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水利工程论文-坝前淤泥对闸门启门力影响的模拟相似性及方法.doc

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水利工程论文-坝前淤泥对闸门启门力影响的模拟相似性及方法.doc

水利工程论文坝前淤泥对闸门启门力影响的模拟相似性及方法摘要水库泥沙淤积在闸门前,会增大闸门启门力。如何通过模型试验确定有泥沙淤积时闸门启门力,本文对此进行了探讨。认为淤积在坝前的细颗粒泥沙多数情况下可当做宾汉体泥浆,根据坝前淤泥受力平衡条件,导出淤泥相似准则,并论述了模拟试验方法。关键词水库泥沙闸门淤堵启门力泥浆相似准则模型试验1问题的提出水库建成之后,随着泥沙淤积的不断发展,最终将会淤积到坝前。为了排泄坝前淤泥及维持水库长期使用库容,往往需要设置底孔。在底孔关闭期间,门前会有泥沙淤积1。淤积在门前的泥沙不仅增加了对闸门的水平压力,而且还增加了对闸门的附着力粘结力,导致闸门启门力增大。由于启门力是选择闸门启闭机容量的重要依据,所以泥沙淤积对闸门启门力的影响是设计人员所关注的重要问题之一。在闸门前有泥沙淤积情况下,如何确定启门力,目前还几乎没有方法可循。工程设计中常常是在确定了清水启门力之后,然后考虑到门前泥沙淤积,再乘以一个大于1的系数,作为有泥沙淤积时的启门力,但该系数确定往往凭经验而定,带有相当的盲目性。文献2针对三门峡水库具体情况,曾给出一个有泥沙淤积时启门力经验公式,但在应用中也有一定的局限性。那么,解决该问题的另一途径就是模型试验。但由于模型试验中的一些关键技术问题至今未解决,如门前淤泥相似等,所以这方面的模型试验工作还未见诸报道,可以说还是一个空白。而工程设计又迫切需要模型试验研究人员提供有泥沙淤积时闸门启门力,因而尽早开展这方面的研究工作非常必要。本文对门前淤泥相似准则及模拟试验方法进行了探讨,以便能够更好地开展这方面研究工作,满足工程设计需要。2门前淤泥相似准则粘性细颗粒淤泥,随着其固结程度,含水量不同,其所处的物理状态也不同。当淤泥未固结,含水量较多时,属于宾汉体泥浆。随着淤泥固结,含水量变小,其力学性质发生根本变化,不再具有泥浆性质,而属于土力学所研究的范围。淹没在水下的坝前粘性细颗粒新鲜淤积物多数情况下为宾汉体泥浆。文献3认为,如果淤泥的干容重在810kg/m3~1080kg/m3左右,那么就属于泥浆。表1统计了国内几座大型水库实测的坝前淤泥干容重4。可见,这些水库坝前淤泥大部分为泥浆。对于处在静止状态下的泥浆,作用的外力同时有重力、粘结力及压力,而粘结力起主导作用。由于影响粘结力的因素十分复杂,目前还难以用理论关系式表达,但粘结力与切力之间存在如下关系5τ=Ptgφ+C1式中τ为泥浆切应力PC为单位面积的粘结力。表1国内几座大型水库坝前淤泥干容重统计坝前淤泥工程名称中值粒径/mm干容重/kg/m3刘家峡0.020900~1000盐锅峡0.0435~0.3251030~1460青铜峡0.00607~0.0941390龚嘴0.03~0.04800~1000丹江口0.01~0.039600~800泥浆的内摩擦角主要与相对干容重γ′/γs有关其中γ′为泥浆干容重,γs为沙粒容重.根据γ′/γs可计算出泥浆的内摩擦角6,7。通过调整模型泥浆稠度,改变其干容重,可以使模型与原型泥浆内摩擦角相同8。如果模型与原型泥浆内摩擦角相同,则由式1可推导出如下相似关系λτλP2λCλτ3式2、式3表明,在泥浆内摩擦角相同情况下,若泥浆切应力比尺能够满足相似要求,就能保证泥浆粘结力和压力相似。为了导出泥浆切应力相似比尺关系式,列出泥浆静态平衡方程式如下94式中p、τ分别为法向应力压强和切应力,其下标第1个坐标表示应力分量所垂直的面,第2个坐标表示应力的方向,且有τxyτyx,τxzτzx,τyzτzyρ为泥浆密度X、Y、Z分别为单位质量力在x、y、z方向的分量,当质量力仅是重力时,则XY0,Zg.若模型与原型泥浆相似,则模型与原型对应的物理量必成同一比例,即pxxp/pxxmpyyp/pyympzzp/pzzmλpτxypτxymτxzp/τxzmτyzp/τyzmλτxp/xmyp/ymzp/zmλLρp/ρmλρgp/gmλg式中脚标p表示原型m表示模型。将上述比例常数代入式4中,进行相似变换,得到λpλγm/λL5λτλγm/λL6式中λp为泥浆压强比尺λτ为泥浆切应力比尺λγmλρλg为泥浆容重比尺λi为几何比尺。宾汉体泥浆的切应力方程为ττbηdv/dn7式中τ为切应力τb为极限剪应力η为刚度系数dv/dn为流速梯度。τb、η可通过流变试验确定。对于静态泥浆dv0,则有ττb8或λτλτb9将式9代入式6中,得λτbλγm/λL10满足式10就能保证泥浆粘结力和重力同时相似,而泥浆压力相似是粘结力和重力相似的必然结果。由式5可确定浆泥压强或压力比尺。文献8在模拟坝前粘性淤积物局部冲刷漏斗时,正是按式10相似条件配制模型泥浆,并使模型与原型泥沙内摩擦角相同,进行冲刷漏斗试验,得到的试验成果较为合理。这表明若模型泥浆配制满足上述相似条件,就能保证模型与原型泥浆作用力相似。3模拟试验方法满足式10相似条件的模型泥浆有多种选择。在几何比尺λL已定的情况下,影响模型泥浆选择的因素有极限剪应力τb和泥浆容重γm.而影响τb大小的因素又有泥浆浓度、细颗粒含量及絮凝结构等。可见,τb和γm又相互影响。所以实际配制泥浆时需要反复调整泥浆体浓度和细颗粒含量,测定τb和γm值,使其比尺组合符合式10要求,并使模型与原型泥沙内摩擦角相同。关于原型淤泥极限剪应力τb、浆体容重γm水库设计阶段无法实测淤泥参数,主要是根据坝前淤积物颗粒级配,参照类似工程实测资料并进行一些分析计算,首先确定坝前淤泥干容重γ′,然后根据原型淤泥颗粒级配及干容重,选择合适的公式通过计算得到τb和φ,或选择相同性质的天然沙样在试验室试配少量试样实际测定τb和φ。泥浆容重γm则根据下式计算γmγ+γ′γsγ/γs11

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