阵列锚技术在堤防溃口堵复中的应用研究

发布时间：2020-07-26 12:03

【摘要】：汛期洪水引起的堤防溃口严重威胁当地的农业,交通运输,生态环境及社会安全与稳定,研究堤防溃口的发生机理和抢险堵复新技术,具有极其重要工程应用价值和急迫的现实意义。当前依靠沉船、沉车堵复的应急方法亟待改进提高,快速、安全、高效的堵口技术必须解决两个关键问题:堵口抛投物迅速生根与抛投体迅速扩展。本论文通过一系列理论分析和模型试验研究,分析论证了基于阵列火箭锚的溃口抢险堵复新技术的可行性。主要进行以下工作:(1)堤防溃口特征值概化分析与典型溃口水力边界要素的确定。利用100多组国内外堤防/土坝中后期溃口实例和试验数据,基于聚类分析方法研究了溃口水力边界特征值间的相关性,对缺失值进行了关联拟合补值;同时通过对溃口无量纲化特征值的概率密度统计分析,得出概化典型溃口水力边界参数与相关拟合方程。分析表明:溃口宽多在20~100 m,口门水头多在4~12 m,口门流速多在2~8 m/s,分布概率均在64%~71%。溃口宽深比B/H和弗劳德数Fr的概率密度均服从正态分布特征,溃口宽深比取3~8的分布频率约为55%,溃口弗劳德数为0.4~0.8对应的分布频率约为60%。(2)典型溃口水力特性的模型试验研究。利用典型溃口特征值概化研究成果,在实验室建立了1:50的典型溃口物理模型;根据不同设计工况,进行了溃口流态及特征值(堤内外水位差、溃口中心流速、溃口水深等)的观测试验。研究分析了当量水位差分别与单宽水流功率和当量水深的相关关系,以及溃口上下游水位~流量、水位~流速的变化规律;利用VDMS流场实时监测系统对河道、溃口口门和洪泛区进行了流场流态及表面流速场的测量,针对堤防溃口发生时溃口周围的复杂流态,对中后期溃口流场的变化特征进行了相关分析,表明溃口口门处流速最大,流速一般在4.81-5.80m/s(相对误差均在4%以内);溃口下游两侧洪泛区存在大范围涡流现象,回流流速一般在0.64~0.92m/s。(3)开展系列模拟试验,研究溃口堵复新技术的可行性。在提出基于阵列锚堵口新技术设计思路的基础上,提出了堵口新技术的施工流程;对新技术的可行性进行了模拟试验研究。分析了利用锚索滑投石笼的运动规律,得到了不同规格石笼的起动流速;在水槽中进行了单锚索拉力试验,研究分析了锚索拉力与石笼重量、锚索水平夹角和溃口流速之间的相关关系,提出了这些关联要素间的依存关系:F~f(G’,v,θ);基于阵列火箭锚堵口新技术思想,提出“上挑式交错锚固点阵”优化锚阵布置方法,并在溃口模型中开展相应的模拟试验研究与分析。试验表明,利用新技术进行有锚索精准堵口,可以快速形成堵口中流砥柱,投放物料损失率可以控制在4%以内,堵口效率十分显著;试验发现堤内外水位差、溃口流速和抛投体下游侧水深对利用锚阵进行快速堵复的时间有一定的相关关系。
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV871

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