一種三聯(lián)體土工包及其拋投漂移量計算方法與流程

本發(fā)明涉及一種三聯(lián)體土工包及其拋投漂移量計算方法。

背景技術(shù)：

土工包是一種相對較為新穎的土工系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代Nicolon B.V.發(fā)展了這種系統(tǒng)并將其注冊為“土工包。土工包是使用縫紉機(jī)將大型編織型土工織物預(yù)先制作成具有一定寬度和相當(dāng)長度的“盒子”狀的構(gòu)件，在現(xiàn)場采用大型水利機(jī)械或人工充填，最后用縫紉機(jī)或人工綁扎的方式將充填口封閉，充填完成后外形呈“枕狀”或“箱狀”。近些年來，土工包以其施工便捷、節(jié)省成本、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)迅速的在水利及港口工程中取得了廣泛的應(yīng)用。目前在我國長江口地區(qū)以及沿海等地，土工包被廣泛應(yīng)用于護(hù)岸、防波堤以及路堤等工程，其主要作用是構(gòu)筑堤芯或主體結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是施工速度快、質(zhì)量高、成型易于控制、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好等。此外，土工包還能用來裝填及隔離港口疏浚產(chǎn)生的污染物，在沿海圍墾工程中其應(yīng)用也時有常見。

土工包體積不同，其相應(yīng)的拋投施工技術(shù)也存在一定的差異。土工包的體積相差懸殊，小土工包體積可小至數(shù)方，大土工包體積可高達(dá)數(shù)千方。小體積土工包通常在岸上充填和縫合，然后利用自卸汽車或船舶運(yùn)輸與投放。對于體積較大的土工包，通常是在駁船上完成充填和拋投。土工包在駁船上的攤鋪，是采用安裝在駁船上的特制起重機(jī)械，或者用底拋式倉斗式平底駁船或?qū)﹂_式駁船完成的。當(dāng)駁船行駛至預(yù)定位置后，在對開駁船上充填料物后將土工包裹閉合，運(yùn)送并拋投到預(yù)定的位置。傳統(tǒng)的駁船拋投大體積土工包的施工方式的 缺點(diǎn)在于：當(dāng)土工包從駁船上拋投時和與地層撞擊時，包體土工織物往往因經(jīng)受巨大的荷載而發(fā)生破裂，造成較為嚴(yán)重的損失。為克服傳統(tǒng)拋投方式的缺點(diǎn)，工程技術(shù)人員通過不斷的摸索，提出了較為新穎的翻板拋投施工工藝：在船舶一側(cè)翻板上充填小體積土工包，當(dāng)達(dá)到一定的充盈度之后，轉(zhuǎn)動翻板使土工包自由滑落進(jìn)入水中，水下土工包無序排列堆積形成具有一定自然坡比的棱體斷面。當(dāng)水下土工包棱體抬升到一定標(biāo)高后，再進(jìn)行大尺寸土工管袋的充填，直至棱體出水，形成整個斷面土工包—土工管袋棱體。相對于傳統(tǒng)的拋投施工，翻板拋投施工工藝具有施工效率高、單只包體破裂損失小以及棱體成型快等優(yōu)點(diǎn)。翻板拋投施工工藝面臨的主要問題在于，拋投土工包的水下成型效果不理想。拋投時，由于慣性小，土工包入水后會在流速的影響下產(chǎn)生相當(dāng)距離的漂移，影響土工包的水下成型效果。由于相關(guān)理論研究成果的欠缺，無法預(yù)計該漂移量，因此，在實(shí)際施工過程中，多通過現(xiàn)場測試的方法大致判定。例如，在許多工程中，技術(shù)人員通過在土工包上系浮漂的方法進(jìn)行漂移試驗(yàn)，測出相同水深條件下各種規(guī)格的土工包在漲急、落急情況下的大致漂移距離，依據(jù)測定的結(jié)果對拋投施工參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。該方法雖能夠提升水下棱體成型效果，但提升程度有限。借助于潛水員探摸或超聲波測量等方式，發(fā)現(xiàn)局部多拋、局部少拋以及跑包的現(xiàn)象依然較為普遍，雖然可在后期采用補(bǔ)拋的方式提升棱體成型質(zhì)量，但同時也提高了施工成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種三聯(lián)體土工包及其拋投漂移量計算方法，其三聯(lián)體土工包體積更大，慣性也更大，相應(yīng)的漂移量比單體土工包更??；拋投時三聯(lián)體土工包的落點(diǎn)更加集中，采用落點(diǎn)公式計算出 的落點(diǎn)精度也相對較高，不僅有效的降低了施工難度，且施工效率更高，更加節(jié)省成本。發(fā)明所述漂移量計算方法，對于翻板拋投的移船定位方案制定具有顯著的參考價值。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種三聯(lián)體土工包，其特征是，包括三個獨(dú)立的土工包；所述土工包設(shè)置為枕形；每個所述土工包四周邊線及對角線均設(shè)置有加筋帶加固；

三個所述土工包呈品字分布，相互之間均設(shè)置有空隙，包括位于前端的一個土工包和位于后端的兩個土工包，分別記為前土工包和后土工包；兩個所述后土工包之間相對的邊為長邊，所述前土工包的長邊與兩個后土工包的短邊相對；三個所述土工包的相對邊之間均采用繩索并排連接。

進(jìn)一步地，所述土工包長6m，短邊筒周長8m，充填率78.54％。

進(jìn)一步地，三個所述土工包相互之間的空隙寬1.5m。

一種基于上述的三聯(lián)體土工包的拋投漂移量計算方法，其特征是，包括如下步驟：

1)假定在有限的時間步內(nèi)，土工包做勻加速直線運(yùn)動，加速度的方向與運(yùn)動方向一致，分別計算土工包所受到的各種作用力：重力、浮力、升力和阻力，依據(jù)力的合成原則得到合力的大小，進(jìn)而計算出橫向和縱向加速度的大?。?/p>

2)依據(jù)當(dāng)前時段初始的坐標(biāo)和速度大小，結(jié)合所求出的加速度大小，得到當(dāng)前時段末土工包的速度和坐標(biāo)；

3)將當(dāng)前時段末的土工包的速度和坐標(biāo)作為下一個時段初的速度和坐標(biāo)，按照上述步驟不斷進(jìn)行迭代計算，當(dāng)某一時刻的縱向坐標(biāo)與水底的縱向坐標(biāo)相同時，此時水平坐標(biāo)相對翻板下邊緣的距離即為拋投漂移量。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：本發(fā)明所涉及的三聯(lián)體土工包體積更大，慣性也更大，相應(yīng)的漂移量比單體土工包更?。粧佂稌r三聯(lián)體土工包的落點(diǎn)更加集中，采用落點(diǎn)公式計算出的落點(diǎn)精度也相對較高，不僅有效的降低了施工難度，且施工效率更高，更加節(jié)省成本；發(fā)明所述漂移量計算方法，對于翻板拋投的移船定位方案制定具有顯著的參考價值。

附圖說明

圖1(a)是單體土工包的俯視圖；

圖1(b)是單體土工包的I方向的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1(c)是單體土工包的II方向的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是三聯(lián)體土工包的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是船舶翻板拋投三聯(lián)體土工包的施工過程。

圖中附圖標(biāo)記的含義：

1、5-長邊加筋帶，2、6-短邊加筋帶，3、4-對角加筋帶，7-I方向投影橢圓周長D，8-土工包寬度，9-土工包厚度，10-土工包長度，11～13-單體土工包，14～17-高強(qiáng)度繩索，21-船舶，22-翻板，23-水體，24-水底，25-三聯(lián)體土工包，26-滑落距離，27-翻板角度，28-流速，29-水深，30-沉落軌跡，31-漂移量，32-拋投落點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明的三聯(lián)體土工包由三個單體土工包組合而成，充填完成后，每個單體土工包外形呈“枕狀”，從附圖1(b)、(c)觀察，其投影形狀都近似于橢圓； 在每個土工包的長邊、短邊以及正反表面交叉對角線位置處，分別縫制長邊加筋帶、短邊加筋帶以及對角加筋帶，三種加筋應(yīng)盡可能連續(xù)，不宜分段。

當(dāng)從I方向觀察時，投影橢圓的周長為D，橢圓長軸長即土工包寬度為d₁，短軸長即土工包厚度為d₂；當(dāng)從II方向觀察時，投影橢圓的長軸長即土工包長度為B。本實(shí)施例中，單體土工包的尺寸D×B＝8m×6m，充填率φ＝78.54％。

如圖2，將加固后的三個單體土工包呈“品”字形排布，后端兩個土工包長邊軸線平行，縱向擺放，前端土工包的長邊軸線與后端二者垂直，橫向擺放；三個土工包相互之間預(yù)留的空隙寬度為1.5m。采用兩條高強(qiáng)度繩索將后端兩個土工包首尾并排連接；采用另外兩條高強(qiáng)度繩索將前端土工包的兩側(cè)，與后端兩個土工包并排連接；需要注意的是，高強(qiáng)度繩索只能與加筋帶連接。

其突出特點(diǎn)在于采用了新型的三聯(lián)體土工包，以及引入了相關(guān)的拋投漂移量計算方法；三聯(lián)體土工包，由三個單獨(dú)的土工包構(gòu)成，形狀近似飛行器，后端的兩個土工包近似于機(jī)翼，在沉落過程中起調(diào)節(jié)作用，因此水力性能較單體土工包更為優(yōu)越；三聯(lián)體土工包重量為單體土工包三倍，慣性更大，拋投漂移量更?。辉囼?yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水深為28m，流速為2.27m/s時，在相同的施工參數(shù)條件下，三聯(lián)體土工包漂移量約為單體土工包的65.68％，而落點(diǎn)精度比單體土工包提高了約62.06％；若施工機(jī)械配套合理，理論而言，采用三聯(lián)體土工包的施工效率最多將是單體土工包的三倍；此外，利用時間步進(jìn)法計算拋投漂移量，可計算出整個拋投過程中三聯(lián)體土工包的沉落軌跡，從而能夠精確得到拋投漂移量的大??；整個計算的輸入?yún)?shù)較少，主要有土工包的尺寸、充填率、充填料密度、翻板角度、滑落距離、水深和流速等，依據(jù)上述參數(shù)，即可定量計算 出拋投漂移量的大小，計算過程簡單明了，較傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法更為科學(xué)；試驗(yàn)結(jié)果表明，對于拋投漂移量，公式計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差最大不超過20.62％。

下面結(jié)合具體的拋投漂移量實(shí)施例進(jìn)行說明：

翻板拋投工藝的主要過程為：在水深H，流速u的流體條件下，轉(zhuǎn)動安裝在船舶一側(cè)的翻板，將放置其上的三聯(lián)體土工包滑落進(jìn)入水中，三聯(lián)體土工包的滑落距離為L，此時翻板角度為α；土工包進(jìn)入水中后，在水流的作用下不斷下沉，沉落軌跡近似于拋物曲線；最終土工包觸碰水底，到達(dá)拋投落點(diǎn)，產(chǎn)生一定的漂移量S。

本發(fā)明中拋投漂移量S的計算步驟為：

(1)依據(jù)附圖3所示，建立二維直角坐標(biāo)系，橫向x軸原點(diǎn)位于翻板下邊緣位置處，縱向z軸原點(diǎn)位于水底；

(2)由土工包的尺寸D×B、充填率φ分別計算以下物理量：土工包體積等體積球體直徑土工包寬度土工包厚度單體土工包最大投影面積A_G＝d₁B，ε為將土工包的體積折減系數(shù)，約為0.7。

(3)由滑落距離L、翻板角度α和摩擦系數(shù)μ，得到土工包入水時的橫向初始速度v_x0＝v₀cosα，縱向初始速度v_z0＝v₀sinα；其中，初始速度 本實(shí)施例中L＝2.5m，g為重力加速度。令i＝0。

(4)計算合成速度w_i和阻力的方向角θ_i：

v_xi和v_zi分別為土工包的橫向和縱向沉落速度。

(5)計算雷諾數(shù)Re_i，由雷諾數(shù)可以得出阻力系數(shù)C_Di和升力系數(shù)C_Li：

C_Li＝101.92+33.905log₁₀Re_i-168.622ln(log₁₀Re_i),30218≤Re_i≤89784；

其中，υ為水的運(yùn)動粘滯系數(shù)。

(6)由水深H和流速u計算出后端及前端土工包長邊軸線與水平線夾角β_i和ω_i：β_i＝arccos(p₁iΔt+p₂)+p₃，其中：p₂＝-3.019-10.923H²lnH-13.085u²lnu，p₃＝-1.175-4.132H²lnH-4.627u²lnu，Δt為時間步長。

(7)分別計算土工包沉落過程中阻力和升力所對應(yīng)的投影面積A_Di和A_Li：A_Di＝2A_G|sin(β_i+θ_i)|+A_G|sin(ω_i+θ_i)|，A_Li＝2A_G|cos(β_i+θ_i)|+A_G|cos(ω_i+θ_i)|。

(8)分別計算橫向和縱向加速度a_xi和a_zi：

其中：折算密度ρ＝(1-n)ρ_g+nS_aρ_w，ρ_g為充填料的干密度，ρ_w為水密度，n為充填料的孔隙率，S_a為飽和度。

(9)分別計算土工包沉落過程中的橫坐標(biāo)x_i和縱坐標(biāo)z_i：

其中：

(10)令i＝i+1，求出時段末速度v_xi和v_zi，將其作為新的初始條件，從步驟(4)開始重新下一時段的計算；重復(fù)上述過程，直到z_i≤0，此時拋投漂移量S＝x_i。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。