注水式城市應(yīng)急防洪箱擋水受力特性分析

王小東，趙 君，徐進(jìn)超，陳擎宇，高英倩

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044；3.江蘇省水利防汛物資儲(chǔ)備中心，江蘇 南京 210029；4.泰州思百瑞水務(wù)有限公司，江蘇 泰州 225000）

1 概 述

近年來(lái)，暴雨洪澇災(zāi)害的突發(fā)性、極端性、反常性愈發(fā)顯著，對(duì)生產(chǎn)生活和防洪安全造成極大影響［1］。隨著經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，城市防洪領(lǐng)域?qū)Ψ篮閾岆U(xiǎn)新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用需求日益增長(zhǎng)［2］。本文針對(duì)一種高分子材質(zhì)的防汛應(yīng)急搶險(xiǎn)新裝備——注水式城市應(yīng)急防洪箱的擋水特性開(kāi)展了研究。防洪箱在使用時(shí)只需將相鄰防洪箱搭接，同時(shí)向箱體內(nèi)注水，即可快速構(gòu)筑擋水子堤，實(shí)現(xiàn)有效擋水，單層箱體擋水高度約0.5 m，每個(gè)防洪箱左右兩側(cè)均設(shè)有專(zhuān)用連接系統(tǒng)，底部設(shè)有止水系統(tǒng)。該裝備具有輕巧便捷、組裝靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、耐久性好、綠色環(huán)保、可重復(fù)使用等顯著優(yōu)點(diǎn)，能較好地適用于汛期平原河網(wǎng)地區(qū)城市內(nèi)澇搶險(xiǎn)等場(chǎng)景。

2 受力分析

在擋水過(guò)程中，注水式防洪箱的尺寸和受力可簡(jiǎn)化為圖1所示的情形。圖1（a）中，h1為注入水深，h2為擋水高度，B為箱體寬度；圖1（b）中，f為箱體所受的摩擦力，N為地面對(duì)箱體的支持力，F(xiàn)為水體對(duì)箱體的推力。

假定箱體斷面為矩形，由受力平衡可知，為保證擋水效果應(yīng)滿足：

式中：h1為注入水深；h2為擋水高度；ρ為水體密度；g為重力加速度；μ為摩擦系數(shù)；B為箱體寬度。

擋水高度與其他參數(shù)的關(guān)系應(yīng)滿足：

假定摩擦系數(shù)為一定值，防洪箱寬度為0.5 m，則可由上式計(jì)算不同箱體內(nèi)注水高度h1下的擋水高度h2。不同摩擦系數(shù)下最大擋水高度與注水深度關(guān)系見(jiàn)圖2，由圖2可知，在同一注水深度下，摩擦系數(shù)越大，擋水高度越大。

3 防洪箱受力特性

為論證防洪箱在不同擋水高度和不同流速下的結(jié)構(gòu)受力特性，采用有限元分析方法，基于Ansys Mechanical 軟件［3］，對(duì)防洪箱在不同擋水高度條件下的應(yīng)力、應(yīng)變和變形等特性進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。選取防洪箱的長(zhǎng)×寬×高（L×B×H）分別為900 mm×650 mm×600 mm。在計(jì)算過(guò)程中，假定防洪箱未發(fā)生滑動(dòng)，即底部始終與地面保持緊貼狀態(tài)，箱體內(nèi)灌水深度為0.4 m，迎水面擋水高度為0.1~0.4 m，水流流速保持2.0 m/s。其中，水流產(chǎn)生的動(dòng)水壓力采用動(dòng)量定理進(jìn)行計(jì)算［4］。

為保障計(jì)算精度，模型采用5 mm 的網(wǎng)格對(duì)防洪箱進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量為144 568個(gè)（見(jiàn)圖3）。

計(jì)算所得不同擋水高度下防洪箱的結(jié)構(gòu)受力特性見(jiàn)表1及圖4~6。由此可知，隨著擋水高度的逐漸增大，箱體所承受的最大應(yīng)力、應(yīng)變和變形均先減小后增大。水深為0.1 m 時(shí)，箱體內(nèi)靜水壓力大于箱外水壓力，最大應(yīng)力發(fā)生在迎水面底部，為15.91 MPa；最大變形發(fā)生在迎水面中部，為1.62 cm。隨著擋水高度增加，箱體內(nèi)外水壓力達(dá)到一定平衡，最大應(yīng)力和變形均有所減小。當(dāng)擋水高度大于0.3 m 后，箱體外水壓力大于箱體內(nèi)靜水壓力。擋水高度為0.4 m時(shí)，箱體最大應(yīng)力為14.77 MPa，最大應(yīng)力也發(fā)生在迎水面底部；最大變形為2.05 cm，位于迎水面中部。

表1 不同擋水高度下的受力特性

圖4 不同擋水高度下箱體最大變形

圖5 不同擋水高度下箱體最大應(yīng)力

圖6 不同擋水高度下箱體最大應(yīng)變

研究表明，防洪箱隨著擋水高度的變化，其應(yīng)力集中部位均發(fā)生在迎水面底部，最大變形發(fā)生于迎水面中部。因此，在防洪箱的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮迎水面強(qiáng)度，使其滿足擋水要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

注水式城市應(yīng)急防洪箱是一款高分子材質(zhì)的防汛應(yīng)急搶險(xiǎn)新裝備，具有輕巧便捷、組裝靈活、綠色環(huán)保、適應(yīng)性強(qiáng)、耐久性好、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，在城市防汛應(yīng)急搶險(xiǎn)過(guò)程中的應(yīng)用前景廣闊。為研究其擋水穩(wěn)定及受力特性，本文采用理論分析和有限元計(jì)算等手段對(duì)其進(jìn)行分析，提出了防洪箱的擋水穩(wěn)定條件，同時(shí)采用有限元計(jì)算方法對(duì)其在不同擋水高度條件下箱體最大應(yīng)力、應(yīng)變和變形特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明防洪箱最大應(yīng)力位于迎水面底部，最大變形發(fā)生在迎水面中部。相關(guān)研究成果為注水式城市應(yīng)急防洪箱的結(jié)構(gòu)和體型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。