移動式防洪系統力學性能及滲漏特性試驗研究

陳守開，李慧敏，王遠明，郭 磊，丁澤霖，汪倫焰，孫 飚

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移動式防洪系統力學性能及滲漏特性試驗研究

陳守開1,2，李慧敏1,2※，王遠明3，郭 磊1,2，丁澤霖1,2，汪倫焰1,2，孫 飚3

（1. 華北水利水電大學水利學院，鄭州450045；2. 河南省水環境治理與生態修復院士工作站，鄭州 450002；3. 黑龍江省三江工程建設管理局，哈爾濱 150081）

移動式防洪系統是一種具備高安全性的標準化防洪方法，但在中國的城市防洪系統應用還不多，對其技術性能的研究不足是制約因素之一。該文依托某市的移動式防洪墻工程，設計移動式防洪墻綜合試驗基地，蓄水試驗以及立柱加卸載試驗，研究了移動式防洪系統的預埋件安裝方法、受力性能和滲漏特性。結果表明，預埋件的直接安裝法與預留槽孔法均能滿足施工工藝和正常運行要求，但前者優于后者；蓄水后，移動式防洪墻存在滲漏現象，其與水位呈現指數的變化規律，當水位超過1.5 m時滲漏量會快速增大，達到1.7 m時滲漏量可達300 L/h；立柱加卸載（0～100 kN）過程中，首先會引起混凝土塑性變形，進而導致立柱產生殘余位移，其受力過程表明立柱、預埋件與基座混凝土體系的破壞過程應是由預埋件兩側混凝土逐漸向迎水面發展。

應力；應變；力學性能；移動式防洪系統；預埋件安裝；滲漏特性；位移

0 引 言

城市人口密集，財富集中，是一個國家或地區的經濟、科技、文化或政治中心。中國濱水城市發展迅速，濱水建筑、園林都已具有相當規模，己發展成為城市靚麗的風景線，是市民和游客休閑、觀光的圣地。但是難免要經受洪水的考驗與威脅，城市已成為流域防洪的重點[1]。中國許多城市防洪標準偏低，與城市發展很不相符。據初步統計，有防洪任務的城市639座，其中仍有80%的城市防洪標準不足50 a一遇；有近60%的城市不足20 a一遇[2]，城市防洪任務形式十分嚴峻[3-5]。現代化的城市建設，要從城市生態環境的要求和城市可持續發展的高度出發，進行全面規劃。良好的城市防洪工程體系是現代化城市可持續發展的基本保障[6]，良好的水環境和河流景觀又是現代化城市的重要標志[7-8]。這就要求防洪工程建設既要符合城市建設要求，又要滿足水面和岸上雙向風景觀賞要求，同時還要滿足市民和游客的親水性要求。傳統填土筑堤加高擴建和修建鋼筋混凝土防洪墻提高防洪標準的建設方式，勢必破壞現有景觀、多占用有限而珍貴的城市土地，更重要的是難以協調防洪安全與城市建設要求、水面和岸上雙向風景觀賞要求、親水性要求的矛盾[9]。

如何在不影響城市濱水景觀的情況下提高城市的防洪標準，可移動式、可拆卸式的防洪系統恰好滿足這一需求[10]。國內外學者設計并應用了多種形式的移動式防洪墻，包括：側翻拍門式[11]、升降式[12]、充水橡膠袋[12]、充水編織袋[13]、裝配式鋼閘板[1]、裝配式玻璃鋼[14]、拼裝式鋼筋混凝土[15]、懸掛式鋼閘板[16]、翻轉式鋼結構[17]和裝卸式鋼結構防汛墻[18]，并進行了受力性能試驗[19-21]、有限元仿真分析[20]和動力性能分析[22-23]，英國環境署頒布了移動式防洪墻設計和生產標準[24]，并出版了使用指南[25]。

移動式防洪墻在歐美許多國家已經得到了成功應用[26]，如1984年德國科隆市第一次安裝了移動防洪擋板用于抵御河道洪水；奧地利在2002年因遭遇持續暴雨天氣并引發多瑙河百年不遇的特大洪水導致大面積受災后，也引進了該種防洪設備，其格萊恩市于2013年6月成功抵御了該地區最大降雨量記錄的考驗。近年，移動式防洪系統在中國的黑龍江、浙江等省份的重要防洪城市中也有嘗試，但尚無成功防汛御洪的經歷。移動式防洪墻可設置于江河堤壩上、大型港口碼頭、鐵路隧道口、高速公路涵洞口、人防洞口、城市大型社區等處，以抵御洪澇災害。相比傳統的沙袋阻擋洪水，移動式防洪墻具有勞動強度低、工作效率高、滲漏量小以及不易沖垮等優點[27]，在不破壞城市景觀的情況下，提高了城市防洪標準，有效抵御洪水災害[28]。移動防洪墻系統通常由立柱（邊柱）、擋板、止水、螺栓、壓緊裝置、預埋件等構部件組成[29-30]，其工作原理為，在預設防洪的位置事先建成埋置有預埋件的鋼筋混凝土基座，洪水來臨前，在預埋件上安裝立柱、在立柱間安裝擋板及止水條形成封閉墻體抵擋洪水，洪水來臨時，水通過擋板與立柱接觸部位進入中空的擋板增加防洪墻自重提高穩定性，洪水退去后逆序拆除各部件并按標記有序存于倉庫保管。這種組合式的防洪系統通常關注2個問題，一是移動式防洪系統受力安全性問題，二是抵御洪水時防洪墻系統的滲漏特性，但目前尚缺乏系統的研究。針對這2個問題，本文依托某市的移動式防洪墻工程，通過蓄水試驗和立柱加載試驗，研究移動式防洪系統的滲漏特征、立柱及預埋件基礎的受力狀況，以期為移動式防洪墻在國內的應用與推廣提供參考。

1 移動式防洪墻試驗方案

1.1 產品來源

本文所采用的移動式防洪墻來自德國IBS公司，該產品已在德國、奧地利、英國及中國等均得到了應用，安裝效果如圖1a所示，主要構件形式如圖1b所示。該系統單跨跨度3.0 m，最大擋水高度1.8 m。該系統立柱及擋板采用鋁合金（拉伸強度200 MPa、屈服強度165 MPa），壓力固定裝置及預埋件使用不銹鋼（屈服強度190 MPa、抗拉強度500 MPa），其構件的型號、材料如表1所示。

表1 移動式防洪墻主要構件型號及材質

圖1 移動式防洪墻系統及其主要構件

1.2 試驗設計

為了研究移動式防洪墻的受力安全性和滲漏特性，設計蓄水試驗和立柱加載試驗。蓄水試驗用于研究正常蓄水至1.8 m時防洪墻的滲漏特性與基座受力情況，設計了3跨防洪墻（圖2），包含2個端柱、2個中柱及其預埋件、3跨擋板（共27塊擋板）；立柱加載試驗，主要研究加載范圍從0到100 kN時，立柱-預埋件-鋼筋混凝土基座體系的受力特征，包含1座單獨澆筑的獨立基礎，1臺液壓自動加載裝置、1個中柱及其預埋件。

圖2 蓄水試驗平面布置

試驗采用的監測儀器包括鋼筋計、應變計、位移計及應變片，本次試驗所采用的監測儀器由基康公司生產，其中鋼筋計為BGK4911振弦式鋼筋計，應變計為BGK4200埋入式應變計，應變片為BX120-3CA電阻應變計，位移計為LEC150-10-04-C-5d，量測采用BGK408型振弦式讀數儀。

其中鋼筋計、應變計安裝在鋼筋混凝土基座中，分別測量預埋件周圍的鋼筋應力和混凝土應變；位移計、應變片用于立柱加載試驗，分別測量立柱的整體位移和表面應變。鋼筋計和應變計的布設、安裝及量測參照《建筑工程施工過程結構分析與監測技術規范》（JGJ/T302-2013）[31]執行，布置位置如圖3所示。

a. 側視圖

a. Side view

b. 正視圖

b. Front view

注：R1～R5為鋼筋計編號，S1～S3為應變計編號。下同。“312@150”指布置3根直徑12 mm、間距150 mm的鋼筋，余同。

Note: R1-R5 are steel bar meter number, S1-S3 are strain gauge number.The same as below. 312@150 refers to three steel bars with diameter 12 mm and spacing 150 mm, the same as others.

圖3 預埋件周圍鋼筋及鋼筋計、應變計布置示意圖

Fig.3 Layout of reinforcing steel bar and steel bar meter and strain gauge

1.3 試驗方法與程序

1）中柱預埋件安裝。中柱預埋件分別按兩種工藝進行安裝，一種為直接安裝法，即鋼筋綁扎后安裝固定預埋件，再澆筑混凝土后完成；另一種為預留槽孔法，在基座預先留設槽孔，待基座混凝土澆筑后一定齡期，再安裝預埋件，澆筑二期混凝土后完成。預埋件安裝控制精度為：軸線方向誤差±5 mm，垂直方向誤差±10 mm，水平角度誤差≤3°，垂直角度誤差0.15%以內，相鄰預埋件間距誤差±3 mm，間隔預埋件間距誤差±5 mm。

2）蓄水試驗（圖4），包括正常蓄水時預埋件周圍鋼筋混凝土受力試驗和防洪墻整體滲漏試驗。

圖4 移動式防洪墻及蓄水試驗

鋼筋混凝土受力試驗。蓄水前，測量并記錄鋼筋計與應變計讀數；蓄水至1.8 m并穩定后，再次測量并記錄鋼筋計與應變計讀數；計算得到蓄水前后鋼筋應力及混凝土應變的變化情況，據此分析2種預埋件安裝方法的受力差異。

滲漏試驗。通過測讀水位尺，得到滲漏引起的蓄水池水位值，研究防洪墻滲漏變化規律。本試驗從水位1.75 m時開始，前150 h，觀測頻次為6～12 h；150 h后，觀測頻次為50~100 h，至400 h止。

3）加載試驗。除基座的鋼筋計及應變計外，加載試驗還需在立柱布置位移計及應變片，布置情況如圖5所示。應變片C1、C2布置在立柱側面，距離基座面1.02 m；位移計A1、A2、A3布置在立柱背水面，分別距離基座面0.25、1.02和1.57 m；試驗采取液壓千斤頂連續加載的方式，設定限載100 kN，各測量設備分別在0、25、50、75和97 kN時測量1次。

注：A1～A3是位移計編號；C1～C2是應變片編號。

2 試驗結果分析

2.1 正常蓄水時的受力分析

蓄水前及蓄水后的實測基座鋼筋計、應變計及其變化值見表2。

表2 兩種安裝方法鋼筋計實測值和應變計實測值

蓄水后，在水壓力、水重和防洪系統自重作用下，各部位受力均發生變化。直接安裝法的應力情況為：最大拉應力出現在R1、R4位置，產生約0.9 MPa的拉應力，R3、R5表現為受壓，產生約5.8 MPa的壓應力。與直接安裝法相比，預留槽孔法的R1、R3、R4位置的受力特征一致，但是產生的拉應力更大，如R4達1.39 MPa，R5則表現出相反的受力特征，即產生了0.82 MPa的拉應力。同時，2種安裝方法下混凝土的應變特征一致，但后者產生的應變更大，如S2分別產生了5.45×10-6（直接安裝法）和11.95×10-6（預留槽孔法）的拉應變。分析認為，這是由于預留槽孔法安裝的預埋件與基座的整體性較差，類似預埋件與槽孔混凝土形成構件嵌入基座而成，使其預埋件周圍鋼筋應力、混凝土應變均大于直接安裝法。但2種安裝方法，其正常蓄水的實際受力值變化均不大，遠未達到鋼筋屈服強度（335 MPa）和混凝土極限拉伸應變（100×10-6），運行安全。

2.2 正常蓄水時滲漏分析

實測水位與觀測時間的關系如圖6所示。實測水位隨時間變化并不滿足線性相關，通過Origin的回歸分析得式（1），擬合精度2為0.995。可看出，通過式（1）可對移動式防洪系統這一標準構件蓄水后（1.75m以下）的水位變化進行有效預測，便于滲漏量的分析。

式中H為水位，m；t為時間，h。其中t=0時，H≈1.75 m。

目前，移動式防洪墻的滲漏規律在國內外尚缺乏系統研究，其滲漏一般只發生在接觸位置，即擋板與立柱（邊柱）之間、底部擋板與基礎之間以及擋板與擋板之間。鑒于現有試驗條件，各部分滲漏量難以通過試驗分別獲得。若忽略池面水分蒸發影響，根據達西定律，移動式防洪墻滲漏量按下式計算

式中為滲漏量，L/h；為水池有效蓄水面積，m2，本文試驗=30.745m2；為滲流速度，m/h，=d/d。

將式（1）求導得到滲流速度，代入式（2）計算得到不同水位下平均滲漏量變化規律，并與實測水位換算后的平均滲漏量進行比較見圖7。由圖6和圖7可知，水位超過1.5 m時，該防洪墻的水位變幅快、滲漏量大，在50 L/h以上，當水位超過1.7 m時滲漏量可超過300 L/h。

圖7 滲漏量隨水位變化規律

2.3 立柱加載試驗

由2.1節可知，在正常靜水壓下，移動式防洪墻的基座受力較小，一般不會引起鋼筋混凝土基座的破壞。但是在防御洪水過程中，需要考慮動水作用或是外物撞擊，此時，立柱-預埋件-基座體系是保證防洪安全的關鍵。各監測儀器的加載及卸載過程變化如圖8所示，圖中正號表示受拉，負號表示受壓。

注：橫坐標正值表示拉力，負值表示壓力。

加載時，立柱斜向應變C1和C2隨荷載接近線性變化規律，加載曲線與卸載曲線基本一致，且C1和C2方向相反、數值相近，50和97 kN荷載下應變值分別約680和1 400，說明在加卸載過程中立柱基本處于線彈性階段（圖8a）。由圖8b可知，立柱徑向位移表現為上部大于下部（A3>A2>A1），如加載至97 kN時，A1、A2、A3的位移值分別為1.25、7.83和17.1 mm；立柱徑向位移隨荷載變化呈現非線性變化，卸載后A1、A2和A3實測殘余位移分別為0.17、0.36和0.50 mm，該值與位移計所在高度恰好呈線性關系，說明整個加卸載過程中，立柱處于整體變位，因此該殘余位移應由預埋件的鋼筋混凝土基座引起。

由圖8c可知，加載至25 kN左右，混凝土即由彈性階段進入塑性階段，如S1和S2在加載至97 kN時分別達到97.34×10-6和?389.47×10-6，此時S2遠未達到混凝土極限壓縮應變（2 000×10-6），但S1已經接近混凝土極限拉伸應變值，卸載后的S1、S2殘余應變分別為6.50×10-6和?26.39×10-6。由圖8d可知，加載超過25 kN時，鋼筋應力隨荷載表現出較明顯的非線性變化，且卸載后存在殘余應力，其值分別為0.39 MPa（R1）、0.20 MPa（R2）、0.16 MPa（R3）和0.10 MPa（R4），由于試驗采用HRB335級鋼筋，加載后鋼筋應力遠未達到其屈服條件，因此鋼筋計顯示的殘余應力是混凝土塑性變形引起的。此外，鋼筋計的應力規律整體表現為R2>R1>R4>R3，如加載至97 kN，R1～R4實測最大應力值分別為8.50、12.50、2.70、3.63 MPa，說明立柱受水平荷載時，預埋件側面受力最大，其次是預埋件迎水面，因此，若發生破壞，啟裂點應是從預埋件兩側面逐漸向迎水面發展。

3 結 論

1）移動式防洪墻立柱預埋件的2種安裝方法中，直接安裝法力學條件優于預留槽孔法。當蓄水至1.8 m時，直接安裝法實測最大鋼筋應力和混凝土應變分別為0.9 MPa和5.45×10-6，小于預埋槽孔法的1.39 MPa和11.95×10-6。因此，建議工程首選直接安裝法。

2）通過三跨移動式防洪系統蓄水池的蓄水試驗，實測水位與時間、滲漏量與水位呈指數變化關系，當水位高于1.5 m時，滲漏量會快速增加，超過50 L/h，說明當擋水超過一定高度后，需要重點關注移動式防洪系統的滲漏問題。

3）單立柱加卸載試驗（本次限載100 kN）表明，加載至25 kN時，預埋件周圍混凝土出現塑性變形，荷載達到97 kN時，接近極限拉伸應變，而整個加、卸載過程，立柱和鋼筋均處于彈性階段，即實測的立柱殘余位移、鋼筋殘余應力是由混凝土的塑性變形引起的。加卸載過程受力分析表明，立柱-預埋件-基座體系破壞將從預埋件周圍混凝土開始，并逐漸向迎水面方向發展，直至整體破壞。因此，移動式防洪系統工程應充分重視預埋件周圍混凝土的施工質量。

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Test on mechanical and leakage characteristics of mobile flood protection system

Chen Shoukai1,2, Li Huimin1,2※, Wang Yuanming3, Guo Lei1,2, Ding Zelin1,2, Wang Lunyan1,2, Sun Biao3

(1.,,450045,;2.450002,;3.150081,)

The high level urban flood control system is the basic guarantee for the sustainable development of modern cities, and the beautiful water environment and river landscape are the important symbols of modern cities. The need of protection is increasing with rising population density in low-lying coastal and river areas in the last decades. Therefore, the demand for technical protection measures is growing. It means that the construction of flood control projects should not only meet the requirements of urban construction, but also meet the requirements of water and shore two-way landscape viewing and residents’ and tourists’ visiting. Recently, more and more mobile protection schemes are on the market promising to fit both requirements: protection in case of flooding and open access to the floodplain in the remaining time. The protection systems differ in material, construction, height, and permanent facilities. They can be divided in structures made of sandbags, plates, concrete elements, flaps, trestles, geomembrane containers, and so on. However, the application of mobile flood control wall in China is not much, and the lack of research on its technical performance is one reason to the constraints. Based on the actual engineering project, the seepage characteristics of the mobile flood control system, and force condition on the foundation of column and embedded parts are studied through the experiment of water storage and column loading test. The testing results show that: Firstly, the direct installation method and the reserved slot method of the mobile flood control wall can meet the requirements of construction technology and normal operation. The anchor plate and foundation are not integrated when using the reserved slot method, which is just like the anchor plate and concrete integrated into the component to insert the foundation. The stress conditions of reserved slot method of anchor plate are worse than direct installation method. So we recommend the direct installation method in construction practice. But the 2 installation methods run safely, because the actual stress values under normal impoundment have only small change, far from steel yield strength (335 MPa) and concrete ultimate tensile strain (100×10-6). Secondly, a water storage pool was constructed to test the leakage characteristics. The mobile flood protection wall leaks when the pool is filled with water and the leakage changes exponentially with the water level. The regression analysis of measured water level and observation time is performed. The leakage will accelerate when the water level exceeds 1.5 m, reaching 300 L/h at a level of 1.7 m. It indicates that the leakage problem is an important aspect that the mobile flood control system needs to solve in order to increase the water retaining height. Finally, the loading and unloading testing of single post (this load limit is 100 kN) shows that when loaded to 25 kN, the concrete around the embedded part has plastic deformation. When the loading reaches 97 kN, the tensile deformation born by the concrete is close to the ultimate tensile deformation. And in the whole loading and unloading process, post and steel are in the elastic phase, that is, the measured residual displacement of the post and the residual stress of the steel are caused by the plastic deformation of the concrete. In addition, the stress analysis of the loading and unloading process shows that the damage of the post- anchor plate - foundation system will start from the concrete around the anchor plate and gradually develops toward the surface of the water surface until the whole is destroyed. Therefore, the mobile flood control system engineering should pay full attention to the construction quality of concrete around anchor plate.

stress; strain; mechanical properties; mobile flood protection system; installation technology of anchor plate; leakage characteristics; displacement

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.011

TV315

A

1002-6819(2017)-20-0083-07

2017-05-25

2017-08-26

國家自然科學青年基金項目(51309101) ; 國家自然科學基金面上項目（51679092）

陳守開，男，浙江溫州人，副教授，研究方向：水工結構設計。Email：man200177@163.com

※通信作者：李慧敏，男，山西長治人，副教授，研究方向：水利工程建設管理。Email：lihuimin3646@163.com

陳守開，李慧敏，王遠明，郭 磊，丁澤霖，汪倫焰，孫 飚. 移動式防洪系統力學性能及滲漏特性試驗研究[J]. 農業工程學報，2017，33(20)：83－89. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.011 http://www.tcsae.org

Chen Shoukai, Li Huimin, Wang Yuanming, Guo Lei, Ding Zelin, Wang Lunyan, Sun Biao. Test on mechanical and leakage characteristics of mobile flood protection system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 83－89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.011 http://www.tcsae.org