鋼筋石籠的空隙率對(duì)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)

鋼筋石籠的空隙率對(duì)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(hù)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(jī)理對(duì)指導(dǎo)其合理應(yīng)用具有重要的意義。為研究空隙率對(duì)鋼筋石籠穩(wěn)定性的影響，針對(duì)不同形狀及不同空隙率的鋼筋石籠進(jìn)行了起動(dòng)試驗(yàn)，擬合提出了考慮其空隙率的鋼筋石籠起動(dòng)流速公式，對(duì)塊體抗沖流速經(jīng)典公式進(jìn)行了補(bǔ)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(duì)粗糙度等因子的鋼筋石籠起動(dòng)流速計(jì)算公式，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該公式具有較好的計(jì)算精度。

鋼筋石籠；穩(wěn)定性能；化引直徑； 空隙率；起動(dòng)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(yùn)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(wú)論經(jīng)濟(jì)性和安全性都具有巨大的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

然而到目前為止，國(guó)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(duì)鋼筋石籠的穩(wěn)定性的影響還沒(méi)有前人對(duì)此做過(guò)準(zhǔn)確量化的研究?；诖?，本文對(duì)不同形狀、不同空隙率的鋼筋石籠進(jìn)行了系列起動(dòng)流速試驗(yàn)，探討了不同空隙率對(duì)鋼筋石籠穩(wěn)定機(jī)理的影響，并擬合提出了考慮空隙率的鋼筋石籠的起動(dòng)流速公式。

2 研究現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

起動(dòng)流速的大小是衡量截流拋投材料穩(wěn)定性好壞的一個(gè)綜合性指標(biāo)，傳統(tǒng)經(jīng)典的伊茲巴斯公式由于公式簡(jiǎn)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(jì)工作中，即

(1)

(2)

然而上述研究都沒(méi)有涉及到鋼筋石籠與其它材料最大的不同——透水性?？紤]到前人對(duì)于空隙率對(duì)鋼筋石籠穩(wěn)定性的影響還沒(méi)有做過(guò)準(zhǔn)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(guò)一系列的起動(dòng)流速試驗(yàn)，希望對(duì)以上實(shí)用公式作出一定的修正，對(duì)鋼筋石籠的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

3 模型試驗(yàn)及分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

鋼筋石籠起動(dòng)流速試驗(yàn)在長(zhǎng)10 m，寬0.5 m，高0.75 m的玻璃水槽中進(jìn)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(yàn)采用大小均勻、個(gè)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(yàn)所需的鋼筋石籠,試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)組鋼筋籠編號(hào)邊長(zhǎng)/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(tái)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(tái)上底直徑；φ下為圓臺(tái)下底直徑；h為圓臺(tái)的高。

3.1.1 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)分別研究了正六面體、正四面體、圓臺(tái)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(jì)18組試驗(yàn)工況，試驗(yàn)鋼筋石籠特征尺寸詳見(jiàn)表1。

3.1.2 試驗(yàn)程序

選取水槽流速相對(duì)穩(wěn)定的中間段作為試驗(yàn)段，為減小隨機(jī)性所帶來(lái)的影響，在試驗(yàn)段槽底上畫(huà)出一條與水槽身垂直的標(biāo)線(xiàn)，每次將鋼筋籠放置在標(biāo)線(xiàn)的同一位置進(jìn)行起動(dòng)流速試驗(yàn)。3種形狀的鋼筋石籠均在只發(fā)生滑動(dòng)不發(fā)生傾倒和翻滾的情況下研究。本試驗(yàn)采用多普勒超聲流速儀測(cè)量標(biāo)線(xiàn)處截面的平均流速，截面取左中右3條垂線(xiàn)，垂線(xiàn)采用5點(diǎn)法，截面平均流速為這15點(diǎn)的平均值。通過(guò)伊茲巴斯公式算出試驗(yàn)鋼筋石籠的綜合穩(wěn)定系數(shù)K，計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)表2。

3.2 鋼筋石籠的流速分布

各試驗(yàn)工況鋼筋石籠開(kāi)始起動(dòng)時(shí)的垂線(xiàn)平均流速分布曲線(xiàn)如圖2所示。同種形狀大小的鋼筋石籠，其流速分布曲線(xiàn)與空隙率的關(guān)系并沒(méi)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(lái)的研究計(jì)算中進(jìn)一步探討空隙率與穩(wěn)定性的關(guān)系。

3.3 試驗(yàn)鋼筋石籠的綜合穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算

試驗(yàn)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(yàn)的穩(wěn)定系數(shù)K計(jì)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(xiàn)Fig.2 Curves of the incipient velocity of reinforced gabions

圖3 鋼筋石籠空隙率對(duì)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(jì)算公式擬合與驗(yàn)證

4.1 鋼筋石籠的穩(wěn)定計(jì)算公式擬合

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

(3)

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

由于本試驗(yàn)在光滑玻璃水槽中進(jìn)行，查相關(guān)資料，其Δ=0.000 25～0.001 25 mm，本試驗(yàn)為正多面體，石籠形狀不考慮扁度影響，λ取1；各試驗(yàn)工況相應(yīng)V起動(dòng)，Δ，D，γs，γ已知，根據(jù)式(3)計(jì)算可得N，將前面試驗(yàn)組①—⑥數(shù)據(jù)用MatLab進(jìn)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(xiàn)性關(guān)系，見(jiàn)表3。

由試驗(yàn)資料可得，同形狀鋼筋石籠，雖大小不同、空隙率不同，但對(duì)空隙率系數(shù)N與空隙率n的比值影響很小；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(xiàn)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(tái)型鋼筋石籠N=2.1n。

4.2 鋼筋石籠的穩(wěn)定計(jì)算公式的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證式(3)的準(zhǔn)確性，作者進(jìn)一步進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，針對(duì)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(yàn)組⑦，正四面體為試驗(yàn)組⑧，圓臺(tái)型為試驗(yàn)組⑨，在試驗(yàn)條件相同的情況下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。將試驗(yàn)測(cè)得的鋼筋石籠起動(dòng)流速與依據(jù)式(3)計(jì)算所得的起動(dòng)流速對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4， 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)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(jì)算的起動(dòng)流速值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的起動(dòng)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(dòng)流速計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.4 Comparisonbetweentheoreticalandtestvaluesoftheincipientvelocityofreinforcedgabions

表4 鋼筋石籠起動(dòng)流速驗(yàn)證試驗(yàn)計(jì)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(guò)試驗(yàn)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(duì)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(xiàn)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(duì)粗糙度等因子的鋼筋石籠起動(dòng)流速計(jì)算公式，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該公式具有較好的計(jì)算精度，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 葉恩立，周宜紅，肖煥雄，等. 鋼筋石籠起動(dòng)流速試驗(yàn)與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)模分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 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(guó)電力出版社, 2002.[3] 肖煥雄, 周克己. 對(duì)截流理論與實(shí)踐中幾個(gè)問(wèn)題的初步討論[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 1984，(2)：92-102.

[4] 李學(xué)海，程子兵，汪世鵬，等. 鋼筋石籠的穩(wěn)定性及其計(jì)算方法[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2013，30(8)：31-36.

[5] 黃國(guó)兵，李學(xué)海，程子兵，等. 截流塊體穩(wěn)定影響因素及實(shí)用計(jì)算公式[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 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(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)方向的研究，(電話(huà))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