水流作用下護底軟體排壓載穩(wěn)定性研究

水流作用下護底軟體排壓載穩(wěn)定性研究

0護底財產(chǎn)安全風險穩(wěn)定性研究混凝土鏈塊的統(tǒng)計數(shù)據(jù)是深水流湍急部位的一種重要保護形式。其壓載穩(wěn)定性是關系到結(jié)構(gòu)安全和工程經(jīng)濟性的重要問題?，F(xiàn)行規(guī)范中軟體排壓載穩(wěn)定性計算公式未考慮水深、水流結(jié)構(gòu)、波浪、坡度、不同部位、壓載塊形狀及尺度等因素。長江南京以下12.5m深水航道治理一期工程護底軟體排工程費用超過整個工程的50%,合理確定壓載規(guī)格,對保證結(jié)構(gòu)安全和提高經(jīng)濟性,具有重要意義。為此,依托該工程,開展了專題研究:(1)采用壓載穩(wěn)定性物模試驗、Fluent二維數(shù)模和Flow三維數(shù)模壓載穩(wěn)定性研究相結(jié)合,研究護底軟體排不同部位在不同水深、流速、波浪、底坡、排邊沖刷、壓載塊形狀及尺度等條件下的壓載失穩(wěn)形式、過程、臨界失穩(wěn)水動力數(shù)據(jù);(2)結(jié)合試驗成果,揭示水流、波浪作用下護底軟體排壓載失穩(wěn)規(guī)律、失穩(wěn)機理和主要影響因素,并推導提出了水流、波浪作用下壓載穩(wěn)定性計算公式,公式及參數(shù)經(jīng)物模和數(shù)模驗證和率定。1在水流的作用下，軟組織的排出邊緣和支撐側(cè)的壓載失穩(wěn)定機理1.1祖母側(cè)壁和支撐側(cè)的壓載不穩(wěn)1.1.1關鍵部位的確定根據(jù)物模試驗觀察到的失穩(wěn)現(xiàn)象,軟體排邊緣壓載失穩(wěn)過程為:水流流速未達到臨界失穩(wěn)流速之前,軟體排保持穩(wěn)定;水流流速達到臨界失穩(wěn)流速的某一瞬間,軟體排迎流側(cè)的邊緣壓載塊連同排布迎流側(cè)翹起;之后,剎那間帶動整塊軟體排發(fā)生向背流側(cè)的翻卷,導致整塊軟體排壓載失穩(wěn)。因此,軟體排邊緣壓載失穩(wěn)形式對于整塊軟體排而言屬于卷邊失穩(wěn),對于邊緣壓載塊自身而言屬于滾動失穩(wěn)或傾覆失穩(wěn)。1.1.2搭接部位臨界失穩(wěn)流速增搭接部位與邊緣部位的差異在于局部凸起,在相同水深、垂線平均流速條件下搭接部位壓載前流速較邊緣壓載塊有所增大,導致臨界失穩(wěn)流速有所降低。1.2影響邊緣和安裝部件壓載穩(wěn)定性的主要因素1.2.1壓載塊穩(wěn)定性的影響本次研究結(jié)構(gòu)形式及長度見圖1,普通型(正方形板狀)寬度均為0.4m,凈距0.1m,改進型(削角正方形板狀)、加長型、楔形寬度均為0.48m,凈距0.02m。數(shù)物模數(shù)據(jù)表明,壓載塊的結(jié)構(gòu)形式及長度對穩(wěn)定性有較大的影響(見表1):1)改進型穩(wěn)定性好于普通型,原因在于上部削角有利于水流的繞行,從而降低了作用在壓載塊上的水流力。2)加長型穩(wěn)定性好于改進型,加長型2略好于加長型1,說明壓載塊長度越長,穩(wěn)定性越好,原因在于邊緣壓載塊承受的拖曳力基本不變,壓載塊越長,拖曳力引起的傾覆力矩占比下降,從而提高穩(wěn)定性。但由于邊緣壓載塊所承受的上舉力對傾覆力矩占主導地位,拖曳力占次要地位,加長型2的失穩(wěn)臨界流速增加有限。3)楔形穩(wěn)定性介于改進型和加長型之間,其原因在于盡管楔形有利于減小水流拖曳力和上舉力,但壓載塊四周楔形處理,使得壓載塊重量大幅下降,抵消了水流力減小的有力作用。1.2.2臨界流速垂線演變?yōu)楸厝坏脑蛑?主要通過高速垂線101010數(shù)物模數(shù)據(jù)表明,軟體排邊緣壓載結(jié)構(gòu)尺度相同的情況下,隨著水深的增加,邊緣壓載的臨界失穩(wěn)流速有所增加,穩(wěn)定性有所提高,見圖2,原因是流速垂線基本呈指數(shù)分布或?qū)?shù)分布,垂線平均流速相同時,水深越深,近底層流速越小,因而壓載塊受到的水流力就越小。1.2.3逆坡下的穩(wěn)定性物模數(shù)據(jù)表明,逆坡條件的失穩(wěn)臨界流速均大于平底條件,逆坡越陡,失穩(wěn)臨界流速越大,穩(wěn)定性越好,逆坡上的壓載塊排數(shù)2排的穩(wěn)定性好于1排,見表2。1.2.4旋轉(zhuǎn)磨損對壓載穩(wěn)定性的影響物模試驗表明,隨著流速的逐漸加大,排邊外砂質(zhì)粉土被逐漸沖走,邊緣壓載塊沿土工布包砂下垂,壓載穩(wěn)定性得到顯著提高,見表3。1.3在軟組織排出邊緣和祖母側(cè)的壓力下分析根據(jù)物模試驗觀察到的失穩(wěn)現(xiàn)象以及數(shù)模采集的流速、壓強等數(shù)據(jù),結(jié)合力學平衡分析,對軟體排邊緣部位壓載失穩(wěn)機理得到以下認識。1.3.1邊緣壓載塊拖勞動的影響行進水流流經(jīng)護底軟體排邊緣時,底部水流受到邊緣壓載塊及排布的阻擋,沿邊緣壓載塊迎流面向上流動,繞過邊緣壓載塊后繼續(xù)行進,從而在邊緣壓載塊迎流面產(chǎn)生水平向的動壓,在邊緣壓載塊及排布底部產(chǎn)生由前到后逐漸減小的向上動壓,在邊緣壓載塊頂部產(chǎn)生由前到后逐漸減小的負動壓,邊緣壓載塊迎流面動壓和背流面動壓之差形成往后的力,即拖曳力,邊緣壓載塊排布底部和邊緣壓載塊頂部動壓之差形成向上的力,即上舉力,拖曳力、上舉力與流速的平方基本成正比關系。拖曳力和上舉力引起繞邊緣壓載塊后趾的傾覆力矩,當傾覆力矩小于邊緣壓載塊有效自重引起的穩(wěn)定力矩時,邊緣壓載塊保持穩(wěn)定,當傾覆力矩大于穩(wěn)定力矩時,邊緣壓載塊發(fā)生傾覆破壞,表現(xiàn)為邊緣壓載塊連同排布迎流側(cè)翹起、翻卷(此時的流速即為臨界失穩(wěn)流速),邊緣壓載塊的翻卷導致軟體排邊緣迎流面積大大增加,所受到的拖曳力也急劇增大,進而引起護底軟體排由迎流側(cè)向背流側(cè)的連續(xù)翻卷,最后導致整個護底軟體排失穩(wěn)。搭接部位壓載失穩(wěn)機理基本同邊緣部位。1.3.2在逆坡條件下，軟組織排水溝邊緣的壓力損失機制與平底條件壓載失穩(wěn)的差異在于,邊緣壓載塊頂面也成為迎流面而產(chǎn)生一定的下壓力,增加穩(wěn)定力矩,從而提高邊緣壓載穩(wěn)定性。1.3.3初始5排外沖刷期邊緣充放電邊緣穩(wěn)定性的改變對于表層為粉細砂、粉土等易沖土層,由于土質(zhì)抗沖流速只有0.5m/s左右,在一般徑潮流作用下很容易發(fā)生排外沖刷(而此時流速遠小于邊緣臨界失穩(wěn)流速,排體處于穩(wěn)定狀態(tài)),護底軟體排邊緣隨之傾斜、下垂,排邊床面形成30°左右的斜坡,由此初始平底條件下的邊緣壓載穩(wěn)定問題轉(zhuǎn)為逆坡條件下的邊緣壓載穩(wěn)定性問題,同時隨著排外的沖刷,邊緣壓載的水深增加,排邊流速相應下降,以沖刷前流速衡量的邊緣臨界失穩(wěn)流速得到大幅提高。2在水流作用下，軟硬邊緣和安裝部位的壓載穩(wěn)定計算公式中2.1在平坦條件下，邊緣不清潔邊緣和支撐部分2.1.1等效長度及作用力平底條件下,引起邊緣壓載失穩(wěn)的力為水流力,包括拖曳力FD和上舉力FL,保持穩(wěn)定的力是其有效重力G,見圖3。1)壓載塊尺寸:壓載塊長度為l(垂直于排邊方向),寬度為b,厚度為t,對于非長方體,底部有效長度為ls,按寬度b和厚度t折算成長方體的等效長度為lm。2)作用力FD、FL的分布:數(shù)模數(shù)據(jù)顯示,水流拖曳力基本呈矩形分布,水流上舉力基本呈三角形分布。因此,將拖曳力概化為矩形分布,上舉力概化為三角形分布。FD、FL的計算:采用牛頓阻力公式:式中:λD為水流拖曳力系數(shù);λL為水流上舉力系數(shù);ud為壓載塊前流速,m/s;ρs為壓載塊密度,kg/m3;ρ為水密度,kg/m3。2.1.2后外壓力及流場參照JTS154-4—2011《防波堤設計與施工規(guī)范》直立堤抗傾穩(wěn)定計算公式,建立翻卷失穩(wěn)的矩平衡方程為:式中:γO為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);γFD為水流拖曳力分項系數(shù);γFL為水流上舉力分項系數(shù);γd為結(jié)構(gòu)系數(shù);γG為壓載塊自重力分項系數(shù);MFD為水流拖曳力標準值對后趾的傾覆力矩;MFL為水流上舉力標準值對后趾的傾覆力矩;MG為壓載塊自重力標準值對后趾的穩(wěn)定力矩。為便于推導,作適當簡化:令γF=γFD=γFL,因γG=1,推導公式時不計,將作用力和力臂代入式(4),得:將式(1)~(3)代入式(5),經(jīng)整理后,得失穩(wěn)底流速計算公式:由于在工程實踐中壓載塊前底流速不易確定,為方便使用,以垂線平均流速來替代。采用指數(shù)流速分布,則壓載塊前流速為:將式(8)代入式(7),得到失穩(wěn)垂線平均流速計算公式:式中:Vs,Vcr分別為設計和臨界失穩(wěn)垂線平均流速,m/s;uds,udcr分別為設計和臨界失穩(wěn)底流速,m/s,對于軟體排邊緣取y=(1/2)t處的流速,對于軟體排搭接部位取y=t處的流速;d為水深,m;m為指數(shù),待定;γO為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),根據(jù)JTS144-1—2010《港口荷載規(guī)范》,結(jié)構(gòu)安全等級一、二、三級分別取1.1、1.0、0.9;γF為水流力分項系數(shù),待定;α為系數(shù),對于軟體排邊緣取2,對于軟體排搭接部位取1;其余同前。2.1.3確定普通型d大小待定系數(shù)的率定見表4。對于λD,λL,數(shù)模研究表明,拖曳力引起的傾覆力矩占傾覆力矩的比重約3%~12%,因此λD大小對結(jié)構(gòu)影響有限,為簡便起見,λD按1.0處理,而對λL通過數(shù)模率定確定,普通型厚度0.2m的λL=1.75,普通型厚度0.12m的λL=1.35,上下削角(改進型、楔形)λL=1.15。m根據(jù)數(shù)物模數(shù)據(jù)率定,取m=1/8。2.1.4波浪力取值需進一步深化研究水流力分項系數(shù)γF:考慮到水流力和波浪力對于抗傾穩(wěn)定性屬于同一性質(zhì)的作用力,參照《防波堤設計與施工規(guī)范》直立堤關于波浪力的規(guī)定,建議持久組合取1.30,短暫組合取1.20,具體取值有待后續(xù)深化研究。結(jié)構(gòu)系數(shù)γd:同樣參照《防波堤設計與施工規(guī)范》關于直立堤、JTS167-2—2009《重力式碼頭設計與施工規(guī)范》關于重力式碼頭的規(guī)定,建議取1.1~1.25,具體取值有待后續(xù)深化研究。2.2作用力計算逆坡條件下壓載塊頂面存在水流的下壓力(見圖4),其他受力同平底、排邊不沖刷條件。作用力計算如下:令λD1=λD2=λD=1。參照式(4),建立斜坡條件下翻卷失穩(wěn)力矩平衡方程為:將作用力和力臂代入式(14)得:將式(11)~(13)代入式(15),經(jīng)整理后,得斜坡條件下失穩(wěn)流速計算公式:式中:θ為斜坡角度,其余同前。2.3排邊沖刷條件下失穩(wěn)垂線平均流速計算公式排邊沖刷條件下邊緣部位計算簡圖見圖5。由于排外沖刷后,水深增加、行進流速下降,對斜坡條件下失穩(wěn)流速計算公式作相應修正,得到排邊沖刷條件下失穩(wěn)垂線平均流速計算公式:式中:Vcr為沖刷前臨界失穩(wěn)垂線平均流速,m/s;Δd為排外短期沖刷深度,m,可取0.5~1m,沖刷前水深小時取小值,反之取大值;θ為沖刷后排邊角度,(°),可取自然休止角;其余同前。2.4適用條件本研究按水流正向作用考慮,對于非正向作用是偏于安全的,可參照使用。2.5典型條件下邊緣失穩(wěn)垂線平均流速計算排邊不沖刷典型條件下邊緣失穩(wěn)流速、排邊沖刷典型條件下邊緣失穩(wěn)垂線平均流速、典型條件下搭接部位失穩(wěn)垂