长江中游地区荆江河段,源头枝城,下到迄洞庭湖出口处的城陵矶,全长约347.2km,界以藕池口,分上、下荆江。鉴于自身的自然特性加之三峡工程蓄水影响,河床演变频繁,洲滩变迁剧烈,航槽极不稳定,碍航状况频发。透空四面体框架航道整治技术具有透水和阻水双重特点,现已广泛应用于长江中游航道整治工程中。但复杂水流条件下透空四面体的扰流固沙机理尚不明确,如何实现框架的最优工程布局鲜有系统研究;此外,现有的透空四面体框架的加工工艺存在效率低下等问题。本文依托省部委“荆江河段航道整治工程第VI标段施工技术研究项目—课题2”,利用模型试验与数值模拟方法,开展了透空四面体周围流场特性、阻力特性等研究,揭示了透空四面体框架扰流减速与固沙机理,并提出了透空四面体框架挤压冷连接成型新工艺,在保证强度的同时,极大提高了框架生产效率。具体研究内容及成果包括:(1)透空四面体框架模型试验研究。利用高精度河流动力学水槽进行了单个透空四面体扰流的模型试验。利用基于变频技术的DCMS控制系统及旋桨式光电流速仪,测量了不同流场条件下透空四面体周围的空间流场分布,通过与无框架流场的对比,得到了透空四面体周围流速分布规律和具体减速、增速部位,揭示了透空四面体对水流扰动作用。(2)透空四面体框架扰流机理数值模拟方法研究。利用计算流体动力学(CFD)方法建立了透空四面体框架扰流的二维、三维数值模型。通过对二维数值模拟研究,定量地得到了不同间距比下杆件尾流区漩涡变化规律;通过三维数值模拟,获得了直观的透空四面体周围流场变化规律,并通过与模型试验结果的比对,验证了数值模拟方法的可靠性。最后,通过分析透水框架的扰流效果,结合现有泥沙运动力学原理,揭示了透水框架减速固沙的力学机理;并在此基础上,建议了透空四面体工程应用中的空间布局设计方法。(3)透空四面体框架钢套管挤压冷连接成型技术研究。鉴于传统透空框架制作工艺的局限性,提出了透空四面体框架钢套管挤压冷连接成型新技术。该技术优化了框架杆件的加工与拼接工序,并利用高压挤压钢套管的方式连接框架结点,代替了传统的焊接工艺,在保障框架强度的同时,将框架生产效率提高约67%。(4)透空四面体框架钢套管挤压冷连接性能评价研究。为了评估钢套管挤压冷连接成型框架的力学性能,优化连接成型访求,开展了钢套管挤压冷连接节点的力学性能试验研究。利用不同钢套管材料、不同挤压模具,不同压痕长度、不同挤压压力和不同钢筋表面光滑制成模型进行力学性能,获得了连接强度与各试验参数之间的关系,提出了最优的连接设计方案。