研究抛投体在动水中的落距是水利工程中经常遇到的问题。鉴于影响因素诸多,如抛体(或泥沙)的形态千差万别,天然情况下的水流条件及边界条件复杂多变等,数学处理极为困难。现有的解决途径多从较简单模式出发,运用试验得出的数据来确定模式中待定系数,建立具有一定适用范围的经验性或半经验性公式,如:准静水沉降法,本方法是将沙或块体在动水中运动概化成两个方面,一是沙或块体沿垂直向下方向在静水中的沉降运行;二是沙或块体沿水流方向的跟随运动。
按静水沉速下沉,其总历时T=H/w,由此可得到落距x的计算公式为
式中:H为水深;V为沿水流向垂线平均流速;w为静水沉速;K1为考虑动水紊流作用影响而加的修正系数。
众多研究表明,K1不是常数,且变幅较大,因而上式的适用受到限制,其次准静水沉降法没有考虑惯性作用或块体与水流的跟随性问题对落距的影响,以平均流速取代实际流速分布显然与实际情况不符,因而K1有较大的变幅是不难理解的。
在研究动水沉降问题中,认为球体在动水中的绕流图案可视为其在静水中因重力作用发生沉降(Y向,自水面起)所引起的绕流与其因动水推移作用发生位移(x方向)所引起的绕流之组合。由此得出x轴向上的力学平衡方程为
式中:M'为球体质量;Us为球体在x轴向的运动速度;R为阻力相对于重力方向产生偏转角a1,侧面力f。
该方程考虑的因素是较为全面的,偏转角a1的大小反映了球体在动水作用下的转动,阻力R在y方向上的投影反映了动水对球体的推移(或阻碍)作用的情况,但此式在数学处理上是十分困难的,更谈不上在工程上的应用了。(www.daowen.com)
在国内外水利工程上也有许多有关块体漂距的研究。如:Itaipu水电站的截流工程进行过抛石漂距的试验工作,并得到如下计算式为
式中:h为抛投点水深;v1为垂线平均流速;u为水面流速;G1s为单个块体重量,kg。
葛洲坝枢纽截流工程对于龙口床底研究过综合护底方案,采用抛投90~150kg的块石及15t重的混凝土四面体,研究重点为单个块体的漂移特性。
另外,在我国长江中下游抛石护岸工程中也研究了抛石的动水漂距问题,主要研究了单个抛石体的多次(400次)抛投,运用统计原理求得抛石体漂距;提出的漂距公式为
综上所述,抛石体(单体)的漂距问题在理论上是一个非常复杂的问题,以上研究对于某一具体工程具有一定的实践指导意义;而对于三峡工程二期截流平抛垫底抛投群体(单个抛体集合)的漂移,相对单个抛体而言,无论在理论上还是在试验上都要复杂得多,因为抛投群体中任一单个抛体所处的水力学环境不同,且相互影响制约。在目前尚未见有关系统研究成果的报道。本次研究是通过实体模型试验针对三峡工程二期截流平抛垫底的具体条件,探讨群体抛投的漂移特性。
表5-4 长江流量与断面平均流速成果 单位:m
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