郭紅民，張?zhí)锾?，胡海松，胡文?/p>

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

鋼筋石籠的空隙率對其穩(wěn)定特性的影響

郭紅民，張?zhí)锾?，胡海松，胡文?/p>

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

鋼筋石籠是截流、堵口和護岸工程中常用的一種人工材料，探索鋼筋石籠的穩(wěn)定性機理對指導(dǎo)其合理應(yīng)用具有重要的意義。為研究空隙率對鋼筋石籠穩(wěn)定性的影響，針對不同形狀及不同空隙率的鋼筋石籠進行了起動試驗，擬合提出了考慮其空隙率的鋼筋石籠起動流速公式，對塊體抗沖流速經(jīng)典公式進行了補充和完善。研究表明：在其它影響因素相同的情況下，鋼筋石籠的空隙率越大越穩(wěn)定，且不同形狀的鋼筋石籠的穩(wěn)定性有所不同。最終得到了包含大小、密度、形狀、相對粗糙度等因子的鋼筋石籠起動流速計算公式，經(jīng)試驗驗證該公式具有較好的計算精度。

鋼筋石籠；穩(wěn)定性能；化引直徑； 空隙率；起動流速；公式擬合

1 研究背景

鋼筋石籠取材方便、制作容易，具有良好的穩(wěn)定性、透水性和柔性，運輸便捷，且方便拋投。因此，鋼筋石籠在水利工程的截流和堵口施工中，無論經(jīng)濟性和安全性都具有巨大的優(yōu)勢，得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

然而到目前為止，國內(nèi)外有關(guān)鋼筋石籠穩(wěn)定性的研究成果并不多，使得鋼筋石籠在工程應(yīng)用中缺少相應(yīng)的理論指導(dǎo)。特別是關(guān)于空隙率對鋼筋石籠的穩(wěn)定性的影響還沒有前人對此做過準確量化的研究。基于此，本文對不同形狀、不同空隙率的鋼筋石籠進行了系列起動流速試驗，探討了不同空隙率對鋼筋石籠穩(wěn)定機理的影響，并擬合提出了考慮空隙率的鋼筋石籠的起動流速公式。

2 研究現(xiàn)狀及問題分析

起動流速的大小是衡量截流拋投材料穩(wěn)定性好壞的一個綜合性指標，傳統(tǒng)經(jīng)典的伊茲巴斯公式由于公式簡單，需要的參數(shù)較少，一直被廣泛應(yīng)用于截流工程設(shè)計工作中，即

(1)

(2)

然而上述研究都沒有涉及到鋼筋石籠與其它材料最大的不同——透水性。考慮到前人對于空隙率對鋼筋石籠穩(wěn)定性的影響還沒有做過準確量化的研究，本文把鋼筋石籠的透水性和形狀作為影響因素，通過一系列的起動流速試驗，希望對以上實用公式作出一定的修正，對鋼筋石籠的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

3 模型試驗及分析

3.1 試驗設(shè)計

鋼筋石籠起動流速試驗在長10 m，寬0.5 m，高0.75 m的玻璃水槽中進行。由于采用天然石料制作鋼筋石籠較難形成相同的空隙率，為此，本試驗采用大小均勻、個體質(zhì)量精確的玻璃珠填充鋼筋石籠，并按不同的形狀、大小、空隙率制作了試驗所需的鋼筋石籠,試驗所用鋼筋籠形狀如圖1所示。

圖1 不同形狀的鋼筋石籠Fig.1 Reinforced gabions of different shapes表1 試驗所用鋼筋石籠的特征尺寸Table 1 Characteristic sizes of reinforced gabions in the test

形狀試驗組鋼筋籠編號邊長/cm體積/cm3化引直徑/cm質(zhì)量/g空隙率n重度/(kN·m-3)A11778.240.4515.2①A128.05129.92824.320.4416.1 正六面體A13875.520.3917.1A21202.500.4416.2②A225.01256.20220.000.4117.6A23235.100.3518.8B11896.870.4417.5③B1216.35129.92952.320.4318.6 正四面體B13947.240.3718.5B21225.510.4518.0④B2210.21256.20256.250.4220.5B23257.870.3520.6C11?上=4.3778.820.4415.2⑤C12?下=10.85129.92812.930.4315.9 圓臺型C13h=10.8859.370.3816.8C21?上=2.7196.300.4615.7⑥C22?下=6.81256.20201.250.4516.1C23h=6.8243.750.3819.5

注：φ上為圓臺上底直徑；φ下為圓臺下底直徑；h為圓臺的高。

3.1.1 試驗工況

本次試驗分別研究了正六面體、正四面體、圓臺型3種形狀的鋼筋石籠，每種形狀的鋼筋石籠共有2種不同尺寸大小，相同形狀和尺寸的鋼筋石籠分別配制了3種不同的空隙率，總計18組試驗工況，試驗鋼筋石籠特征尺寸詳見表1。

3.1.2 試驗程序

選取水槽流速相對穩(wěn)定的中間段作為試驗段，為減小隨機性所帶來的影響，在試驗段槽底上畫出一條與水槽身垂直的標線，每次將鋼筋籠放置在標線的同一位置進行起動流速試驗。3種形狀的鋼筋石籠均在只發(fā)生滑動不發(fā)生傾倒和翻滾的情況下研究。本試驗采用多普勒超聲流速儀測量標線處截面的平均流速，截面取左中右3條垂線，垂線采用5點法，截面平均流速為這15點的平均值。通過伊茲巴斯公式算出試驗鋼筋石籠的綜合穩(wěn)定系數(shù)K，計算結(jié)果參見表2。

3.2 鋼筋石籠的流速分布

各試驗工況鋼筋石籠開始起動時的垂線平均流速分布曲線如圖2所示。同種形狀大小的鋼筋石籠，其流速分布曲線與空隙率的關(guān)系并沒有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，本文分析是由于未考慮到鋼筋石籠重度的不同，需控制唯一變量為空隙率，在接下來的研究計算中進一步探討空隙率與穩(wěn)定性的關(guān)系。

3.3 試驗鋼筋石籠的綜合穩(wěn)定系數(shù)計算

試驗結(jié)果表明，不同形狀和大小的鋼筋石籠的綜合穩(wěn)定系數(shù)隨其空隙率的增大而增大的規(guī)律相似；形狀相同的鋼筋石籠，體積較大的，綜合穩(wěn)定系數(shù)也較大，如圖3所示。

表2 鋼筋石籠試驗的穩(wěn)定系數(shù)K計算結(jié)果Table 2 Results of stability factor K of reinforced gabions

圖2 鋼筋石籠流速分布曲線Fig.2 Curves of the incipient velocity of reinforced gabions

圖3 鋼筋石籠空隙率對其穩(wěn)定系數(shù)的影響Fig.3 Relation between stability factor and void ratio

4 鋼筋石籠穩(wěn)定計算公式擬合與驗證

4.1 鋼筋石籠的穩(wěn)定計算公式擬合

為探究鋼筋石籠空隙率與其起動流速的關(guān)系，在前述起動流速公式(2)的基礎(chǔ)上，引入空隙率系數(shù)N，得到起動流速計算公式，即

(3)

式中N是一個關(guān)于空隙率n的函數(shù)，N與n的關(guān)系可通過前述試驗成果擬合得出。

由于本試驗在光滑玻璃水槽中進行，查相關(guān)資料，其Δ=0.000 25～0.001 25 mm，本試驗為正多面體，石籠形狀不考慮扁度影響，λ取1；各試驗工況相應(yīng)V起動，Δ，D，γs，γ已知，根據(jù)式(3)計算可得N，將前面試驗組①—⑥數(shù)據(jù)用MatLab進行擬合，得出3種形狀的鋼筋石籠空隙率n和空隙率系數(shù)N均成線性關(guān)系，見表3。

由試驗資料可得，同形狀鋼筋石籠，雖大小不同、空隙率不同，但對空隙率系數(shù)N與空隙率n的比值影響很??；不同形狀的鋼筋石籠的空隙率系數(shù)N與空隙率n的比值有所不同；N與n基本成線性關(guān)系，即:正六面體鋼筋石籠N=2n；正四面體鋼筋石籠N=1.7n；圓臺型鋼筋石籠N=2.1n。

4.2 鋼筋石籠的穩(wěn)定計算公式的驗證

為了驗證式(3)的準確性，作者進一步進行了驗證試驗，針對以上3種形狀分別制作新的尺寸及空隙率的鋼筋石籠，正六面體為試驗組⑦，正四面體為試驗組⑧，圓臺型為試驗組⑨，在試驗條件相同的情況下進行驗證試驗。將試驗測得的鋼筋石籠起動流速與依據(jù)式(3)計算所得的起動流速對比，對比結(jié)果見表4， 計算值與實測值的對比如圖4所示。

表3 空隙率系數(shù)N與空隙率n的關(guān)系Table 3 Relationship between void ratio coefficient N and void ratio n

由表4和圖4可知，本文擬合公式計算的起動流速值與試驗實測的起動流速值基本吻合，誤差較小，最大誤差僅3.7%。

圖4 不同形狀、空隙率的鋼筋石籠起動流速計算值與試驗值比較Fig.4 Comparisonbetweentheoreticalandtestvaluesoftheincipientvelocityofreinforcedgabions

表4 鋼筋石籠起動流速驗證試驗計算結(jié)果Table 4 Verification result of the incipient velocity of reinforced gabions

5 結(jié) 論

在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，本文分析了鋼筋石籠的穩(wěn)定特性，通過試驗研究，得到以下結(jié)論。

(1) 不同形狀和大小的鋼筋石籠的綜合穩(wěn)定系數(shù)隨其空隙率的增大而增大的規(guī)律相似；形狀相同的鋼筋石籠，體積較大的，綜合穩(wěn)定系數(shù)也較大。

(2) 本文引入空隙率系數(shù)N,N是與空隙率n相關(guān)的函數(shù)。得出結(jié)論：同形狀鋼筋石籠，雖大小不同、空隙率不同，但對空隙率系數(shù)N與空隙率n的比值影響很?。徊煌螤畹匿摻钍\的空隙率系數(shù)N與空隙率n的比值有所不同；N與n基本成線性關(guān)系。

(3) 本文擬合了鋼筋石籠在考慮空隙率的情況下，包含大小、密度、形狀、相對粗糙度等因子的鋼筋石籠起動流速計算公式，經(jīng)試驗驗證該公式具有較好的計算精度，具有較好的應(yīng)用價值。

[1] 葉恩立，周宜紅，肖煥雄，等. 鋼筋石籠起動流速試驗與流場結(jié)構(gòu)數(shù)模分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報, 2014，47(2)：108-115.[2] 肖煥雄. 施工導(dǎo)截流與圍堰工程研究[M]. 北京: 中國電力出版社, 2002.[3] 肖煥雄, 周克己. 對截流理論與實踐中幾個問題的初步討論[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 1984，(2)：92-102.

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[5] 黃國兵，李學(xué)海，程子兵，等. 截流塊體穩(wěn)定影響因素及實用計算公式[J]. 長江科學(xué)院院報, 2013,30(8)：25-30.[6] 李學(xué)海，唐祥甫，劉力中.明渠截流拋投體穩(wěn)定性研究[J].三峽建設(shè)，2002，9(10)：26-27.

(編輯：陳 敏)

Influence of Void Ratio on the Stability Characteristics ofReinforced Gabion

GUO Hong-ming,ZHANG Tian-tian, HU Hai-song, HU Wen-bing

(School of Water Conservancy and Environmental Engineering,China Three Gorges University, Yichang 443002, China)

Reinforced gabion is a man-made material commonly used in closure, blocking and revetment projects. Exploring its stability mechanism is of vital significance to guiding its application. In this research, tests on the incipient motion of reinforced gabion of different shapes and void ratios were performed. Results suggest that given the same other influential factors, larger void ratio leads to better stability. The stability of reinforced gabions varies with different shapes. A formula of the incipient velocity of reinforced gabion in consideration of void ratio, size, density, shape, relative roughness and other factors was proposed to supplement and improve the classic formula, and is verified to be of good accuracy.

reinforced gabion; stability; conversion diameter; void ratio; incipient velocity; fitting of formula

2016-09-28；

2016-10-23

郭紅民(1964-)，男，湖南湘西人，教授級高級工程師，碩士，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)方向的研究，(電話)13972002877(電子信箱)4525073962@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160999

2017,34(5):36-39,43

TV131

A

1001-5485(2017)05-0036-04