四面六邊透水框架群減速效果探究

閆鵬飛 荊 文 萬 震 孫靜濤

( 鄭州大學 水利與環境學院，河南 鄭州 450001)

0 背景

四面體透水框架是原水利部西北水利科學研究所在20世紀90年代初研制成功的一種完美結合實體抗沖和減速不沖防護特性于一體的護岸固腳技術，已獲得國家實用新型技術專利。［1］1996年開始應用在長江干堤上，并經受住了1998年長江特大洪水的考驗。因而被水利部作為推廣項目列入《災后堤防加固15 項推薦技術指南》中。

本文根據文獻［2－4］利用框架群拋投前后流速的變化來體現四面六邊透水框架群減速促淤的效果，建立了減速效果與框架尺寸、架空率和長度之間的關系模型。利用origin 軟件從所搜查的文獻［4］的圖中提取原始水槽實驗數據，借助統計分析理論對實驗數據進行曲線擬合，并得出經驗公式。

1 減速效率與架空率之間的關系曲線擬合

利用matlab 對從文獻［4］中提取的減速效果η 與架空率ε的水槽實驗數據(桿件長寬比λ =10m)進行四次曲線進行擬合，擬合結果如圖1 所示。減速效果與架空率的經驗公式為:

η=－0.01ε4＋0.17ε3－1.1ε2＋3.1ε－2.7。

由圖1 可知，在框架長寬比λ=10m 時，當架空率在5.0－5.5 中間，減速效果達到最大值。四面六邊框架群存在一個最優的架空率，在實際工程中，當框架尺寸長寬比取10m 時，應使框架群的架空率保持在5.0－5.5 之間;若采取其他形式的框架尺寸長寬比時，應根據室內水槽實驗確定最優架空率。［4］

2 減速效率與框架尺寸長寬比之間的關系曲線擬合

利用matlab 對從文獻［4］中提取的減速效率η 與框架尺寸長寬比λ 的水槽實驗數據(架空率η 時)進行二次曲線擬合，擬合結果如圖2 所示。減速效果η 與框架尺寸長寬比λ 的經驗公式為η=－0.0017λ2 ＋0.051λ ＋0.39。

由圖2 可知，在架空率ε=4.8 時，當框架尺寸長寬比λ 在15.0 左右時，減速效率達到最大值。當桿件長寬比λ 較小時，減速效率隨λ 的增大而增大，但是當λ 增大到一定值后，其減速效率將隨λ 的增大而減小。［4］

3 減速效率與順水流方向鋪設長度之間的關系曲線擬合

利用matlab 對從文獻［4］中提取的減速效率η 與順水流鋪設長度L 的水槽實驗數據(架空率ε=4.8)進行power 曲線擬合，擬合結果如圖3 所示。減速效果η 與順水流鋪設長度L的經驗公式為:η=－1.737L－1.336＋0.6774。

由圖3 可知，當鋪設長度小于某一值L1時(此處L1為10m左右)，減速效率隨鋪設長度的增加而增大。但是，當鋪設長度增大到一定值L2時(此處L2為20m 左右)，當鋪設長度超過這一個值后，相對減速率雖然有所增加，但增加幅度非常有限，僅有3～5 個百分點。建議此時框架體拋投長度取用10～20m 較為適宜，其他情況可根據室內水槽實驗確定。［4］

4 結論

通過以上的分析，可以的到以下結論:

(1)當框架尺寸長寬比為定值時，框架群的架空率存在一個最優值，應根據室內水槽實驗確定最優架空率。

(2)當架空率為一定值時，長寬比存在一個極限值，當超過這個值時，框架群的減速率不但得不到增強反而逐步降低。

(3)若鋪設長度過大是不經濟的，若過小，則不能起到一個有效的減速作用?？紤]到工程施工的安全性以及經濟性，應根據室內水槽實驗確定鋪設長度。

［1］水利部西北水利科學研究所.護岸防洪防沖四面六邊透水框架［P］.中國專利:98233050.2，2002－02－02.

［2］吳龍華，周春天，嚴忠民等.架空率、桿件長寬比對四面六邊透水框架群減速促淤效果的影響［J］.水利水運工程學報.2003(3) :74－77.

［3］劉剛.透水框架體水流特性及護岸應用實驗研究［D］.河海大學，2006.

［41］吳龍華，周春天，嚴忠民等.四面六邊透水框架群護岸機理研究［J］.水利水電快報.2003，24(11) :1－11.