移動防洪墻擋板跨度的型式比選

車溫馨

(華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046)

近年來，城市內澇問題頻繁發生，嚴重影響了群眾的生產和生活，給城市帶來了極大的生命財產損失。作為城市發展的基礎設施，防洪除澇設施支持和服務城市的發展和建設，有效預防和治理城市內澇災害是研究的重點和熱點。如何在日常生活中即不影響城市美觀，又能在城市發生洪澇災害時及時出現，保護人民財產安全，是城市抗澇需要解決的難題。

移動防洪墻應運而生，它以日常安裝、拆卸簡單，防洪迅速，以及在城市建設中“隱形”等優點，深受大眾歡迎。汪倫焰等對移動式防洪系統應急安裝進行研究[4]，曹永超等運用激光掃描和BIM對移動式防洪墻施工質量控制進行研究[5]。筆者對移動防洪墻的擋板跨度為變量，構建數學模型，對有限元應力分析、應急安裝分析和造價分析3個方面為評價指標，對移動防洪墻擋板的跨度進行分析，旨在為實際工程提供技術支撐。

1 防洪墻系統介紹

移動防洪墻通常由立柱、擋板、止水、螺栓、壓緊裝置、預埋件等構件組成[8]，如圖1所示。其立柱為不銹鋼材質，擋板采用鋁合金材料擠壓成型，內部為空腔結構，強度大，重量也很輕。洪水來臨時，擋板垂直立柱，橫向插入立柱卡槽，通過壓緊裝置固定，形成擋水工作面。擋板和立柱通過精密設計的卡槽固定，拆裝方便，具有雙向止水功能。等洪水退去，將各部件拆卸按標記有序存放于倉庫保管[3]。

圖1 移動式防洪系統及其主要構件

2 移動防洪墻的備選型式

本研究結合城市中移動防洪墻的使用場景，如地鐵口，地下車庫等，并查閱相關資料，將實驗中移動防洪墻總跨度設置為3m。將移動防洪墻的擋板設置為3種防洪墻擋板跨度，分別為1、1.5、3m，根據擋板跨度設置配套構件。由此確定移動防洪墻的以下3種備選型式。

型式1：移動防洪墻擋板跨度為1m，配套兩根立柱。

型式2：移動防洪墻擋板跨度為1.5m，配套一根立柱。

型式3：移動防洪墻擋板跨度為3m，無配套立柱。

3 移動防洪墻型式模糊綜合評價

模糊綜合評價是模糊數學的一種具體應用，從多個因素對被評價事物隸屬等級狀況進行綜合評價。[9]本研究運用模糊綜合評價對移動防洪墻的型式做出優化分析。

3.1 移動防洪墻模糊評價層次結構模型

本文防洪墻選型優化分析從安全、時間、成本3個角度出發，考慮3種因素：有限元應力、應急安裝工時和經濟指標。只有通過綜合考慮各因素才能使選型更合理。將上述因素層次化，可建立防洪墻選型的指標體系，存在1個一級評價指標，3個二級評價指標，如圖2所示。

圖2 選型評價指標體系

3.2 評價指標的權重計算

指標體系建立后，先需要對3個二級評價指標的重要性進行判斷，求得指標的權重向量。在進行指標比較時，選用Satty標度法[7]，該法把兩兩比較結果用1—9的數表示，各數值的意義見表1。

表1 Satty標度

根據Satty標度法對指標進行兩兩比較，判斷每個指標的重要性，可得指標的判斷矩陣。

移動防洪墻常設置在地鐵口，地下車庫等人流量密集或有重大財產的區域，移動防洪墻首先要保證結構安全，把防洪墻的安全性放在第一位。其次應該考慮，面臨洪水來襲，快速安裝使移動防洪墻盡早發揮作用，以達到減少人民財產損失的目的。最后，把經濟指標放在第三位。

根據建立第1層各因素U相對于方案A的兩兩判斷矩陣A-U，使用MATLAB，利用命令[V，D]=eig(x)，求出最大特征根和相應的特征向量，詳細過程和結果見表2。

表2 判斷矩陣A-U

對判斷矩陣進行一致性檢驗，根據判斷矩陣不同階數查表3，得到平均隨機一致性指標RI。該判斷矩陣為3階，查表得到RI=0.52。

表3 平均隨機一致性指標表

計算一致性比例并進行判斷：

(1)

由公式(1)計算可得，CR=0.062。由于CR=0.062<0.1，則認為該判別矩陣的一致性是可以接受的，即滿足一致性檢驗。

3.3 評價指標分析

3.3.1有限元應力分析

使用ansys軟件，通過繪制草圖，拉伸等一系列操作可得到各部件。將擋水板兩端的一部分嵌入立柱及端柱的槽中，將端柱嵌入混凝土立墻中。各構件選擇添加凍結，方便后期為各構件賦予不同的材料屬性。基礎和立墻賦予混凝土材料屬性，端柱和立柱賦予不銹鋼材料屬性，擋板賦予鋁合金材料屬性。

“網格劃分”是決定分析精度的重要環節，網格并非越細越好，而是應結合工程類型、計算機運算能力、運算成本來選取網格密度[1]。根據該模型形狀，選擇0.04m的四面體網格劃分。

對防洪墻模型施加靜水壓力和重力荷載，移動防洪墻基礎底部設置固定約束。設置水面線位于擋板頂部，采用靜液力壓力，設置密度為1000kg/m3，加速度為9.8m/s2。受力面為地面以上構件的側面，包括兩邊混凝土立墻、擋板、端柱、立柱以及基礎頂面。施加重力荷載時，由于止水條由橡膠制成，其自重相對于擋水板和立柱可忽略不計，故在計算中不考慮止水條的自重[1]。

根據實驗結果見表4，可知，3m擋板移動防洪墻型式的應力值和變形量最大，此時防洪墻擋板所受的最大應力14.41MPa，遠低于鋁合金材料的容許應力。在應力滿足材料容許應力的條件下，即跨度為3m時，移動式防洪墻的最大位移為0.67mm，相對于1000mm的擋水高度，3000mm的跨度屬于小變形，能夠滿足結構的穩定性和安全性要求[1]，所以以上3種跨度的擋板均滿足結構的穩定性和安全性要求。如圖3所示，可知，最大應力隨擋板跨度的增加而增加，變形量也隨擋板跨度的增加而增大，由于本次模擬計算僅考慮了靜水荷載，實際工況中檔板所受荷載可能會偏高，所以在實際工況中1m擋板的安全系數高，3m擋板的安全系數較低。

表4 3種跨度擋板有限元模擬結果表

圖3 不同跨度擋板受力分析曲線

3.3.2應急安裝工時分析

當城市已經發出洪水預警后，移動式防洪墻才開始安裝，在抗洪應急搶險的環境下，時間非常緊迫，需要在最短的時間將防洪墻設施安裝到位，減少發生人員、財產損失事件的概率，所以考慮應急安裝工時因素是十分有必要的。防洪墻的應急安裝流程如圖4所示。

對移動防洪墻的安裝進行實驗，分別對每個流程秒表計時，每個流程試驗次數均為5次，取每次實驗結果的平均值得出各個流程的工時，見表5。

表5 安裝時間

由表5施工工時分析，擋板的跨度與施工安裝時間也有很大關系。當采用3m跨度的擋板時，沒有立柱構件，減少了拆卸表面螺栓、清理螺孔內部雜物和安裝立柱的過程，可以大大縮減安裝時間。采用跨度越短的擋板，所需安裝的立柱越多，不但會增加拆卸表面螺栓、清理螺孔內部雜物和安裝立柱的過程的時間，也會因為擋板數量的增加，大大增加安裝擋板和安裝壓緊裝置的時間。此實驗并沒有考慮構件運輸所耗費的隨時間，所以實際工況下，還需要考慮構件在運輸途中所需要耗費的時間，如果包含運輸構件所需要的時間，那么越短擋板的防洪墻的構件越多，安裝防洪墻系統時所需的工時又會相應地增加，1m擋板的防洪墻系統耗費的時間將會更多。

3.3.3經濟指標分析

根據不同擋板跨度的3種移動防洪墻型式，從經濟角度對移動防洪墻做了選型對比分析。混凝土均采用C25，考慮人工、模板之后的各種材料單價取值：混凝土330元/m3，鋁合金20000元/噸，不銹鋼15000元/噸，橡膠止水條27元/m。根據不同擋板防洪墻相應的構件尺寸，結合對應材料的單價，可得到各型式防洪墻的經濟指標，見表6。

圖4 移動防洪墻應急安裝流程

表6 移動防洪墻經濟指標

根據表6，對各型式的移動防洪墻的經濟指標計算結果對比分析可知，1m擋板的移動防洪墻經濟性不如3m擋板的移動防洪墻的經濟性，擋板的跨度越大，所需立柱構件越少，相應的止水條橡膠材料和不銹鋼材料都會減少，從而降低了防洪墻的造價。由實際計算數據可知，幾乎每增加一根立柱，就會增加將近900元的造價，由于在此次實驗中未考慮預埋件、螺栓等固定立柱的材料構件，在實際工程運用中，實際的一根立柱的相差造價應比實驗所得結果更多。所以在實際工程運用中應在保證結構穩定和安全的情況下，盡可能減少立柱的數量，就可以達到節約造價的目的，要保證材料都能充分發揮其性能，避免造成不必要的材料浪費。

3.4 建立評價指標矩陣

通過對3種防洪墻型式的有限元應力分析、應急安裝工時分析以及經濟指標分析，匯總分析結果得到防洪墻綜合比較表，見表7。

表7 3種型式防洪墻綜合比較表

3.4.1有限元應力的隸屬函數

對于防洪墻力學分析而言，移動防洪墻所受最大應力越小，該移動防洪墻的安全系數越高，所以采用偏小型函數。根據專家意見，應力最大值小于5MPa安全系數較高，大于20MPa安全系數低，所以有限元應力的隸屬函數為：

(2)

3.4.2應急安裝工時的隸屬函數

應急安裝工時的隸屬函數采用偏小型函數，應急安裝工時越短，移動防洪墻就能越早地發揮作用，及時守護人民的生命和財產安全。根據專家意見，安裝時間小于10分鐘效率較高，安裝時間大于30分鐘效率較低。所以應急安裝工時的隸屬函數為：

(3)

3.4.3經濟指標的隸屬函數

經濟指標的隸屬函數采用偏小型函數，造價越低，防洪墻系統越經濟。根據專家意見，造價小于3500元為低成本，造價大于8000元為高成本。所以經濟指標的隸屬函數為：

(4)

根據上述3種隸屬度函數可以分別算出各個方案在每個評價指標的隸屬度，結果見表8。

表8 隸屬度表

這樣就決定了單因素評判矩陣：

4 模糊綜合評價

根據上述計算所得影響移動防洪墻選型各因素的權重及隸屬矩陣，采用加權平均型模糊合成算法，見公式(5)。

(5)

算出模糊綜合評判值B：B=WR=(0.701，0.783，0.607)

由計算結果可知，移動防洪墻的選型方案的優劣順序依次為：1.5m擋板的移動防洪墻系統最佳；1m擋板的移動防洪墻系統次之；3m擋板的移動防洪墻系統最差。由于3m擋板的移動防洪墻系統在靜液力作用下，最大的應力達到了14.41MPa，考慮作為防洪墻系統，安全系數為重中之重，保護人民的生命和財產安全是移動防洪墻存在的意義，所以一定要保證防洪墻系統的安全性，盡可能地提高安全系數。1m擋板的移動防洪墻系統的安全性足夠高，但它的構件較多，應急安裝時間較長，造價較高。在實際情況下運用移動防洪墻，需要保證在最短的時間讓防洪墻系統安裝到位，才能最大程度上減少危險的發生。1.5m擋板的移動防洪墻系統的最大應力值與1m擋板的移動防洪墻系統的最大應力值相差不大，同時造價和應急安裝時間也都適中，考慮以上因素，1.5m擋板的移動防洪墻系統是最優的型式。

5 結語

本文結合在城市內澇場景，設定了3種擋板跨度的移動防洪墻型式，通過運用ansys軟件對3種防洪墻型式進行有限元應力分析，同時又對不同型式防洪墻進行了應急安裝工時和經濟指標分析。最后基于層次分析法和模糊數據分析法結合有限元應力、應急安裝工時和經濟指標3種因素對3種型式移動防洪墻構建數學模型，得出1.5m擋板的移動防洪墻系統是最優的結論。本文在城市應用場景中考慮移動防洪墻的型式，科學合理地考慮時間、成本、安全3種關系，并通過數學模型找到平衡點，為移動防洪墻在實際應用中提供了理論依據。