为顺流向升力系数,根据实测资料确定,与Cd值有关;v为相应流层的流速;其余符号解释同公式(2)。(4)管袋沉速v管袋下沉时引起垂直管袋轴线的绕流阻力为式中Cd1为垂向绕流阻力系数,其值与顺流向绕流阻力系数有关;V为管袋沉速;其余符号解释同公式(2)。试验分析表明该力对牵拉绳的拉力无显著影响。但对管袋沉降速度有一定影响,通过试验表明,管袋抛入水中在很短时间内达到匀速沉降,接近平均沉速,因此,计算中采用平均流速后,该力对牵拉绳的拉力无显著影响。(5)管袋质量管袋特性此时,管袋牵拉绳的拉力为式中T为牵拉绳拉力;V为管袋沉速;R为转动中心到管袋形心的距离,如图5所示;m为管袋质量;其余符号解释见以上各式。(6)管袋着地对拉拔力的影响图中FN为河床对管袋的反力,它是由于管袋落地时碰撞引起的撞击力,可由瞬时动量方程的形式反映图中Ff为河床底部对管袋的摩擦力。式中μ为管袋碰撞作用系数;f为管袋与河床底部的摩擦系数;m为管袋质量。图中Fε为管袋着地时引起的切向惯性力。此时,牵拉绳的拉力则为式中ξT为拉力修正系数。由于管袋着地时产生两方面的运动,一是管袋沿河床底部向上游牵拉摩擦滑动,二是绕管袋与地面接触点逆时针方向转动。由于惯性力的作用使牵拉绳的拉力突然增大,所以牵拉绳的拉力要乘以惯性修正系数ξT。根据实测及计算数据分析确定ξT的表达式如下ξT=l+50l×0.65(9)ξΤ=l+50l×0.65(9)式中l为牵拉绳长度,这里主要考虑了牵拉绳长度对管袋触地后的缓释影响。4管袋着地抗拉能力在结合概化试验确定力学模型与有关参数的基础上,碰撞系数μ取0.25,摩擦系数f取0.53,综合绕流阻力系数Cd取2.20,由于CL、Cd1的绕流面积形状与Cd绕流面积形状很接近,因此作为工程实用计算均取为2.20,根据管袋着地前及着地后力的计算公式(5)、(8),进行了设计水流条件下管袋沉降与牵拉绳拉力的模拟计算。计算采用的管袋长度为40m,管袋直径为1.5m。4.1管袋着地与拉伸绳应力间的关系对于水深15m,水流速度3m/s的计算工况:根据以上受力分析所得基本关系,模拟计算得出管袋着地后不同牵拉绳长与最大牵拉力间的关系,见图8。对于水深15m,水流速度3m/s,牵拉绳长50m、80m两种工况:根据以上力学分析所得的基本关系,模拟计算得出在不同水流流速条件下,管袋着地后的牵拉绳最大拉力。大河流速与最大牵拉力间的关系见图9。同时也模拟计算得出在不同大河水深条件下,管袋碰触河底后的牵拉绳最大拉力。分析计算成果,得到大河水深与最大牵拉力间的关系如图10所示。4.2拉伸绳拉力分析计算条件采用汛期大河洪水流速3m/s,水深15m,牵拉绳长50m、80m两种。根据建立的牵拉管袋沉降力学模型,模拟计算了长管袋在沉降过程中处于不同时刻(水下不同位置)牵拉绳拉力以及长管袋碰触河底后的牵拉绳拉力变化。计算得出的牵拉管袋在沉降过程中,牵拉绳拉力随沉降时间变化的关系,见图11。模拟计算成果与水槽概化试验的实测成果基本是一致的。分析模拟计算成果,反映了牵拉绳由约21kN的初始牵拉力开始(试验实测值为24.4kN。由该时刻至管袋着地时刻之间的曲线由模拟计算公式得出。着地之后的曲线是由试验观测管袋沉降规律描绘得出),随管袋沉降牵拉力逐渐增加,且增加速率基本保持一致。碰触河底前,50m长牵拉绳的牵拉力增至141kN,80m长牵拉绳的牵拉力稍小,增至121kN。在管袋碰触河床的瞬间,牵拉绳拉力突然跳跃增大。50m长牵拉绳和80m牵拉绳的牵拉力分别剧增至207kN和151kN。在管袋右端触地后,管袋逐段沉落河底的过程中,牵拉绳拉力逐渐减小,趋于一稳定值。由计算成果绘制的牵拉绳拉力变化过程线,形象地反映了牵拉力这一变化过程。由图11可以看出在管袋着地后牵拉绳拉力突跃增大,尤其牵拉绳长度较小时,其拉力值的跃增较大。但绳长超过80m以后,降低拉力值的效果不太明显,参见图8及图11。5概化试验与模拟计算结果分析通过牵拉长管袋沉降模拟的概化试验与模拟计算研究,得到以下几点认识。(1)牵拉管袋沉降的基本形式是在牵拉绳约束下,绕固定桩沿曲线下沉。沉降过程中,管袋受有效重力、绕流阻力及牵拉绳拉力等的综合作用。牵拉绳拉力主要受管袋重力、流速与牵拉绳长度的影响;在管袋碰触河底瞬间,碰撞河底及其所引起的床面附加摩擦力使牵拉绳所受拉力突增,达到最大值。(2)经试验与模拟计算验证,长管袋综合绕流阻力系数约取2.1～2.4之间;摩擦阻力系数选用在0.53～0.68之间是比较可行的。(3)根据概化试验所得的认识和确定的有关参数,建立了管袋沉降的力学模型。按照设计水流条件和长管袋规格,进行的管袋沉降模拟计算结果与试验结果基本一致。