移動式防洪墻擋水變形原型試驗研究

王忠權，毛肖鈺

(1.浙江省錢塘江管理局勘測設計院，浙江 杭州 310016；2.浙江省錢塘江流域中心，浙江 杭州 310020)

1 概述

在移動防洪技術中，荷蘭馬仕朗防風暴大壩久負勝名[1]，但其技術復雜、造價高。而移動防洪墻技術是通過安裝可拆卸的擋水墻體抵御洪水，主要解決現狀堤防防洪高度不足及堤防高度與景觀生態不協調問題，是一項快速提升城市防洪能力而造價適中的技術。

我國南方大多數城市防洪工程具有了一定防洪能力，但隨著城鎮化的不斷發展，許多城市防洪標準仍落后于經濟發展。鑒于城市人口、經濟集聚，防洪工程建設中土地、房屋拆遷與安置等成本較大，導致許多城市防洪堤工程建設代價巨大乃至短期無法上馬。利用移動防洪墻技術構建新型防洪系統是一些國外發達國家應用較為廣泛的新技術[2]，對重要公共服務可修筑擋水墻等防澇工程設施[3]，把城市融入生態流域生命共同體[4]，既可以有效降低土地等要素制約與減少工程投資，同時也有利河道景觀構造與滿足人們親水需要，如何針對我國南方城市特點在我國南方研究推廣應用移動防洪墻技術，具有十分重要的意義。鐘旭陽[5]對倉儲選址進行了研究，汪倫焰等[6]對應急安裝進行了仿真研究，范力陽等[7]亦進行了三維有限元模擬，陳鶴林[8]對施工工藝和應用進行了分析，姚明星等[9]提出構件承載力的計算方法。

2 研究目的

針對現有移動防洪墻的技術特點，擬通過試驗，研究移動防洪墻的防水性能，提出防水密封結構及相關參數，分析不同的擋水高度的受力性能，提出各種結構的適用性，在結構安全的前提下做到輕便、快捷安裝。

裝配式移動防洪墻由疊梁板、立柱、支撐、止水橡膠、壓緊裝置、基礎及預埋件組成。如圖1所示。

圖1 移動式防洪墻擋水示意圖

本次原型試驗選址錢塘江三堡原錢塘江應急中心內，設置了左、中、右3個試驗區。振弦式應變計輸出信息不受導線長度影響，靈敏度和穩定性也較好[10]，本次應變監測采用振弦表面應變計。

3 試驗情況

3.1 左試驗區變形試驗(1.6m高)

試驗現場設4跨移動防洪墻，每跨2m，擋板規格60mm×200mm×3.8mm(6061-T4鋁合金)，立柱為16#工字鋼，柱腳50cm高加肋鋼板厚12mm。每根擋板底部和立柱底部均設橡膠條，柱頂采用螺栓豎向壓緊擋板，試驗過程注水至墻頂，試驗完成后未發現擋板、立柱、柱腳破壞，不同擋水高度下立柱的位移見表1。

表1 不同水深左試驗區立柱(1.6m)的位移

3.2 右試驗區變形試驗(1.6m高)

試驗的跨數、跨徑、擋板規格同左試驗區，立柱調整為H型鋼Hw100×100。每根擋板底部和立柱底部均設橡膠條，柱頂采用推拉式夾具豎向壓緊疊梁板，在臨水側采用螺栓+扁鋼側向壓緊疊梁板，試驗過程注水至墻頂，試驗完成后未發現擋板、立柱、柱腳破壞，不同擋水高度下立柱的位移見表2。

表2 不同水深右試驗區立柱(1.6m)的位移

3.3 左試驗區變形試驗(2.0m高)

試驗的跨數、跨徑、擋板與左試驗區1.6m試驗相同，但高度調整為2m，柱頂采用推拉式夾具，臨水側采用螺栓+槽鋼側向壓緊疊梁板。每根擋板底部和立柱底部均設橡膠條，柱頂采用螺栓豎向壓緊擋板，試驗過程注水至墻頂，試驗完成后未發現擋板、立柱、柱腳破壞，不同擋水高度下立柱的位移見表3。

表3 不同水深左試驗區立柱(2.0m)的位移

選取第2跨擋板的底部板測量位移，通過測量注水前后板與基準線間距的變化并減去板左右側側止水橡膠壓縮量計算其位移，其結果見表4。

表4 不同水深左試驗區底部擋板的位移

3.4 中試驗區變形試驗(1.6m高)

試驗設3跨，跨徑、擋板、高度與左試驗區1.6m相同，立柱調整為180×144鋁合金型材，柱腳不銹鋼板厚10mm，柱頂采用推拉式夾具豎向壓緊疊梁板，臨水側采用螺栓+槽鋼側向壓緊疊梁板。每根擋板底部和立柱底部均設橡膠條，柱頂采用螺栓豎向壓緊擋板，試驗過程注水至墻頂，試驗完成后未發現擋板、立柱、柱腳破壞，不同擋水高度下立柱的位移見表5，不同水位下立柱應變監測成果見表6。

表5 滿水時中試驗區立柱(1.6m)的位移

表6 立柱應變監測成果 單位：MPa

3.5 中試驗區變形試驗(1.6m高，動水)

試驗方案與3.4相同，采用掛槳機模擬造浪。

由于模擬造浪形成的波浪形態不穩定，水位變動也較大，具體量化指標無法監測。通過觀察和初步測量，動水試驗下未對移動防洪墻產生明顯的位移或破壞。

3.6 中試驗區變形試驗(3.0m高)

試驗設3跨移動防洪墻，每跨2m，擋板規格120mm×200mm×3.8mm(6061-T4鋁合金)，立柱采用180×144鋁合金型材，柱腳不銹鋼板厚10mm，支撐桿采用30×50×4、50×50×4、60×60×4三種類型方管。柱頂采用推拉式夾具豎向壓緊疊梁板，臨水側采用螺栓+槽鋼側向壓緊疊梁板。每根擋板底部和立柱底部均設橡膠條，柱頂采用推拉式夾具豎向壓緊疊梁板。

采用30×50×4方管作為支撐，擋水高度達2.4m時，立柱產生明顯位移；擋水高度達到達2.9m時，支撐桿破壞，柱腳臨水側受拉破壞。采用50×50×4方管作為支撐，擋水高度2.9m以下時，立柱無明顯位移；擋水高度達到達2.9m時，支撐桿瞬間破壞，柱腳臨水側受拉破壞。

采用60×60×4方管作為支撐，擋水高度達到達3.0m時，立柱無明顯破壞，不同水位下立的位移見表7。

表7 滿水時中試驗區立柱(3.0m)的位移

4 理論分析

4.1 左試驗區分析(1.6m高)

采用Simulation有限元分析軟件進行分析，計算得立柱最大應力439MPa，大于強度設計值215MPa[11]，主要在柱腳螺栓孔周邊產生應力集中；最大位移值為4.3mm，變形比為1/372。

4.2 右試驗區分析(1.6m高)

計算得立柱最大應力950MPa，大于強度設計值215MPa，主要在柱腳連接處產生應力集中；最大位移值為17mm，變形比為1/94。

當下不及細思，左臂猛地一抖，生生將未及取出的斷箭碎片震出，右掌再起，緊緊抓住碎片，繼而用力向亭頂甩去。

4.3 左試驗區分析(2.0m高)

計算得立柱最大應力933.7MPa，大于強度設計值215MPa，主要在柱腳和加勁肋上產生應力集中；最大位移值為16.1mm，變形比為1/124。計算得疊梁板最大應力252.16MPa，大于強度設計值90MPa[12]，主要在疊梁板兩端產生應力集中；最大位移值為5.23mm，變形比為1/382。

4.4 中試驗區分析(1.6m高)

計算得立柱最大應力602.27MPa，大于強度設計值215MPa，主要在柱腳和加勁肋上產生應力集中，鋁合金柱身最大應力70MPa，小于強度設計值90MPa；最大位移值為6.6mm，變形比為1/242。

4.5 中試驗區分析(3.0m高)

結合理論公式計算，得應力有限元計算值、理論公式計算值及實測值見表8。

表8 應力實測值與計算值 單位：MPa

采用SM SOLVER軟件分析該結構各部件的受力，支撐桿計算成果見表9。

表9 支撐桿計算成果

鋁合金柱身抗彎強度25.38MPa，抗剪強度66.84MPa，30×50×4和50×50×4兩種支撐桿穩定強度不足，會發生失穩破壞。

5 結論

(1)受考慮螺栓孔加工誤差、柱腳傾斜產生的位移等影響，移動式防洪墻位移實測值大于理論計算值。

(2)受整體變形協調影響，移動式防洪墻應力實測值小于理論計算值。

(3)受支撐桿生產精度、支撐桿和立柱不在同一受力面等影響，設有支撐的移動式防洪墻在支撐桿上的應力實測值可能大于理論計算值；試驗中易受破壞的部位主要為柱腳、支撐桿，理論分析立柱的變形和應力明顯大于擋板，因此，在移動防洪墻的設計中要強化立柱和支撐桿結構。

(4)增設支撐桿可明顯降低立柱變形，為方便結構安裝，減輕構件重量，建議墻高超過1.6m時增設支撐桿。

(5)鋼結構的強度設計值明顯高于鋁合金的強度設計值，建議在條件允許時采用鋼結構立柱以減少造價。