四面六邊透水框架群減速效果探究

閆鵬飛 荊 文 萬 震 孫靜濤

( 鄭州大學 水利與環(huán)境學院，河南 鄭州 450001)

0 背景

四面體透水框架是原水利部西北水利科學研究所在20世紀90年代初研制成功的一種完美結(jié)合實體抗沖和減速不沖防護特性于一體的護岸固腳技術(shù)，已獲得國家實用新型技術(shù)專利。［1］1996年開始應(yīng)用在長江干堤上，并經(jīng)受住了1998年長江特大洪水的考驗。因而被水利部作為推廣項目列入《災(zāi)后堤防加固15 項推薦技術(shù)指南》中。

本文根據(jù)文獻［2－4］利用框架群拋投前后流速的變化來體現(xiàn)四面六邊透水框架群減速促淤的效果，建立了減速效果與框架尺寸、架空率和長度之間的關(guān)系模型。利用origin 軟件從所搜查的文獻［4］的圖中提取原始水槽實驗數(shù)據(jù)，借助統(tǒng)計分析理論對實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，并得出經(jīng)驗公式。

1 減速效率與架空率之間的關(guān)系曲線擬合

利用matlab 對從文獻［4］中提取的減速效果η 與架空率ε的水槽實驗數(shù)據(jù)(桿件長寬比λ =10m)進行四次曲線進行擬合，擬合結(jié)果如圖1 所示。減速效果與架空率的經(jīng)驗公式為:

η=－0.01ε4＋0.17ε3－1.1ε2＋3.1ε－2.7。

由圖1 可知，在框架長寬比λ=10m 時，當架空率在5.0－5.5 中間，減速效果達到最大值。四面六邊框架群存在一個最優(yōu)的架空率，在實際工程中，當框架尺寸長寬比取10m 時，應(yīng)使框架群的架空率保持在5.0－5.5 之間;若采取其他形式的框架尺寸長寬比時，應(yīng)根據(jù)室內(nèi)水槽實驗確定最優(yōu)架空率。［4］

2 減速效率與框架尺寸長寬比之間的關(guān)系曲線擬合

利用matlab 對從文獻［4］中提取的減速效率η 與框架尺寸長寬比λ 的水槽實驗數(shù)據(jù)(架空率η 時)進行二次曲線擬合，擬合結(jié)果如圖2 所示。減速效果η 與框架尺寸長寬比λ 的經(jīng)驗公式為η=－0.0017λ2 ＋0.051λ ＋0.39。

由圖2 可知，在架空率ε=4.8 時，當框架尺寸長寬比λ 在15.0 左右時，減速效率達到最大值。當桿件長寬比λ 較小時，減速效率隨λ 的增大而增大，但是當λ 增大到一定值后，其減速效率將隨λ 的增大而減小。［4］

3 減速效率與順水流方向鋪設(shè)長度之間的關(guān)系曲線擬合

利用matlab 對從文獻［4］中提取的減速效率η 與順水流鋪設(shè)長度L 的水槽實驗數(shù)據(jù)(架空率ε=4.8)進行power 曲線擬合，擬合結(jié)果如圖3 所示。減速效果η 與順水流鋪設(shè)長度L的經(jīng)驗公式為:η=－1.737L－1.336＋0.6774。

由圖3 可知，當鋪設(shè)長度小于某一值L1時(此處L1為10m左右)，減速效率隨鋪設(shè)長度的增加而增大。但是，當鋪設(shè)長度增大到一定值L2時(此處L2為20m 左右)，當鋪設(shè)長度超過這一個值后，相對減速率雖然有所增加，但增加幅度非常有限，僅有3～5 個百分點。建議此時框架體拋投長度取用10～20m 較為適宜，其他情況可根據(jù)室內(nèi)水槽實驗確定。［4］

4 結(jié)論

通過以上的分析，可以的到以下結(jié)論:

(1)當框架尺寸長寬比為定值時，框架群的架空率存在一個最優(yōu)值，應(yīng)根據(jù)室內(nèi)水槽實驗確定最優(yōu)架空率。

(2)當架空率為一定值時，長寬比存在一個極限值，當超過這個值時，框架群的減速率不但得不到增強反而逐步降低。

(3)若鋪設(shè)長度過大是不經(jīng)濟的，若過小，則不能起到一個有效的減速作用?？紤]到工程施工的安全性以及經(jīng)濟性，應(yīng)根據(jù)室內(nèi)水槽實驗確定鋪設(shè)長度。

［1］水利部西北水利科學研究所.護岸防洪防沖四面六邊透水框架［P］.中國專利:98233050.2，2002－02－02.

［2］吳龍華，周春天，嚴忠民等.架空率、桿件長寬比對四面六邊透水框架群減速促淤效果的影響［J］.水利水運工程學報.2003(3) :74－77.

［3］劉剛.透水框架體水流特性及護岸應(yīng)用實驗研究［D］.河海大學，2006.

［41］吳龍華，周春天，嚴忠民等.四面六邊透水框架群護岸機理研究［J］.水利水電快報.2003，24(11) :1－11.