山區(qū)洪水對(duì)下游房屋沖擊特性的試驗(yàn)研究

鄭涵午，黃 爾，路 信，羅 銘，丁 銳

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

0 引 言

洪水災(zāi)害自古以來(lái)是制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。山區(qū)洪水由上游暴雨或山體滑坡、潰壩等因素造成，原河道內(nèi)水量激增，沿坡度較陡的河道迅速?zèng)_泄至下游，對(duì)下游地區(qū)的人身安全、財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境等方面會(huì)造成嚴(yán)重的威脅[1-3]。

洪水對(duì)下游建筑物產(chǎn)生破壞作用，前人針對(duì)建筑物受水流各方面影響做過(guò)相關(guān)研究。林鳳習(xí)、任曉麗[4]通過(guò)水槽試驗(yàn)研究周期波浪對(duì)建筑物的沖擊特性；吳安杰等[5]采用ANSYS - CFX對(duì)洪水沖擊不同尺寸橋墩過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析洪水沖擊效應(yīng)以及流固耦合效應(yīng)與潰壩水流的關(guān)系；陳洪凱等[6]針對(duì)山洪流體對(duì)路基不同點(diǎn)位的沖擊力大小和分布規(guī)律進(jìn)行研究；肖詩(shī)云[7]根據(jù)圣維南方程推導(dǎo)一維洪水演進(jìn)模型，與一元非恒定流能量方程結(jié)合推導(dǎo)沖擊荷載計(jì)算公式，由計(jì)算公式得房屋下部受水流荷載最大；孫云飛[8]利用數(shù)值模擬對(duì)下游建筑物破壞進(jìn)行分析；肖詩(shī)云[9]通過(guò)試驗(yàn)分析水流對(duì)開(kāi)洞房屋的沖擊作用。上述針對(duì)水流荷載展開(kāi)的相關(guān)研究，表明上游洪水對(duì)下游建筑物的安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。但目前針對(duì)山區(qū)洪水對(duì)下游房屋沖擊特性的試驗(yàn)研究相對(duì)較少。

本文主要根據(jù)山區(qū)洪水水面比降較陡的性質(zhì)，采用物理模型試驗(yàn)，研究洪水在不同蓄水深度、房屋模型距潰口距離以及坡度為9%的水槽條件下對(duì)房屋模型的沖擊特性，主要針對(duì)房屋模型受力的時(shí)空變化特征、迎流面水位變化進(jìn)行相關(guān)分析。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

本文模型試驗(yàn)主要涉及設(shè)備：①玻璃水槽。水槽長(zhǎng)10 m、寬1 m、高0.5 m，坡降9%；②蓄水擋板；③星儀CYYZ31防水型壓力傳感器(6個(gè))；④YWH200-DXX型數(shù)字波高儀。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)大廳的水槽內(nèi)進(jìn)行，在水槽上游段固定一塊擋板，擋板與槽底以螺栓連接，可繞螺栓翻轉(zhuǎn)，擋板頂部設(shè)置一鋼條固定，在擋板與水槽間隙處抹上固體膠防止蓄水時(shí)流體溢漏。由水泵引水至上游蓄水段，待水深蓄至指定高度，關(guān)閉水泵，轉(zhuǎn)動(dòng)鋼條使擋板頂部自由，擋板在水壓作用下繞螺栓翻轉(zhuǎn)，水流傾瀉，以此模擬一次洪水作用。在水槽下游距擋板一定距離處設(shè)置房屋模型，在模型迎流面處設(shè)置6個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)量各位置的壓力過(guò)程線，模型中間位置垂向布置波高儀，以此觀測(cè)水深變化。在9%的坡度條件下，以房屋模型受到上游發(fā)展穩(wěn)定的水流作用為一次山區(qū)洪水作用。試驗(yàn)整體布置圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)整體布置圖

本試驗(yàn)房屋模型由有機(jī)玻璃制作，房屋模型長(zhǎng)為0.6 m、寬0.4 m、高0.3 m、墻體厚0.02 m。房屋模型迎流面不設(shè)置開(kāi)洞。

本次試驗(yàn)的主要目的是研究山區(qū)洪水對(duì)房屋的沖擊荷載作用，分析各工況下，房屋所受的沖擊力的特性及差異。洪水來(lái)臨時(shí)，房屋迎流面最先受到?jīng)_擊，也是最容易受損的部位，玻璃水槽及概化的建筑物模型均為對(duì)稱設(shè)計(jì)，壓力傳感器僅安裝在模型迎流面左側(cè)，為便于分析房屋迎流面上壓力的二維變化特征，壓力測(cè)點(diǎn)主要沿橫向和縱向布置，在房屋迎流面上布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 壓力測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

為研究不同流量、不同發(fā)展時(shí)間條件下洪水的沖擊作用，取變量蓄水深度h、房屋模型距潰口距離L，對(duì)房屋模型的沖擊荷載作用以及對(duì)應(yīng)的水位雍高變化進(jìn)行測(cè)量，考慮模型場(chǎng)地等因素的制約，即在水槽高度為0.5 m，長(zhǎng)度為10 m以及各試驗(yàn)裝置的布置位置的限制條件下，h取0.3、0.4、0.5 m來(lái)模擬3種不同強(qiáng)度的洪水，各蓄水高度情況可由一維圣維南方程的經(jīng)典Ritter解[10]計(jì)算轉(zhuǎn)化為瞬間全潰情況下的初始流量，計(jì)算公式如式(1)所示。L取2、2.5、3 m，L在2～3 m的取值用于驗(yàn)證水流是否發(fā)展穩(wěn)定。共設(shè)置9組試驗(yàn)，各工況如表1所示。每個(gè)工況做五組試驗(yàn)，取其平均值作為分析數(shù)據(jù)。

表1 試驗(yàn)方案布置

(1)

式中：Q為流量，m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為蓄水深度，m；B為水槽寬度，m。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

該物理模型研究了在河道坡降一定的條件下，蓄水深度和房屋模型距潰口距離不同條件下洪水對(duì)房屋模型迎流面的沖擊特性，由迎流面的壓傳感器和波高儀分別得各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓強(qiáng)歷時(shí)曲線和建筑物中心線上的水深變化。

2.1 迎流面水位變化分析

模型試驗(yàn)中，在房屋模型迎流面中心布置波高儀來(lái)測(cè)量水深，以水槽槽底為0點(diǎn)記錄水位變化。圖3所示坡降為9%，距潰口距離L=2 m，h=0.3，0.4，0.5 m情況下的水位變化圖。

圖3 迎流面中心水位歷時(shí)曲線

由圖3所示，迎流面中心水位隨著蓄水深度的增加而增加，且呈現(xiàn)先迅速增大后緩慢減小的趨勢(shì)。水流沖擊壁面后，壁面迫使水流沿壁面向上運(yùn)動(dòng)及兩側(cè)繞流，壁面水位急劇增加，沿壁面向上運(yùn)動(dòng)水流流速減至0后，開(kāi)始回落并與來(lái)流相互混摻形成壅水，來(lái)流減小后形成模型的退水段。

2.2 動(dòng)壓強(qiáng)歷時(shí)曲線

試驗(yàn)中在建筑物迎流面布置了壓力傳感器來(lái)記錄不同工況下各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓強(qiáng)歷時(shí)曲線。以壓強(qiáng)開(kāi)始變化點(diǎn)為0時(shí)刻記錄各測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓強(qiáng)變化特性。圖4為測(cè)點(diǎn)6在h=0.3、0.4、0.5 m時(shí)，L=2、2.5、3 m條件下動(dòng)壓強(qiáng)歷時(shí)曲線。

如圖4所示，隨L的增加，測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)歷時(shí)曲線基本保持不變。該現(xiàn)象表明房屋模型在L=2、2.5、3 m三處位置所受固定蓄水高度條件下的水流沖擊情況基本相同，水流在距潰口2 m處位置已基本發(fā)展穩(wěn)定。在2 m處的試驗(yàn)結(jié)果可用于表征各工況下的水流沖擊特性。

圖4 測(cè)點(diǎn)6隨距潰口距離改變時(shí)動(dòng)壓強(qiáng)歷時(shí)曲線

圖5為測(cè)點(diǎn)3、6在L=2 m，h=0.3、0.4、0.5 m條件下動(dòng)壓強(qiáng)歷時(shí)曲線。

圖5 測(cè)點(diǎn)3、6動(dòng)壓強(qiáng)歷時(shí)曲線

由圖5所示，隨著蓄水深度增加，測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)6都分別呈現(xiàn)壓強(qiáng)增大的趨勢(shì)。測(cè)點(diǎn)6在受水流沖擊作用后，短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)明顯的峰荷載現(xiàn)象，距壓強(qiáng)開(kāi)始變化后的0.75s達(dá)到最大值，壓強(qiáng)歷時(shí)曲線在初始時(shí)刻存在突增的現(xiàn)象，在蓄水深度為0.4和0.5 m的情況下壓強(qiáng)歷時(shí)曲線存在突降現(xiàn)象，而蓄水深度為0.3 m情況下壓強(qiáng)歷時(shí)曲線不存在突降現(xiàn)象；相比之下，測(cè)點(diǎn)3壓強(qiáng)開(kāi)始變化后緩慢增加至峰值，荷載發(fā)展至距壓強(qiáng)開(kāi)始變化后的2s左右達(dá)到最大值，整體荷載變化相對(duì)測(cè)點(diǎn)6較為平穩(wěn)，峰荷載變化不呈現(xiàn)突增突降現(xiàn)象。

造成測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)6動(dòng)壓強(qiáng)歷時(shí)曲線差異性的原因在于房屋壁面上受到洪水作用形式的不同，測(cè)點(diǎn)6布置于房屋下側(cè)，受水流直接沖擊作用明顯，流速在壁面突降為0，流速水頭在除去水頭損失之外轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)水頭，在該水槽坡度及蓄水深度條件下水流流速較大，從而造成房屋下側(cè)壁面壓強(qiáng)在短時(shí)間內(nèi)急劇增加至最大值；測(cè)點(diǎn)3布置于房屋上側(cè)，水流在沖擊房屋下側(cè)后，垂直于壁面流速減至0，并產(chǎn)生沿壁面向上的流速，同時(shí)水位壅高，影響至測(cè)點(diǎn)3壓強(qiáng)，其不直接受水流沖擊作用，不產(chǎn)生壓強(qiáng)突變現(xiàn)象。

測(cè)點(diǎn)6在蓄水深度為0.4及0.5與0.3 m條件下壓強(qiáng)歷時(shí)曲線在水流沖擊下突增突降性存在差異。該差異的原因是蓄水深度0.4及0.5 m條件下水流沖擊荷載較大，而房屋模型迎流面壅水造成的壓強(qiáng)值相對(duì)較小。房屋模型迎流面受來(lái)流沖擊后，迎流面處產(chǎn)生一定壅水，其將對(duì)測(cè)點(diǎn)6壓強(qiáng)值產(chǎn)生貢獻(xiàn)。當(dāng)這部分壓強(qiáng)大小不足以替代初始沖擊產(chǎn)生的沖擊荷載大小時(shí)，房屋壓強(qiáng)歷時(shí)曲線會(huì)產(chǎn)生突降段，如蓄水深度為0.4 m及0.5 m條件下測(cè)點(diǎn)6的壓強(qiáng)歷時(shí)曲線所示。而當(dāng)這部分壓強(qiáng)大小與初始沖擊荷載大小相近時(shí)，初始沖擊產(chǎn)生壓強(qiáng)突增后，壓強(qiáng)降低段將呈現(xiàn)一個(gè)較平穩(wěn)的過(guò)程，如蓄水深度為0.3 m條件下壓強(qiáng)歷時(shí)曲線所示。

2.3 迎流面壓強(qiáng)峰值分布規(guī)律

洪水沖擊房屋時(shí)，由于迎流面淹沒(méi)水深及流速的影響，其水平方向和垂直方向的動(dòng)水壓強(qiáng)峰值有很大的差異。為了研究建筑物迎流面動(dòng)水壓強(qiáng)分布規(guī)律，本文選取水平方向壓力測(cè)點(diǎn)1、2、3、4；垂直方向壓力測(cè)點(diǎn)3、5、6共6個(gè)測(cè)點(diǎn)作壓強(qiáng)峰值分布圖。圖4(a)、(b)、(c)橫坐標(biāo)以測(cè)點(diǎn)1為原點(diǎn)，橫坐標(biāo)表示各測(cè)點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)1的水平距離；(d)、(e)、(f)橫坐標(biāo)以測(cè)點(diǎn)6為原點(diǎn)，橫坐標(biāo)表示各測(cè)點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)6的垂直距離。

由圖6(a)、(b)、(c)，建筑物中間位置所受荷載最大，以水平向向兩側(cè)遞減，由于房屋布置為一繞流物體，水流由房屋兩側(cè)向下游泄流，當(dāng)壁面壅高水位時(shí)，壅高水體從兩側(cè)泄流從而壁面水位由中心位置向兩側(cè)存在一定程度的降低，造成壓強(qiáng)降低。圖6(d)、(e)、(f)所示，房屋迎流面下部所受峰值荷載最大，向上遞減。沿房屋壁面向上，測(cè)點(diǎn)所受初始水流沖擊作用效果越不明顯，壓強(qiáng)峰值依賴壁面壅水，房屋下部受流速水頭影響較大，在該蓄水深度及坡度9%條件下水流流速較大，使其下部測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)峰值較受壅水作用產(chǎn)生的壓強(qiáng)要大。蓄水深度越大，各測(cè)點(diǎn)峰值荷載越大，其對(duì)建筑物迎流面荷載分布趨勢(shì)基本無(wú)影響。

圖6 壓強(qiáng)峰值分布圖

2.4 水位、壓強(qiáng)變化關(guān)系

為了更明顯地分析壓強(qiáng)與水位的變化關(guān)系，將不同工況下模型迎流面中心水位歷時(shí)曲線和測(cè)點(diǎn)3、6壓強(qiáng)歷時(shí)曲線進(jìn)行比較，如圖7所示。圖7為測(cè)點(diǎn)3、6在L=2 m情況下各蓄水深度對(duì)應(yīng)的水位、壓強(qiáng)對(duì)比圖，左側(cè)縱坐標(biāo)為壓強(qiáng)，右側(cè)縱坐標(biāo)為水位，橫坐標(biāo)為時(shí)間。由于試驗(yàn)設(shè)備的局限，水位變化的起點(diǎn)和壓強(qiáng)變化的起點(diǎn)難以做到時(shí)間上的同步，本文假定水位變化的起點(diǎn)為波高儀測(cè)得水位剛好到達(dá)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻，壓強(qiáng)變化的起點(diǎn)為壓強(qiáng)開(kāi)始增加的時(shí)刻點(diǎn)。

圖7 水位、壓強(qiáng)歷時(shí)曲線

圖7(a)、(b)、(c)分別為測(cè)點(diǎn)3在蓄水深度為0.3、0.4、0.5 m時(shí)對(duì)應(yīng)的水位壓強(qiáng)歷時(shí)曲線。測(cè)點(diǎn)3的壓強(qiáng)基本隨水位升高而增加，但壓強(qiáng)峰值相對(duì)水位峰值存在時(shí)間上的滯后效應(yīng)。圖7(d)、(e)、(f)分別為測(cè)點(diǎn)6在h=0.3、0.4、0.5 m時(shí)對(duì)應(yīng)的水位壓強(qiáng)歷時(shí)曲線。測(cè)點(diǎn)6的水位壓強(qiáng)呈現(xiàn)較好的匹配關(guān)系，壓強(qiáng)隨水位變化而變化并呈同增同減趨勢(shì)，水位最高點(diǎn)與壓強(qiáng)最大值發(fā)生時(shí)間一致。

該實(shí)測(cè)水位變化過(guò)程再次闡釋前述不同測(cè)點(diǎn)位置的壓強(qiáng)峰值，初始水流受壁面作用向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，流速水頭在房屋下部轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)水頭，短時(shí)間內(nèi)雖然水深達(dá)到上部測(cè)點(diǎn)之上，但該段水流處于破碎狀態(tài)，難以對(duì)上部測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于該水深情況下的壓強(qiáng)值，隨后一段時(shí)間雖然測(cè)得水位有小幅度的降低，但有效水深逐漸增加并且水流趨于穩(wěn)定，房屋上部測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)逐步增加至峰值。

2.5 壓強(qiáng)概化分析

房屋模型壁面垂直方向各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)具有明顯的特征性，房屋下部測(cè)點(diǎn)6壓強(qiáng)在測(cè)量時(shí)段范圍內(nèi)均大于上部測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)，來(lái)流一定情況下房屋下部容易受洪水沖擊破壞，因此，針對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行壓強(qiáng)概化分析，可作壓強(qiáng)概化歷時(shí)曲線，見(jiàn)圖8。

圖8 測(cè)點(diǎn)6壓強(qiáng)概化曲線

如圖8所示，房屋下部測(cè)點(diǎn)受水流沖擊時(shí)，壓強(qiáng)在0～t1段急劇增加至最大值。在t1～t2段壓強(qiáng)減小，根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該段只存在于流速水頭十分大的情況，即初始流速水頭大于后期壅水作用時(shí)，存在該段壓強(qiáng)降低段；t2～t3段為一壓強(qiáng)穩(wěn)定曲線，該段時(shí)長(zhǎng)取決于來(lái)流及過(guò)流量，t3段之后為一退水段曲線，該次洪水過(guò)程線進(jìn)入退水過(guò)程，來(lái)流量減小，壁面原始壅水開(kāi)始下降，壓強(qiáng)降低。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以坡度為9%的水槽中發(fā)展的穩(wěn)定水流為一次山區(qū)洪水來(lái)流，研究其對(duì)房屋模型的作用機(jī)制。根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)房屋迎流面中心下部受壓強(qiáng)最大，且峰值出現(xiàn)早，通過(guò)對(duì)初始水流沖擊迎流面后的各階段水流作用機(jī)制進(jìn)行分析得出：房屋下部受水流沖擊影響較大，水流流速較大時(shí)容易在初始時(shí)刻產(chǎn)生峰值點(diǎn)，而上部主要受迎流面壅水作用影響，峰值出現(xiàn)較晚。由此可對(duì)迎流面下部壓強(qiáng)進(jìn)行概化，用于分析其壓強(qiáng)變化。