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深厚覆盖层河床截流若干关键技术问题研究

作　者: 李学海
导　师: 梅亚东；肖焕雄
学　校: 武汉大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 覆盖层河床截流抛投块体稳定计算钢筋笼稳定计算覆盖层冲刷降低截流难度措施
分类号: TV85
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

深厚覆盖层河床截流,当截流流量、落差、龙口流速均较大时,如保护措施不当,会因覆盖层抗冲能力小,在截流过程中形成冲刷性破坏、渗漏管涌性破坏,有时还会造成护底体系的自身稳定破坏和戗堤多种形式的坍塌等,危及施工人员和机械设备的安全,还会延长截流困难段时间,在备料不足或备料不满足抗冲要求时,甚至会导致截流失败,而危及截流工程安全。从安全性、经济性方面均加大了截流难度,并对截流技术水平提出了更高要求。本文在前人研究的基础上,对深厚覆盖层河床截流涉及的截流抛投料稳定问题、截流龙口覆盖层稳定问题、覆盖层河床降低截流难度措施问题等关键技术问题进行研究,取得了以下研究成果：1)推导了截流块体稳定计算的基本关系式,剖析了各影响因素对块体稳定的影响及其相互作用机理。分析了截流块体稳定经典计算公式的适用条件,指出在截流困难段龙口呈矩形分布且河床具有一定糙度时,采用伊兹巴斯、肖焕雄等经典计算公式是合适的；但在水流垂线流速分布呈非矩形分布时,需综合考虑水深H、垂线流速分布α及相对糙度Δ/D、绕流系数ξ等因素。本文引用国内外对摩擦系数f及绕流系数ξ的研究成果对稳定计算的基本关系式进行了概化处理,考虑了水深H、垂线流速分布α及相对糙度Δ/D、绕流系数ξ等重要因素,通过系列模型试验,得出了平堵截流和立堵截流不同阶段、不同堤头形态的截流块体稳定实用计算系列公式,经试验证明,计算成果与实际情况更加接近。2)对混凝土人工块体的稳定性,从形状、重量、容重以及是否串联等方面进行了试验研究和比较,并对有无覆盖层时的稳定状况及其适应性进行了研究。研究表明：无覆盖层时,形状对块体稳定影响较大；有覆盖层时,主要取决于覆盖层的稳定,但不同块型对覆盖层的适应性存在差异,考虑到河床多少有些覆盖层的实际情况,则四面体适应性更好些；四面体抗冲流速随重量增长,小于25t时增长较快,大于25t趋于缓慢;提高块体容重有利于块体稳定；串体稳定性优于单体,但要体现串体个数的优势,应确保串体中有部分块体落在流速较小区域。对正六面体钢筋笼的稳定性从重量、形状以及有无垫底材料等方面进行了试验研究,拟合了考虑形状因素、河床糙度因素的正六面体钢筋笼止动流速和起动流速的计算公式,并依据试验成果进行了验证,吻合较好。对四面体钢筋笼的稳定性从重量以及有无垫底材料等方面进行了试验研究,指出四面体钢筋笼的止动稳定性明显优于相同重量的正六面体钢筋笼,而两种形状块体的起动稳定性差别不大。3)分析了覆盖层河床稳定的影响因素以及现有覆盖层起动流速公式系数存在差异的原因,提出了覆盖层起动流速计算时应注意的问题,针对宽级配覆盖层,分析了卵石形状、卵石排列以及粗化作用对起动流速计算的影响,提出了适用的起动流速计算公式。4)结合淤积型覆盖层和堆积性覆盖层河床截流,从覆盖层特性、龙口水流条件、龙口边界条件等方面对覆盖层河床稳定的影响因素进行了分析。列举分析了现有覆盖层起动流速公式系数存在差异的原因,提出了淤积型覆盖层和堆积性覆盖层两种不同类型河床截流时覆盖层起动流速计算时应注意的问题,针对宽级配覆盖层,分析了卵石形状、卵石排列以及粗化作用对起动流速计算的影响,提出了适用的起动流速计算公式。针对淤积型覆盖层和堆积性覆盖层两种类型河床,列举分析了现有局部冲刷深度计算公式的研究方法和存在的问题,提出了一般冲刷深度和局部冲刷深度的计算方法,剖析了粗化对冲刷深度的影响,给出了影响参数的计算方法以及考虑粗化影响的计算方法。对覆盖层河床截流模型的模拟技术,从截流模型的相似性和覆盖层模拟的相似性两个方面进行了探讨,分析了截流模型设计需满足的推阻力相似准则中包含的摩擦系数f和绕流系数ξ的变化规律,指出模型比尺设计不当时,会形成“阻力危机”,而造成推阻力的不相似。指出只有当模型雷诺数Re=104～2×105时,ξ为常数时,才进入自模拟区。5)对截流难度概念、其影响因素以及衡量指标进行了分析探讨。指出截流难度只是相对概念,其本质问题是截流的安全性、经济性以及截流技术水平三个方面的综合权衡,指出了河床覆盖层从安全性、经济性方面均加大了截流难度,并对截流技术水平提出了更高要求；提出截流难度指标应包含抛投强度等截流技术水平指标及经济评价指标。6)列举分析了在覆盖层河床截流时同样适用的常用降低截流难度的措施；提出了覆盖层河床截流减轻截流难度的针对性措施,重点分析了护底措施的有效性问题及淤积型覆盖层河床截流预防坍塌措施。7)分析了与截流抛石发生作用的水流能量及抵抗端部水流作用的截流块体受力状况,从动能平衡观点出发,对有流失情况建立水流与石块相互作用的平衡方程式；运用能量平衡原理,提出了立堵截流龙口水流能量的表达式；介绍了戗堤进占速度与抛投材料流失的关系以及截流抛投料流失量公式的推导。

全文目录

摘要  7-10
ABSTRACT  10-16
1 绪论  16-27
  1.1 问题的提出  16-17
  1.2 深厚覆盖层河床截流实践及存在的问题  17-20
    1.2.1 覆盖层河床截流实例  17-19
    1.2.2 深厚覆盖层河床截流存在的问题  19-20
  1.3 国内外研究现状  20-25
    1.3.1 截流块体稳定理论研究现状  20-24
    1.3.2 覆盖层河床稳定性的研究现状  24
    1.3.3 覆盖层河床降低截流难度的措施研究现状  24-25
  1.4 本文研究内容  25-27
2 截流块体稳定机理及其计算研究  27-47
  2.1 截流块体稳定的影响因素研究  27-35
    2.1.1 截流块体稳定的几个概念  27-28
    2.1.2 截流块体稳定计算基本关系式推导  28-31
    2.1.3 截流块体稳定影响因素分析  31-35
  2.2 截流块体稳定计算方法研究  35-47
    2.2.1 截流块体稳定经典计算公式探讨  35-36
    2.2.2 截流块体稳定实用计算公式  36-47
  2.3 小结  47
3 人工块体稳定性试验研究  47-68
  3.1 混凝土块体稳定性试验研究  48-55
    3.1.1 不同形状人工块体的稳定性比较  48-50
    3.1.2 不同重量的混凝土四面体的稳定性比较  50-51
    3.1.3 不同容重混凝土四面体的稳定性比较  51-52
    3.1.4 混凝土四面体串体稳定效果研究  52-55
  3.2 钢筋笼稳定性试验研究  55-67
    3.2.1 六面体钢筋笼稳定性试验研究  55-65
    3.2.2 四面体钢筋笼稳定性试验研究  65-67
  3.3 小结  67-68
4 截流河床覆盖层冲刷问题研究  68-95
  4.1 覆盖层河床稳定影响因素分析  68-71
    4.1.1 覆盖层特性  68-69
    4.1.2 龙口水流条件  69-70
    4.1.3 龙口边界条件  70-71
  4.2 覆盖层起动流速计算  71-75
    4.2.1 散粒体均匀沙起动流速计算  71-74
    4.2.2 卵石形状对起动流速的影响  74-75
    4.2.3 卵石排列对起动流速的影响  75
    4.2.4 粗化对起动流速的影响  75
  4.3 截流龙口覆盖层冲刷深度计算  75-81
    4.3.1 一般冲刷深度计算  76-77
    4.3.2 局部冲刷深度计算  77-79
    4.3.3 粗化对冲刷深度的影响  79-81
  4.4 覆盖层河床截流模型的模拟技术问题  81-94
    4.4.1 截流模型模拟的相似性问题  81-84
    4.4.2 覆盖层模拟的相似性问题  84-86
    4.4.3 覆盖层动床沙的选择  86-94
  4.5 小结  94-95
5 覆盖层河床减轻截流难度措施研究  95-120
  5.1 覆盖层河床截流难度的影响因素分析  95-100
    5.1.1 对截流难度概念的新认识  95-96
    5.1.2 截流难度影响因素分析  96-97
    5.1.3 截流难度的衡量指标  97-100
  5.2 常用减轻截流难度措施研究  100-107
    5.2.1 减小龙口水力指标措施  101-104
    5.2.2 增强截流块体抗冲稳定性措施  104-106
    5.2.3 平抛垫底减小水深预防堤头坍塌措施  106-107
  5.3 覆盖层河床减低截流难度措施  107-109
    5.3.1 覆盖层河床护底措施及其有效性研究  107-109
    5.3.2 淤积性覆盖层河床预防戗堤坍塌措施  109
  5.4 增大抛投强度减轻截流难度机理及计算研究  109-118
    5.4.1 截流龙口的水流能量  110-112
    5.4.2 戗堤进占速度分析  112-113
    5.4.3 抛投料流失分析  113-118
  5.5 小结  118-120
6 总结与展望  120-123
参考文献  123-128
博士期间参加科研项目及发表文章一览  128-130
7 致谢  130

深厚覆盖层河床截流若干关键技术问题研究

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