鋼筋石籠串體穩定性試驗研究

胡海松 伍學文 柳 滔

(三峽大學 水利與環境學院， 湖北 宜昌 443002)

鋼筋石籠串體穩定性試驗研究

胡海松 伍學文 柳 滔

(三峽大學 水利與環境學院， 湖北 宜昌 443002)

鋼筋石籠串體是截流工程施工中較為重要的人工材料，研究鋼筋石籠串體綜合穩定性系數對其在實際應用中尤為重要．本文主要通過物理模型試驗，得出鋼筋石籠串體綜合穩定系數范圍，同時通過對伊茲巴斯公式綜合穩定系數進行修正引入綜合穩定折算系數α，擬合出鋼筋石籠串體起動流速公式，為類似工程研究提供重要的參考依據．

截流； 鋼筋石籠串體； 綜合穩定性系數； 起動流速

1 研究背景

在水利施工中解決截流難度和提高截流效率一直是眾多學者研究的關鍵問題，而鋼筋石籠是將編制好的鋼筋籠填充天然的石塊構成的整體，在一定程度上增大了塊體的重量，并具有較好的透水性和柔性特點，其抗沖能力明顯高于單獨石料及其他拋投材料，已在截流工程、護岸工程中得到了廣泛的應用．目前，已經有學者針對鋼筋石籠的截流研究做了大量的工作，如肖煥雄[1]對立堵截流拋石立徑計算進行研究；李學海[2]的鋼筋石籠的穩定性及其計算方法；孫東坡[3]對截流龍口水力特性與截流的試驗進行了研究；葉恩立[4]的鋼筋石籠起動流速試驗與流場結構數值分析，黃國兵[5]等以截流塊體穩定影響因素而推導出實用計算公式．然而到目前為止，針對鋼筋石籠串體穩定性研究的理論成果并不是很多．因此，進行鋼筋石籠串體的穩定性研究具有一定的學術價值和實用意義．

2 問題提出與分析

本文把鋼筋石籠串體作為影響因素，通過一系列的起動流速試驗，對伊茲巴斯公式綜合穩定系數作出一定的修正，引入綜合穩定折算系數α，轉化為鋼筋石籠串體截流塊體的計算公式，期待為鋼筋石籠串體在截流工程中的應用提供理論指導．

3 鋼筋石籠串體穩定性試驗

3.1 試驗設計

試驗在1∶50比尺的水槽模型中進行，其寬度為0.5 m，高度為0.8 m，長度為15 m，左右以及底部均采用加厚玻璃制作，便于試驗觀察，并通過流量控制儀器調節水槽內部的流量、流速、水位以滿足試驗的需要．

圖1 試驗水槽模型

試驗工況：本次試驗研究正六面體形狀的鋼筋石籠，在正六面體鋼筋籠內裝入不同級配的石子，使石籠的重量存在差異，分別設置2個、3個、4個、5個一串4組，每組設置2 cm、2.5 cm、3.0 cm、3.5 cm、4.0 cm邊長的5種尺寸，一共20組工況，進而討論鋼筋石籠串體穩定性試驗研究．

3.2 試驗結果

本文指出鋼筋石籠串體試驗都是垂直于水流方向擺放，并且串體均是只發生水平滑動，不發生滾動和翻轉．本試驗采用多普勒超聲流速儀測量鋼筋石籠串體截面的平均流速，截面取左中右3條垂線，垂線采用三點法，截面流速取9點的平均值．鋼筋石籠串體抗沖起動流速的試驗結果見表1．

表1 正六面體鋼筋石籠串體流速測量結果

3.3 鋼筋石籠串體綜合穩定性系數計算

試驗結果表明，鋼筋石籠串體綜合穩定系數變化范圍為0.543～0.661．鋼筋石籠串體綜合穩定系數隨著串體個數的增加而增大，且在串聯個數相同的情況下，串體的抗沖流速隨著串聯單體重量的增加而變大，其綜合穩定系數值隨著串聯單體重量的增加而逐漸減小，如圖2所示．

表2 正六面體鋼筋石籠串體綜合穩定系數K′計算結果

續表2 正六面體鋼筋石籠串體綜合穩定系數K′計算結果

圖2 正六面體鋼筋石籠串體對綜合穩定系數K′影響

4 鋼筋石籠串體穩定計算公式的擬合與驗證

4.1 鋼筋石籠串體的穩定計算公式擬合

圖3 正六面體鋼筋石籠串體綜合穩定折算系數α計算結果

串聯個數綜合穩定系數K′單體穩定系數Kα=K/K′α均值2個一串0．6041．2750．5941．0000．5780．771．2751．2680．5611．3730．5431．4183個一串0．6181．2460．6111．0000．5960．771．2461．2420．5771．3340．5571．3824個一串0．6331．2160．6171．0000．6030．771．2161．2250．5831．3210．5611．3735個一串0．6611．1650．6321．0000．6160．771．1651．1850．6021．2790．5841．318

4.2 鋼筋石籠串體的穩定計算公式的驗證

為驗證公式(2)的準確性，本文又進行了驗證試驗，針對串體個數不同的鋼筋石籠，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串體起動流速與依據式(2)計算所得的起動流速進行對比分析，結果見表4，計算值與實測值的對比如圖4所示．

表4 鋼筋石籠串體起動流速試驗驗證計算結果

圖4 鋼筋石籠串體起動流速計算值與試驗值比較

由表4和圖4可知，用本文擬合鋼筋石籠串體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，誤差在1.10%～2.01%之間，滿足實驗室誤差[6]精度要求．

5 結 論

本文通過對鋼筋石籠串體的穩定性起動流速試驗數據研究分析，得出如下結論：

1)串體個數一定，隨著鋼筋石籠串體質量的增加起流速也隨之增加，穩定性越好．

2)鋼筋石籠串體綜合穩定系數K′變化范圍為0.543～0.661，它隨鋼筋石籠串體質量的增大而減小，同時隨串聯個數的增加而增加．

3)在伊茲巴斯公式的基礎上，引入了綜合穩定折算系數α，擬合出鋼筋石籠串體綜合穩定系數起動流速新的計算公式，經試驗驗證該公式計算精度較好，具有一定可靠性，對實際工程應用有一定的參考價值．

[1] 肖煥雄．立堵截流拋石立徑計算研究[J]．水電站設計，2000，1(3)：1-7．

[2] 李學海，程子兵，汪世鵬，等．鋼筋石籠的穩定性及其計算方法[J]．長江科學院院報，2013，30(8)：31-36．

[3] 葉恩立，周宜紅，肖煥雄，等．鋼筋石籠啟動流速試驗與流場結構數模分析[J]．天津大學學報，2014，47(2)：108-115．

[4] 孫東坡，趙若鼎，嚴 闊，等．立堵截流龍口水利特性與截流難度的試驗研究[J]．中國農村水利水電，2013(5)：122-125．

[5] 黃國兵，李學海，程子兵，等．截流塊體穩定影響因素及實用計算公式[J]．長江科學院院報，2013，30(8)：25-30．

[6] 肖煥雄．施工水力學[M]．北京：水利電力出版社，1992．

[7] 楊旭武．實驗室誤差原理與數據處理[M]．北京：科技出版社，2009．

ExperimentalStudyofReinforcedGabionStringBodyStability

Hu Haisong Wu Xuewen Liu Tao

(College of Hydraulic & Environmental Engineering， China Three Gorges Univ.，Yichang 443002， China)

The reinforced gabion is one of the most important artificial materials in the construction of the river closure project. It is very important to study the comprehensive stability coefficient of the reinforced gabion. Through the physical model test, the reinforced gabion body comprehensive stability coefficient range is obtained. Meanwhile, based on the comprehensive stability coefficient, S. V. lsbash formula modification is introduced into the integrated stable conversion coefficient, fitting out the starting velocity of reinforced gabion string body, so as to provide important reference for similar projects.

river closure； reinforced gabion string body; comprehensive stability coefficient; starting velocity

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.012

2017-03-10

水利部公益性行業科研專項項目(2014401027)

胡海松(1992-)，男，碩士研究生，主要從事水力學及河流動力學研究，E-mail：2369577695@qq.com

TV131

A

1672-948X(2017)05-0059-04

[責任編輯王迎春]