设计的内容应包括:结构型式和尺寸的确定,排垫在垂直于水流冲刷方向的宽度,即排体的顺坡向延伸的长度。两片排垫的间距和充填物的数量(重量),并为了保证排体在水流冲刷下的正常工作而应校核的各种稳定性。这些校核的项目包括以下几个。
(1)排体抗漂浮稳定性。
(2)排体搭接边缘抗掀动稳定性。
(3)排上压重的抗滑稳定性。
(4)排体连同压重沿土坡面的抗滑稳定性。
(5)排面压实块本身的稳定性。
(6)其他。
图7.5 抗浮计算简图
1)排体抗漂浮稳定性。在水下,排体受上下水头差引起的浮力的顶托而容易失稳,为此排体自重上的压重,应超过上托力的数值,才能达到排体抗漂浮的稳定性(图7.5),即
式中:Δhs为排体上下的水头差,m;γ′m为排体在水下的浮容重,kN/m3;γw为水的容重,kN/m3;tm为排体垂直于土坡的厚度,m;α为土坡坡角。
若有波浪作用,则问题要复杂得多。这时应考虑波浪的冲击力,浪前峰引起的浮托力,水流流速变化引起的作用力,以及波浪进退产生的吸力等。这时,排体的稳定可用稳定数SN来控制:
式中:H为浪高,m;r′R为排体在水下的相对浮容重(无因次);tm为排体厚度,m;γm为排体容重,kN/m3;γw为水的容重,kN/m3。
不同排体所要求的稳定数SN值如表7.1所示。对于表中未涉及的情况,取SN<2.0。不同排体要求的厚度tm,可按式(7.11)反算确定。由表7.1看出,排的整体性愈高,所需的厚度tm越小,故要求SN愈大。
表7.1 不同排体压重时的SN值(《水利规范》)
在以上的计算中,假定了织物的透水性高于被保护土的透水性。若两者的透水性相当,则表7.1中的SN值可减小40%,并取用该折减值与2.0之间的较小者。
2)排体搭接边缘抗掀动稳定性。任何情况下当两块排体搭接时,均要求上游排的下游端边缘压在下游排体上,如果情况相反,或因水流方向逆转,则逆水流的排体边缘由于上抬力将有可能被掀动(图7.6)。因为水流经过搭接处,流线向上弯曲,使该处排体所受的水压力发生变化,边缘上下产生了压力差,如图7.7所示。
图7.6 排垫搭接处局部压力变化
(a)排体叠合边缘所受的上抬力;(b)局部变化图
该压力差表现为向上的浮力Umax,其大小与搭接处的局部流速v的平方成反比。排边不被掀动的条件是该处流速需少于某一临界流速vcr:
式中:θ为表7.2查得,其余符号同前。当排体直接置于土面上时,θ取用1.4。
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图7.7 排体上的压重
3)排上压重的抗滑稳定性。加在排面上的压重块石或混凝土块,应进行沿排面的抗滑稳定性核算。若土坡的坡角为α,压重块与排体间的摩擦系数为fCR(若在水下,用水下fCR值),则抗滑稳定条件为fCR>tanα。若考虑稳定安全系数为FS,则
表7.2 软体排要求的θ值(水深2m时)(《水利规范》)
4)排体连同压重沿土坡面的抗滑稳定性。此时,软体排滑动体所承受的力不仅有自重减浮力(即水下浮容重),而且还有排体上下水压力差引起的上托力Δhg,故抗滑稳定
要求为
式中:为排体与压重的平均浮容重,kN/m3;tcm为排体与压重的总厚度,m;FS为要求的安全系数;fsg为织物与土的摩擦系数(在水下用水下值)。
5)排面压实块本身的稳定性。压重块本身的尺寸也有一定的要求以防在水流和风浪作用下失稳。这种失稳的可能性必然与流速有关。流速愈大,要求石块重量也愈大。南京水利科学院根据试验提出,当流速为v≤3m/s时,压重可用1kPa,而要求的石块(混凝土块)的重量可参看图7.8。
图7.8 抗浪击要求的石块重量
当防洪要求较高时,可按《水利规范》采用1.2的安全系数。反之,则采用0.8~1.0的安全系数。
在海岸防护中,如遇大风浪,为保持稳定所需的石块重量可用哈德森(Hudson)公式估算:
式中:γs为石块容重;β为坡角,λD为破坏系数;Gs为石块比重。
按该式绘制的设计图如图7.9所示。在制作该图时,所用的参数为破坏系数λD=3.2(不发生破坏),块石密度ρs=2.73×103kg/m3,块石比重Gs=2.73。由图7.9中查得的块石重量W可按式(7.17)换算成块石的平均粒径d50:
图7.9 护坡的结构
(a)水道岸坡的一般防护结构型式;(b)排体端部防冲结构
6)软体排用于河底防冲的结构。在河底防冲的保护中,软体排的应用很多,且效果很好。如水深达10m的长江口深水航道的保护,大面积的软体排成为不可或缺的防冲构件(参考第12章)。
在水下软体排边缘附近的基土容易受到水流的冲蚀或发生变形,并使排体本身破坏,故保护排体的边缘十分重要。当基土一旦被掏刷以后,若软体排会自动下沉,则可继续保持排体与土面的接触状态,防止冲刷的发展。为防止排体万一被架空而受拉,可以进行一定的分析计算,如假设架空段呈悬链线形状进行计算。
所采用的底部(端部)防冲结构的若干型式如图7.10所示。
图7.10 排体端部柔性结构
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