扭双工字型透水框架防冲机理试验研究 Experimental studies of erosion protection mechanism of twist double H permeable frame group.pdfVIP

第1期 水利水运工程学报 No．1 2014年2月 HYDl00卜Sa咂NCEAND日Ⅻ瑚N陬D女G Feb．2014 扭双工字型透水框架防冲机理试验研究 马爱兴1，曹民雄1’。，谭伦武3，付中敏3，王秀红1，蔡国正1 (1．南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029；2．长江南京以 下深水航道建设工程指挥部，江苏南京210017；3．长江航道规划设计研究院国家内河航道整治工程技术 研究中心，湖北武汉430011) 摘要：透水框架因具有消能减速进而保护岸滩免受水流冲刷的功能，在河道治理、航道整治中得到广泛应用。 最近提出了一种新型透水框架——扭双工字型透水框架，经动床试验表明具有显著的护滩效果，利用Vectrino 三维流速仪在变坡水槽上精细测量了新型透水框架附近的水流结构。试验分析表明，扭双工字型透水框架抛 投于床面后底层流速骤减(减速率达0．79—0．95)、表层流速增大、过渡层流速梯度加大，垂向流速不再服从对 数分布；垂向最大紊动强度出现在框架群顶部附近，水流进入框架群后紊动强度逐渐加强，出框架群后达到极 值，底表层紊动强度极值的位置发生偏离，表层位置较底层偏下游内侧；框架群内近底层水体能量大幅消减(消 能率达0．93～0．99)，下游水体能量恢复距离为38～56m，利于滩面防护，而侧向边缘水体能量加强，易造成侧 沿岸滩局部冲刷。研究成果对扭双工字型透水框架的设计、应用具有一定参考价值。 关 键 词：扭双工字型透水框架；流速变化；紊动强度；单位水体能量；水槽试验 中图分类号：U617．9 文献标志码：A 透水框架是一种减速防冲的透水整治建筑物，由于具有消能减速进而守护岸滩免受水流冲刷的功能，近 20年来，在护岸、护滩工程中得到广泛应用。工程中常用的透水框架为四面六边透水框架，由6根长度相等 的预制钢筋混凝土框杆相互连接组成，呈三棱锥，杆件之间采用焊接，为防止锈蚀，焊接点进行防锈处理。一 些学者对四面六边透水框架的水动力特性、防冲促淤效果等开展了试验研究工作¨。6J，在理论及工程应用方 面取得了一些进展，但对四面六边透水框架防冲功能的阐述大都基于流速削减的角度。事实上抛投框架后 近底床面紊动增强，需综合考虑流速、紊动对床面防护的影响。另一方面，在工程实践中发现了四面六边透 水框架存在一些不足：如框架之间钩连性较弱，在水流作用下容易产生位移，在大水作用下又易冲散、走失， 整体稳定性较差；6根加筋混凝土杆件焊接点容易锈蚀，杆件散落，从而导致结构破坏，失去防冲功能。 针对四面六边透水框架存在的不足，长江航道规划设计研究院提出了一种新型消能护滩结构——扭双 工字型透水框架，该结构为开敞式构件，陆上振动试验表明新型透水框架整体稳定性明显优于四面六边透水 框架J。水槽波流稳定性及动床试验表明旧J，扭双工字型透水框架抛投2层后，空间上交错嵌套，整体稳定 性较好，抛投于床面后护滩效果显著。图1为该透水框架在原型抛投密度2．2个／m2、水深7．6m、流速 2m／s、滩面泥沙中径0．15mm清水冲刷后的地形变化。可以看出，扭双工字型透水框架群作用后滩面冲刷 沿纵向可分为5个区段：上游滩面冲刷区、框架群头部顶冲区、框架群内部防护区、框架群下游防护区以及下 游滩面冲刷区；滩面横向冲刷则可分为：滩面冲刷区、框架群边缘侧蚀区以及框架群内部防护区。新型透水 框架护滩后，在流速2m／s的清水冲刷下，框架群内部完全守护，甚至出现淤积。 本文主要在变坡水槽上精细测量了扭双工字型透水框架附近的水流结构，分析了框架群对纵向、侧向水 流流速、紊动强度的调整作用，并综合考虑框架抛投后的流速、紊动对床面防护的影响，从单位质量水体能量 收稿日期：2013—07—10 基金项目：国家自然科学基金资助项目；交通运输部建设科技项目(2013328J17500) 万方数据 第1期 马爱兴，等：扭双工字型透水框架防冲机理试验研究 9 (动’It+紊动能)的角度探明扭双工字型透水框架削减水体能量的能力及其防冲作用机理，研究成果可为扭 双工字型透水框架的设计、应用提供技