柔性導(dǎo)流壩壩體拉力及穩(wěn)定性試驗研究

王建中，范紅霞，朱立俊

(南京水利科學研究院，江蘇南京 210029)

從20世紀60年代中期到80年代初，網(wǎng)壩[1-8]曾一度被認為是用于海涂圍墾、河川治理和海堤防護的一種新型整治建筑物。由于其具有投資少、工程量小、施工簡便的優(yōu)點，引起了國內(nèi)外許多學者的關(guān)注和重視，并運用于一些工程實踐中，亦取得了一定的工程效果。但在80年代后至今，國內(nèi)外幾乎再沒有對其進行過室內(nèi)研究及現(xiàn)場試驗。究其原因，主要是網(wǎng)壩尚存在以下兩方面明顯的缺陷：(1)過去所應(yīng)用的網(wǎng)壩由于制作工藝的限制，透水系數(shù)大多在0.8左右，緩流挑流作用比實體壩差，難以達到理想的工程效果；(2)網(wǎng)繩經(jīng)不起尖銳和堅硬物體的碰撞和摩擦，在大風浪條件下，網(wǎng)體極易破損，導(dǎo)致難以保障其安全運行。

受以往網(wǎng)壩工程的啟發(fā)，南京水利科學研究院和浙江省水利水電勘測設(shè)計院于2009年首次共同提出了柔性活動懸浮式導(dǎo)流壩(簡稱柔性壩)的構(gòu)想，基于杭州灣錢塘江河口尖山河段的水文和水深條件，完成了“蕭山杭州灣出海碼頭工程柔性活動懸浮式導(dǎo)流建筑物水槽模型試驗”研究[9]。建立了1:40的正態(tài)概化水槽模型，通過試驗研究得到了恒定流作用下柔性壩工作機理、動力平衡方程、壩體形態(tài)、穩(wěn)定性、阻水挑流特性以及浮筒、壩體、錨定系統(tǒng)等各部件受力與水流條件的關(guān)系和設(shè)計要素等方面的成果。本文著重介紹柔性壩壩體布基本不透水的棉布拉力、壩體穩(wěn)定性方面的研究成果。

1 柔性壩壩體結(jié)構(gòu)及運動形式

1.1 柔性壩壩體結(jié)構(gòu)

圖1 柔性壩壩體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of flexible dam

柔性壩壩體上部為浮筒，根據(jù)需要采用一根或多根適當直徑的空心密封圓柱桶，并用壩體布包裹圓柱桶，浮筒與壩體布形成整體；浮筒下部為壩體，壩體采用不透水或基本不透水的柔性布材料；下部為錨塊，初步確定采用大尺寸的編織袋沖填沙沙枕作為錨塊，并用壩體布直接包裹沙枕，形成上部浮筒、中部柔性布壩體及下部沙枕錨塊的整體壩(見圖1)。

1.2 柔性壩運動形式

在一定的流速和水深條件下，當浮筒的浮力足以克服水流的作用，即浮筒抵抗流速大于水流流速時，浮筒能浮于水面，壩體為非淹沒壩，起到較強的阻擋水流和挑流的目的；當水流流速超過浮筒抵抗流速時，浮筒的浮力不能完全克服水流作用力，浮筒潛入水中，浮筒和壩體形成潛壩，壩體能起到部分阻擋水流和挑流的作用；當水流流速很大時，浮筒及壩體基本倒伏在河床床面上，這時壩體對水流的阻擋和挑流作用較小。定義浮筒抵抗流速為：在一定的水流條件下，浮筒維持柔性壩懸浮的最小流速。

1.3 柔性壩及浮筒受力分析

圖2 柔性壩受力關(guān)系分析Fig.2 Stress relationship of flexible dam

根據(jù)柔性壩壩體的結(jié)構(gòu)和工作方式，柔性壩在水中受到浮筒的浮力、水流推移力、水流上舉力以及底部錨塊的拉力和自身重力的共同作用，受力關(guān)系見圖2。

由力學機制分析和力矩平衡原理，導(dǎo)出了單寬浮力的一般表達式[9]：

(1)

由式(1)可見，為克服水流作用力而使得浮筒正好浮于水面(即浮筒的抵抗流速等于水流流速)，在忽略柔性壩布重力的情況下，浮筒的凈浮力與流速的2次方成正比、與水深和工作角成正比關(guān)系。

2 水槽模型概況

2.1 水槽模型設(shè)計

圖3 水槽平面布置Fig.3 Layout of the flume

以錢塘江蕭山杭州灣出海碼頭附近的河床及潮流(涌潮流速達6 m/s以上)為原型，原型柔性壩長20 m，壩址最大水深16 m，即柔性壩垂向最大壩高為16 m。模型采用比尺為1:40的正態(tài)水槽模型，考慮到邊壁影響及進出口流態(tài)需要，水槽寬度選擇5倍壩寬，按比尺即水槽寬2.5 m，長40 m，高0.6 m，水槽最大流速按1.2 m/s設(shè)計，動力系統(tǒng)配備8臺單臺流量為500 m3/h的水泵，為便于觀察壩體運動特征，在水槽中下段設(shè)置長3 m的玻璃觀察段(圖3)。

模型不僅必須滿足幾何條件相似，還必須滿足水流運動相似和建筑物受力的力學相似。根據(jù)水流運動方程和水流對柔性壩的阻力關(guān)系，模型應(yīng)滿足的水流運動和水流對柔性壩的作用力相似條件為：

(2)

(3)

式中：k為綜合系數(shù)；A為柔性壩迎水面積；V為水流流速。式(3)寫成比尺關(guān)系得到水流作用力比尺為：

(4)

根據(jù)流體力學，在雷諾數(shù)超過103以后，繞流阻力系數(shù)為常數(shù)，因此：

(5)

(6)

將平面比尺λL=40代入式(2)和(6)，則水流流速比尺λV=6.325，拉力比尺λF=64 000。

2.2 柔性壩的制作

水槽試驗中柔性壩浮筒采用直徑為4.2 和10 cm，壁厚為1.5～2.0 mm的密閉空心管，根據(jù)相似比尺，天然浮筒直徑為1.7和4.0 m，壩體選用基本不透水的棉布，布寬為0.5 m，根據(jù)試驗需要分別制作1.2H，1.5H，1.8H和2.0H等不同布長的柔性壩，浮筒與壩體采用壩體布包裹的方式連接，采用沙毯、沙袋束或直接固定于床面的錨定方式與床面連接。

3 柔性壩壩體拉力試驗

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

根據(jù)柔性壩的運行方式，壩體形態(tài)隨潮位的漲落而有所變化，或浮于水面，或潛入水中，壩體底部的拉力會隨著壩體形態(tài)的改變而變化，因此需了解不同情況和可能的極限條件下的壩體底部拉力，為柔性壩設(shè)計提供依據(jù)。

3.2 試驗條件

試驗共進行3種浮筒工況的拉力試驗，浮筒按天然水深10.0 m，抵抗流速分別為2.0，2.5和3.0 m/s設(shè)計。試驗的天然水深為5.0～16.0 m，極限流速約6.0 m/s，柔性壩的壩長與水深的比值約1.0～3.3，具體試驗條件及浮筒情況見表1。

表1 拉力試驗浮筒及水流條件Tab.1 Float and flow conditions for tension experiment

3.3 試驗概況

圖4 底部拉力測量示意Fig.4 Anchor device to measure bottom tension

試驗過程中，為測量柔性壩底部拉力，在水槽中央設(shè)置40 cm×70 cm×30 cm的矩形槽，矩形槽頂部用留有縫隙的蓋板覆蓋，矩形槽中設(shè)置兩個滑輪，試驗時，將總力塊的一端固定在矩形槽底部，另一端通過滑輪用細尼龍繩從蓋板的縫隙中穿出與柔性壩壩底相連，并適當調(diào)整尼龍繩長度和方向，以保持尼龍繩不受縫隙邊壁影響(見圖4)。

3.4 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明：

(1)在一定水深和水流流速條件下，柔性壩底部的拉力與浮筒的大小直接相關(guān)，浮筒愈大，柔性壩底部所受拉力愈大。

(2)在水深一定的條件下，柔性壩壩體底部拉力隨著水流流速的增大而呈增加趨勢，當流速增加到一定值時，柔性壩底部的抓持部加長，懸垂部變短甚至出現(xiàn)柔性壩平臥在床面的現(xiàn)象，而對柔性壩底部拉力起主導(dǎo)作用的是懸垂部，因此底部拉力雖有增加，但增幅小于流速的增幅(具體見表2)。

(3)柔性壩壩底部拉力，和壩體長與水深的比值明顯呈反比趨勢，即在壩體長與水深的比值愈小時，柔性壩底部拉力較大，拉力的極限值基本上出現(xiàn)在壩體長與水深比值為1.00～1.15，這是因為壩體長與水深的比值愈小表征了柔性壩的工作角愈大，也即柔性壩的抓持部愈短，懸垂部愈大，因而柔性壩底部的拉力相對愈大。

(4)在水深為5.0～16.0 m，流速為1.50～5.98 m/s的試驗條件下，當浮筒設(shè)計抵抗流速為2.0，2.5和3.0 m/s時，柔性壩底部拉力分別在4.88～7.09，5.27～9.77和5.84～13.12 t/m之間，拉力的極限值分別為7.09，9.77和13.12 t/m。試驗結(jié)果統(tǒng)計見表3。

表2 柔性壩壩體底部拉力Tab.2 The tension at the bottom of the flexible dam

注： ①浮筒設(shè)計抵抗流速為2.0 m/s； ②浮筒為4個直徑1.7 m的圓柱；③壩體長16.1 m。

表3 柔性壩壩體底部拉力試驗結(jié)果統(tǒng)計Tab.3 Statistics of the experimental results for the tension at the bottom of the flexible dam

注：模型試驗中，水深、流速和拉力的單位分別為cm，cm/s和N/m； 原型試驗中，對應(yīng)的單位分別為m，m/s和t/m。

可見，柔性壩底部的拉力與浮筒的大小直接相關(guān)，浮筒抵抗流速愈大，柔性壩底部所受拉力愈大，因而對材料的抗拉強度愈高，在柔性壩設(shè)計時，應(yīng)充分考慮這一因素。

4 柔性壩錨塊穩(wěn)定性試驗

4.1 試驗?zāi)康暮蜅l件

根據(jù)柔性壩的工作方式，為抗擊浮力及水流的沖擊力，必須在柔性壩底部設(shè)置錨定系統(tǒng)，初步確定采用大尺寸的編織袋沖填沙沙枕作為錨塊，用柔性壩壩體布包裹沙枕形成錨定系統(tǒng)，為研究維持錨定系統(tǒng)穩(wěn)定所需沙枕的重量，設(shè)計本項試驗。試驗條件同柔性壩底部拉力試驗。

4.2 沙枕設(shè)計、制作及失穩(wěn)流速

因此，只要水流滿足重力相似，并且模型沙枕的重度與原體一致，即模型與原型的充盈度一致，就能做到土枕的沉降相似。根據(jù)相似比尺，模型袋布采用市場上的一般棉布，采用建筑用的中粗黃沙并混合輕質(zhì)的模型沙為充填材料，密度按1.88 t/m3控制，充盈系數(shù)采用0.70～0.85，浸水后沙枕質(zhì)量增加20.5%。

4.3 錨塊穩(wěn)定性試驗

以往研究成果表明，沙枕在長度方向順水流擺放時能獲得更好的穩(wěn)定性，因此本項試驗采用將多個沙枕平行連接在一起形成沙毯及多個沙枕形成的沙袋束作為錨塊(見圖5)，測試不同流速下的沙毯、沙枕束錨塊柔性壩保持穩(wěn)定所需沙袋的大小及數(shù)量。

(a) 沙袋毯 (b) 沙袋束圖5 沙袋毯和沙袋束Fig.5 Sandbag blanket and sandbag bundle

試驗結(jié)果表明要保持柔性壩在6.0 m/s流速情況下穩(wěn)定，需滿足：

(1)當采用平置在床面上的沙毯方式錨定系統(tǒng)時，柔性壩錨固于沙毯中部的失穩(wěn)流速大于錨固于尾部。當柔性壩錨固于沙毯中部時，對于浮筒設(shè)計流速為2.0 m/s的柔性壩，沙毯錨塊至少由上層8根、下層10根直徑1.9 m、長20 m的沙枕組成；對于浮筒設(shè)計流速為3.0 m/s的柔性壩，沙毯錨塊至少由上層8根、中層8根、下層10根直徑1.9 m、長20 m的沙枕組成。需要說明的是，沙毯作為錨定系統(tǒng)獲得的柔性壩平衡為不穩(wěn)定平衡，在較小的波浪、風力、水流紊動等外力作用下，均可能引起柔性壩失穩(wěn)。這表明一方面所需沙枕數(shù)量較大，另一方面沙毯方式錨定系統(tǒng)容易失穩(wěn)。

(2)當采用沙袋束埋置于床面以下的錨定系統(tǒng)時，這時的沙袋束沙枕只要克服浮筒的浮力，就能保持壩體的穩(wěn)定；對于浮筒設(shè)計流速為2.0，2.5和3.0 m/s的柔性壩，沙袋束沙枕的數(shù)量至少分別為6根、8根和10根。

(3)由上述兩項試驗可見，在相同水流條件下，置于床面的沙毯錨固方式與埋置于床面以下的沙袋束錨固方式相比，前者保持壩體穩(wěn)定所需的沙袋數(shù)量約為后者的3倍。

5 柔性壩整體運行及穩(wěn)定性試驗

為驗證一個潮周期內(nèi)，柔性壩在不同潮位和不同流速情況下的整體穩(wěn)定情況，設(shè)計本項試驗。根據(jù)2008年7月的現(xiàn)場實測水文資料，蕭山杭州灣碼頭口門區(qū)的最高潮位為5.24 m，最大流速約4 m/s，試驗時根據(jù)潮位和流速的變化過程，分別將潮位和流速概化為10～12個瞬時恒定流；根據(jù)現(xiàn)狀河床地形條件，目前上潛壩處的河床底高程在-1.7～1.6 m之間，模型采用-2 m為潛壩處的河床高程，根據(jù)潮位計算相應(yīng)的潛壩處水深。柔性壩浮筒采用在10 m水深情況下，分別按抵抗2.0，2.5和3.0 m/s流速設(shè)計，并分別采用6，8，10根沙枕束按埋置于床面以下方式的錨定系統(tǒng)，柔性壩壩高按大潮高潮位5.24 m時相應(yīng)水深的1.5倍設(shè)計，即壩高10.86 m。

試驗得出：①柔性壩隨水位、流速的變化，呈上下浮動的運動狀態(tài)，符合柔性、活動、懸浮、導(dǎo)流的設(shè)計思路；②在試驗的各級水流條件下，3種類型的柔性壩錨定系統(tǒng)未出現(xiàn)滑動或翻滾的現(xiàn)象，柔性壩均保持總體穩(wěn)定。

可見，只要浮筒、壩高以及錨定系統(tǒng)選擇適當，柔性壩起到柔性、懸浮、活動和導(dǎo)流的作用，并能在一定的水流條件下保持穩(wěn)定，柔性壩的結(jié)構(gòu)型式總體可行。

6 結(jié) 語

(1)根據(jù)柔性壩壩體的結(jié)構(gòu)和工作方式，柔性壩在水中受到浮筒的浮力、水流推移力、水流上舉力以及底部錨塊的拉力和自身重力的共同作用，推導(dǎo)出了單寬浮力的一般表達式。

(2)柔性壩底部的拉力與浮筒的大小直接相關(guān)，對于浮筒設(shè)計抵抗流速分別為2.0，2.5，3.0 m/s的3種工況，在水深為5.0～16.0 m，流速為1.50～5.98 m/s的試驗條件下，柔性壩底部拉力的最大值分別為7.09，9.77和13.12 t/m，說明柔性壩浮筒的設(shè)計抵抗流速愈大，其底部所受拉力愈大，因而對材料的抗拉強度要求愈高，在設(shè)計柔性壩時，應(yīng)充分考慮這一因素。

(3)柔性壩采用大尺寸的編織袋充填沙沙枕作為錨塊，具有較好的性價比。采用沙袋束埋置于床面以下的錨定系統(tǒng)時(兼顧重力式和非重力式)，柔性壩的穩(wěn)定性較好，對于浮筒設(shè)計流速為2.0，2.5，3.0 m/s的柔性壩，沙袋束的水下重力應(yīng)大于浮筒的浮力，沙袋束沙枕(單個沙枕直徑為1.9 m，長20 m)的數(shù)量至少分別為6根、8根、10根。

(4)基于杭州灣錢塘江河口尖山河段一個潮周期的水文條件，柔性壩在不同潮位和不同流速情況下的整體穩(wěn)定性試驗結(jié)果表明，只要浮筒、壩高以及錨定系統(tǒng)選擇適當，柔性壩能起到柔性、懸浮、活動和導(dǎo)流的作用，并能在一定的水流條件下保持穩(wěn)定，因此柔性壩的結(jié)構(gòu)型式總體可行。

(5)柔性壩作為一種創(chuàng)新的工程措施，其結(jié)構(gòu)可行性研究目前尚處于探索階段，還有許多問題有待于進一步的理論分析和試驗研究，并在工程實踐中不斷修正和完善。

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