村鎮(zhèn)住宅建筑防洪模型試驗結(jié)果分析

黃樹友,張錦光,任玉珊,尹志剛

(長春工程學(xué)院,長春 130012)

0 引言

隨著氣候環(huán)境的變化,極端天氣不斷增多,洪澇災(zāi)害時常發(fā)生,特別是隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化進程的發(fā)展,農(nóng)村住宅遭遇洪水破壞的損失也日趨加重。因此,有必要研究洪水作用下的現(xiàn)有村鎮(zhèn)住宅的破壞機理,并在此基礎(chǔ)上尋求切實可行的加固措施,提高村鎮(zhèn)住宅的抗洪能力。

1 村鎮(zhèn)住宅在洪水中的破壞機理

洪水對村鎮(zhèn)住宅建筑物的破壞,主要是因為村鎮(zhèn)住宅建筑物所受到的外力超過了建筑物本身所能承受的受力極限。洪水對村鎮(zhèn)住宅建筑物的作用力主要表現(xiàn)在:水流的動水壓力、水流的靜水壓力和水流的浸入力。這3種水流的作用力表現(xiàn)形式是相互作用的,力的出現(xiàn)時間和作用次序是有差別的。

在洪水爆發(fā)初期,村鎮(zhèn)住宅建筑物所受到的洪水作用力主要表現(xiàn)為洪水的動水壓力和水流的靜水壓力,此時村鎮(zhèn)住宅建筑物的迎水面所受到的壓力值最大,最大壓力可達兩者之和。對于脆性材料的村鎮(zhèn)住宅建筑物或建筑等級較低的村鎮(zhèn)住宅建筑物,此時最易因強度不足而遭到破壞。隨著村鎮(zhèn)住宅建筑物內(nèi)部進水,作用在墻體上的洪水靜水壓力逐漸減弱,此時作用在村鎮(zhèn)住宅建筑物四周的力主要表現(xiàn)為洪水的動水壓力。在洪水爆發(fā)的同時,洪水的浸入力開始慢慢加強,洪水進入村鎮(zhèn)住宅建筑物墻體內(nèi)部,特別是浸入村鎮(zhèn)住宅建筑物的基礎(chǔ)部位。浸入墻體內(nèi)部、基礎(chǔ)部位的水體與建筑材料發(fā)生作用,改變了膠體材料的力學(xué)性質(zhì),致使砌體之間黏結(jié)力降低或地基基礎(chǔ)發(fā)生變形,從而導(dǎo)致村鎮(zhèn)住宅建筑物破壞。

2 黏土砌體村鎮(zhèn)住宅房屋模型試驗成果與分析

針對農(nóng)村建筑物的實際情況,試驗中采用模型比尺λ1=1∶5的模型進行試驗,先對黏土砂漿砌體建筑物進行模型試驗。

村鎮(zhèn)住宅模型布置在長10m、寬3m、高1.2m的人工水槽中,試驗?zāi)Ｐ统叽绨磳嶋H房屋的尺寸大小,縮小至長×寬×高為180 cm×100 cm×60 cm的試驗?zāi)Ｐ?。試驗?按村鎮(zhèn)住宅建筑物在洪水中的最不利位置擺放,即村鎮(zhèn)住宅建筑物的最大墻面做為迎水面,墻面上距地面5 cm的高度處,按10 cm間距水平布置3排測壓設(shè)備。模型材料全部采用實際建造房屋的材料,模型砌體材料事先加工成長×寬×高為12 cm×6 cm×5 cm的模型模塊[1]。

試驗過程中流量用電磁流量計量測、水位用測針量測、時均壓力用測壓管量測、脈動壓力用壓力傳感器量測。

由于黏土的特性,特別是摻合砂子的黏土砂漿,在洪水的浸泡和沖擊下,黏土和沙粒很快分離,成為散粒體而失去黏土的黏結(jié)特性。

當(dāng)模型試驗單寬流量q=127 L/s時,整個試驗只進行了9′30″,黏土村鎮(zhèn)住宅建筑物模型墻體上第一塊砌體開始脫落,試驗進行了11′22″時,村鎮(zhèn)住宅模型建筑物的迎水面全部垮下,此種情況應(yīng)認為村鎮(zhèn)住宅模型建筑物已產(chǎn)生破壞。

從試驗?zāi)M現(xiàn)場和實地考察情況可以看出,在洪水的沖擊浸泡作用下,洪水將會對黏土砂漿砌體建筑物或黏土房屋建筑物造成直接沖擊破壞,分析破壞的原因如下:

(1)黏土砂漿建筑物在洪水中浸泡后,黏土砂漿開始松軟,失去黏結(jié)力,此時在水流的沖擊下,位于主流區(qū)和局部水流突變的部位,此處建筑物砌體縫間黏土砂漿最先被水流淘空沖走。黏土砂漿的流失,使建筑物砌體失去黏結(jié)力,部分砌體開始脫落,緊接著相連部位砌體發(fā)生脫落倒塌,進而帶動整個建筑物破壞。

(2)從試驗現(xiàn)場來看,黏土砂漿建筑物在洪水作用下的破壞主要是水下建筑部位的破壞,特別是位于主流區(qū)和局部水流突變部位的建筑物。為了保護黏土砂漿建筑物免遭洪水破壞,應(yīng)從保護建筑物基礎(chǔ)開始直至到洪水可能達到的墻體最大高度[2]。

3 加固措施與結(jié)果分析

針對黏土砂漿砌體村鎮(zhèn)住宅不抗洪水淘刷沖擊這一特點,采取下面3種加固方案[2—3]:

(1)黏土砂漿砌體,水泥漿勾縫;

(2)黏土砂漿砌體,水泥砂漿(1∶3)抹面;

(3)水泥砂漿(1∶3)砌體。

3.1 黏土砂漿砌墻,水泥漿勾縫

為了檢驗加固后的黏土砂漿砌體村鎮(zhèn)住宅模型抗沖效果,試驗中逐漸加大洪水單寬流量,當(dāng)單寬流量達到q=157.1 L/s時,采用水泥漿勾縫的村鎮(zhèn)住宅建筑模型,在迎水面墻體中開始出現(xiàn)裂縫,表明建筑物出現(xiàn)破壞情況。黏土砂漿砌體、水泥漿勾縫模型試驗流量、水深、瞬時最大流速對應(yīng)關(guān)系見表1,圖1為迎水面墻體中間部位和邊界部位的壓力變化趨勢圖[4]。僅從試驗結(jié)果上來看,對現(xiàn)有的黏土砂漿村鎮(zhèn)住宅采用這種方式加固,就可以在一定程度上增強建筑物的抗洪能力。

表1 黏土砂漿砌體、水泥漿勾縫模型試驗流量、水深、瞬時最大流速對應(yīng)表

村鎮(zhèn)住宅模型采用水泥漿勾縫這種防護措施后,雖說在一定程度上可以抵抗洪水的沖擊,但是采用這種加固措施的建筑物,不可以長時間浸泡在洪水中。主要是由于施工及其外界的因素,砌體水泥勾縫部位會出現(xiàn)不密實或脫落現(xiàn)象。此處墻體在洪水的浸泡下會出現(xiàn)塌落,進而引起建筑物的倒塌,這一點從村鎮(zhèn)住宅試驗?zāi)Ｐ推茐那闆r中可以看出。

圖1 方案1中迎水墻面特征點壓力與流量關(guān)系曲線圖

3.2 黏土砂漿砌體,水泥砂漿(1∶3)抹面

黏土砂漿砌體,采用水泥砂漿(1∶3)抹面加固的村鎮(zhèn)住宅試驗?zāi)Ｐ?在單寬流量超過q=157.1 L/s時,整個試驗?zāi)Ｐ蜎]有出現(xiàn)任何形式的破壞。黏土砂漿砌體、水泥砂漿(1∶3)抹面模型試驗流量、水深、瞬時最大流速對應(yīng)關(guān)系見表2,圖2為此種工況迎水面墻體中間部位和邊界部位的壓力變化趨勢圖[4]。

表2 黏土砂漿砌體、水泥砂漿抹面模型試驗流量、水深、瞬時最大流速對應(yīng)表

圖2 方案2中迎水墻面特征點壓力與流量關(guān)系曲線圖

從試驗過程及結(jié)果來看,對現(xiàn)有的黏土砂漿砌體的村鎮(zhèn)住宅建筑物,采用水泥砂漿抹面加固,建筑物能夠抵抗較大的洪水流量。但是在對砌體內(nèi)部觀察中可以看出,此時黏土砂漿已經(jīng)松軟,失去膠凝作用。墻體完全處在外層水泥砂漿的支承中,一旦水泥砂漿脫落,建筑物就可能倒塌。

村鎮(zhèn)住宅建筑物采用水泥砂漿抹面后,在一定程度上可以增強建筑物抗擊洪水浸泡沖擊的能力。一定時間內(nèi),只要建筑物的地基基礎(chǔ)在洪水的沖擊浸泡下不被破壞,建筑物本身就不會出現(xiàn)倒塌事故[5—6],但是這種加固措施,需要耗費大量的水泥,工程造價也會很高。這種加固措施在廣大農(nóng)村地區(qū),實際的應(yīng)用價值不是很大。

3.3 水泥砂漿砌體建筑

水泥砂漿砌體的村鎮(zhèn)住宅模型,由于模型建筑物的整體性較好,故它所能承受的洪水壓力會更大。在試驗單寬流量超過q=220.0 L/s時,試驗?zāi)Ｐ捅砻鏇]有出現(xiàn)任何破壞跡象,水泥砂漿砌體模型試驗流量、水深、瞬時最大流速對應(yīng)關(guān)系見表3,圖3為此種工況下迎水面墻體中間部位和邊界部位的壓力變化趨勢圖[4]。

表3 水泥砂漿砌體模型試驗流量、水深、瞬時最大流速對應(yīng)表

圖3 方案3中迎水面特征點壓力與流量關(guān)系曲線圖

采用水泥砂漿砌體的村鎮(zhèn)住宅建筑物模型,能夠很好地增強建筑物的強度,使它免遭洪水的沖擊破壞,此時建筑物能夠承受較大的單寬洪水流量,這一點從試驗中測得的數(shù)據(jù)可知。對于整體模型建筑物來說,只要模型建筑物的基礎(chǔ)在水流的浸泡沖擊下不被破壞,模型建筑物一般不會出現(xiàn)倒塌事故。但是,試驗中地基基礎(chǔ)和實際中建筑物基礎(chǔ)差別懸殊,試驗中的模型建筑是直接砌筑在水泥地面上的?，F(xiàn)實中的地基基礎(chǔ)千變?nèi)f化,施工中還會采取各種加固措施。即使這樣,地基基礎(chǔ)的變形破壞還是引起建筑物破壞的主要因素[5—6]。

4 結(jié)語

通過對村鎮(zhèn)住宅幾種工況下的模型試驗結(jié)果進行研究分析,說明了村鎮(zhèn)住宅建筑物在洪水作用下的破壞主要是由建筑物本身在水下部位的破壞引起的,尤其是建筑物地基基礎(chǔ)部位的破壞。根據(jù)目前廣大農(nóng)村的實際情況,在對現(xiàn)有的村鎮(zhèn)住宅進行加固的過程中,應(yīng)對建筑物基礎(chǔ)部位和洪水可能達到建筑物的高度部位進行重點加固;在對改造中的村鎮(zhèn)住宅,可以利用水硬性的膠凝材料,以提高建筑物的整體防洪能力[7]。

[1]SL 155—95,水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程[S].

[2]葛學(xué)禮,王開順.皖西村鎮(zhèn)房屋防洪能力分析及改進措施[J].建筑科學(xué),1991(4):47-48.

[3]葛學(xué)禮,朱立新.自然災(zāi)害對村鎮(zhèn)建筑的破壞與防御[J].中國減災(zāi),2001,11(1):38-42.

[4]鐘桂輝,劉曙光.村鎮(zhèn)住宅遭遇洪水的壓力試驗研究[J].城市道橋與防洪,2008,12:92-95.

[5]崔青海,田立暄.松花江1998年大洪水及洪澇災(zāi)情[J].東北水利水電,2000,18(186):41-43.

[6]Birkmann J.Risk and vulnerabiltiy indicators at different scales:app licability,usefulness and policy imp lications[J].Environmental Hazards,2007,7(1):20-31.

[7]韓風(fēng).中國村鎮(zhèn)住宅安全能力、安全規(guī)劃與保障機制研究[J].理論界,2009,8:207-208.