移動(dòng)式防洪墻擋水變形原型試驗(yàn)研究

王忠權(quán)，毛肖鈺

(1.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計(jì)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(dòng)防洪技術(shù)中，荷蘭馬仕朗防風(fēng)暴大壩久負(fù)勝名[1]，但其技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)高。而移動(dòng)防洪墻技術(shù)是通過安裝可拆卸的擋水墻體抵御洪水，主要解決現(xiàn)狀堤防防洪高度不足及堤防高度與景觀生態(tài)不協(xié)調(diào)問題，是一項(xiàng)快速提升城市防洪能力而造價(jià)適中的技術(shù)。

我國南方大多數(shù)城市防洪工程具有了一定防洪能力，但隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，許多城市防洪標(biāo)準(zhǔn)仍落后于經(jīng)濟(jì)發(fā)展。鑒于城市人口、經(jīng)濟(jì)集聚，防洪工程建設(shè)中土地、房屋拆遷與安置等成本較大，導(dǎo)致許多城市防洪堤工程建設(shè)代價(jià)巨大乃至短期無法上馬。利用移動(dòng)防洪墻技術(shù)構(gòu)建新型防洪系統(tǒng)是一些國外發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較為廣泛的新技術(shù)[2]，對(duì)重要公共服務(wù)可修筑擋水墻等防澇工程設(shè)施[3]，把城市融入生態(tài)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(shí)也有利河道景觀構(gòu)造與滿足人們親水需要，如何針對(duì)我國南方城市特點(diǎn)在我國南方研究推廣應(yīng)用移動(dòng)防洪墻技術(shù)，具有十分重要的意義。鐘旭陽[5]對(duì)倉儲(chǔ)選址進(jìn)行了研究，汪倫焰等[6]對(duì)應(yīng)急安裝進(jìn)行了仿真研究，范力陽等[7]亦進(jìn)行了三維有限元模擬，陳鶴林[8]對(duì)施工工藝和應(yīng)用進(jìn)行了分析，姚明星等[9]提出構(gòu)件承載力的計(jì)算方法。

2 研究目的

針對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)防洪墻的技術(shù)特點(diǎn)，擬通過試驗(yàn)，研究移動(dòng)防洪墻的防水性能，提出防水密封結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)，分析不同的擋水高度的受力性能，提出各種結(jié)構(gòu)的適用性，在結(jié)構(gòu)安全的前提下做到輕便、快捷安裝。

裝配式移動(dòng)防洪墻由疊梁板、立柱、支撐、止水橡膠、壓緊裝置、基礎(chǔ)及預(yù)埋件組成。如圖1所示。

圖1 移動(dòng)式防洪墻擋水示意圖

本次原型試驗(yàn)選址錢塘江三堡原錢塘江應(yīng)急中心內(nèi)，設(shè)置了左、中、右3個(gè)試驗(yàn)區(qū)。振弦式應(yīng)變計(jì)輸出信息不受導(dǎo)線長度影響，靈敏度和穩(wěn)定性也較好[10]，本次應(yīng)變監(jiān)測采用振弦表面應(yīng)變計(jì)。

3 試驗(yàn)情況

3.1 左試驗(yàn)區(qū)變形試驗(yàn)(1.6m高)

試驗(yàn)現(xiàn)場設(shè)4跨移動(dòng)防洪墻，每跨2m，擋板規(guī)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(shè)橡膠條，柱頂采用螺栓豎向壓緊擋板，試驗(yàn)過程注水至墻頂，試驗(yàn)完成后未發(fā)現(xiàn)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(yàn)區(qū)立柱(1.6m)的位移

3.2 右試驗(yàn)區(qū)變形試驗(yàn)(1.6m高)

試驗(yàn)的跨數(shù)、跨徑、擋板規(guī)格同左試驗(yàn)區(qū)，立柱調(diào)整為H型鋼Hw100×100。每根擋板底部和立柱底部均設(shè)橡膠條，柱頂采用推拉式夾具豎向壓緊疊梁板，在臨水側(cè)采用螺栓+扁鋼側(cè)向壓緊疊梁板，試驗(yàn)過程注水至墻頂，試驗(yàn)完成后未發(fā)現(xiàn)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(yàn)區(qū)立柱(1.6m)的位移

3.3 左試驗(yàn)區(qū)變形試驗(yàn)(2.0m高)

試驗(yàn)的跨數(shù)、跨徑、擋板與左試驗(yàn)區(qū)1.6m試驗(yàn)相同，但高度調(diào)整為2m，柱頂采用推拉式夾具，臨水側(cè)采用螺栓+槽鋼側(cè)向壓緊疊梁板。每根擋板底部和立柱底部均設(shè)橡膠條，柱頂采用螺栓豎向壓緊擋板，試驗(yàn)過程注水至墻頂，試驗(yàn)完成后未發(fā)現(xiàn)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(yàn)區(qū)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(zhǔn)線間距的變化并減去板左右側(cè)側(cè)止水橡膠壓縮量計(jì)算其位移，其結(jié)果見表4。

表4 不同水深左試驗(yàn)區(qū)底部擋板的位移

3.4 中試驗(yàn)區(qū)變形試驗(yàn)(1.6m高)

試驗(yàn)設(shè)3跨，跨徑、擋板、高度與左試驗(yàn)區(qū)1.6m相同，立柱調(diào)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(cè)采用螺栓+槽鋼側(cè)向壓緊疊梁板。每根擋板底部和立柱底部均設(shè)橡膠條，柱頂采用螺栓豎向壓緊擋板，試驗(yàn)過程注水至墻頂，試驗(yàn)完成后未發(fā)現(xiàn)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(yīng)變監(jiān)測成果見表6。

表5 滿水時(shí)中試驗(yàn)區(qū)立柱(1.6m)的位移

表6 立柱應(yīng)變監(jiān)測成果 單位：MPa

3.5 中試驗(yàn)區(qū)變形試驗(yàn)(1.6m高，動(dòng)水)

試驗(yàn)方案與3.4相同，采用掛槳機(jī)模擬造浪。

由于模擬造浪形成的波浪形態(tài)不穩(wěn)定，水位變動(dòng)也較大，具體量化指標(biāo)無法監(jiān)測。通過觀察和初步測量，動(dòng)水試驗(yàn)下未對(duì)移動(dòng)防洪墻產(chǎn)生明顯的位移或破壞。

3.6 中試驗(yàn)區(qū)變形試驗(yàn)(3.0m高)

試驗(yàn)設(shè)3跨移動(dòng)防洪墻，每跨2m，擋板規(guī)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(cè)采用螺栓+槽鋼側(cè)向壓緊疊梁板。每根擋板底部和立柱底部均設(shè)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(dá)2.4m時(shí)，立柱產(chǎn)生明顯位移；擋水高度達(dá)到達(dá)2.9m時(shí)，支撐桿破壞，柱腳臨水側(cè)受拉破壞。采用50×50×4方管作為支撐，擋水高度2.9m以下時(shí)，立柱無明顯位移；擋水高度達(dá)到達(dá)2.9m時(shí)，支撐桿瞬間破壞，柱腳臨水側(cè)受拉破壞。

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

表7 滿水時(shí)中試驗(yàn)區(qū)立柱(3.0m)的位移

4 理論分析

4.1 左試驗(yàn)區(qū)分析(1.6m高)

采用Simulation有限元分析軟件進(jìn)行分析，計(jì)算得立柱最大應(yīng)力439MPa，大于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215MPa[11]，主要在柱腳螺栓孔周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中；最大位移值為4.3mm，變形比為1/372。

4.2 右試驗(yàn)區(qū)分析(1.6m高)

計(jì)算得立柱最大應(yīng)力950MPa，大于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215MPa，主要在柱腳連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中；最大位移值為17mm，變形比為1/94。

當(dāng)下不及細(xì)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(yàn)區(qū)分析(2.0m高)

計(jì)算得立柱最大應(yīng)力933.7MPa，大于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215MPa，主要在柱腳和加勁肋上產(chǎn)生應(yīng)力集中；最大位移值為16.1mm，變形比為1/124。計(jì)算得疊梁板最大應(yīng)力252.16MPa，大于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值90MPa[12]，主要在疊梁板兩端產(chǎn)生應(yīng)力集中；最大位移值為5.23mm，變形比為1/382。

4.4 中試驗(yàn)區(qū)分析(1.6m高)

計(jì)算得立柱最大應(yīng)力602.27MPa，大于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215MPa，主要在柱腳和加勁肋上產(chǎn)生應(yīng)力集中，鋁合金柱身最大應(yīng)力70MPa，小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值90MPa；最大位移值為6.6mm，變形比為1/242。

4.5 中試驗(yàn)區(qū)分析(3.0m高)

結(jié)合理論公式計(jì)算，得應(yīng)力有限元計(jì)算值、理論公式計(jì)算值及實(shí)測值見表8。

表8 應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值 單位：MPa

采用SM SOLVER軟件分析該結(jié)構(gòu)各部件的受力，支撐桿計(jì)算成果見表9。

表9 支撐桿計(jì)算成果

鋁合金柱身抗彎強(qiáng)度25.38MPa，抗剪強(qiáng)度66.84MPa，30×50×4和50×50×4兩種支撐桿穩(wěn)定強(qiáng)度不足，會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

5 結(jié)論

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

(2)受整體變形協(xié)調(diào)影響，移動(dòng)式防洪墻應(yīng)力實(shí)測值小于理論計(jì)算值。

(3)受支撐桿生產(chǎn)精度、支撐桿和立柱不在同一受力面等影響，設(shè)有支撐的移動(dòng)式防洪墻在支撐桿上的應(yīng)力實(shí)測值可能大于理論計(jì)算值；試驗(yàn)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(yīng)力明顯大于擋板，因此，在移動(dòng)防洪墻的設(shè)計(jì)中要強(qiáng)化立柱和支撐桿結(jié)構(gòu)。

(4)增設(shè)支撐桿可明顯降低立柱變形，為方便結(jié)構(gòu)安裝，減輕構(gòu)件重量，建議墻高超過1.6m時(shí)增設(shè)支撐桿。

(5)鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值明顯高于鋁合金的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，建議在條件允許時(shí)采用鋼結(jié)構(gòu)立柱以減少造價(jià)。