村镇住宅建筑防洪模型试验结果分析

黄树友,张锦光,任玉珊,尹志刚

(长春工程学院,长春 130012)

0 引言

随着气候环境的变化,极端天气不断增多,洪涝灾害时常发生,特别是随着农村城镇化进程的发展,农村住宅遭遇洪水破坏的损失也日趋加重。因此,有必要研究洪水作用下的现有村镇住宅的破坏机理,并在此基础上寻求切实可行的加固措施,提高村镇住宅的抗洪能力。

1 村镇住宅在洪水中的破坏机理

洪水对村镇住宅建筑物的破坏,主要是因为村镇住宅建筑物所受到的外力超过了建筑物本身所能承受的受力极限。洪水对村镇住宅建筑物的作用力主要表现在:水流的动水压力、水流的静水压力和水流的浸入力。这3种水流的作用力表现形式是相互作用的,力的出现时间和作用次序是有差别的。

在洪水爆发初期,村镇住宅建筑物所受到的洪水作用力主要表现为洪水的动水压力和水流的静水压力,此时村镇住宅建筑物的迎水面所受到的压力值最大,最大压力可达两者之和。对于脆性材料的村镇住宅建筑物或建筑等级较低的村镇住宅建筑物,此时最易因强度不足而遭到破坏。随着村镇住宅建筑物内部进水,作用在墙体上的洪水静水压力逐渐减弱,此时作用在村镇住宅建筑物四周的力主要表现为洪水的动水压力。在洪水爆发的同时,洪水的浸入力开始慢慢加强,洪水进入村镇住宅建筑物墙体内部,特别是浸入村镇住宅建筑物的基础部位。浸入墙体内部、基础部位的水体与建筑材料发生作用,改变了胶体材料的力学性质,致使砌体之间黏结力降低或地基基础发生变形,从而导致村镇住宅建筑物破坏。

2 黏土砌体村镇住宅房屋模型试验成果与分析

针对农村建筑物的实际情况,试验中采用模型比尺λ1=1∶5的模型进行试验,先对黏土砂浆砌体建筑物进行模型试验。

村镇住宅模型布置在长10m、宽3m、高1.2m的人工水槽中,试验模型尺寸按实际房屋的尺寸大小,缩小至长×宽×高为180 cm×100 cm×60 cm的试验模型。试验中,按村镇住宅建筑物在洪水中的最不利位置摆放,即村镇住宅建筑物的最大墙面做为迎水面,墙面上距地面5 cm的高度处,按10 cm间距水平布置3排测压设备。模型材料全部采用实际建造房屋的材料,模型砌体材料事先加工成长×宽×高为12 cm×6 cm×5 cm的模型模块[1]。

试验过程中流量用电磁流量计量测、水位用测针量测、时均压力用测压管量测、脉动压力用压力传感器量测。

由于黏土的特性,特别是掺合砂子的黏土砂浆,在洪水的浸泡和冲击下,黏土和沙粒很快分离,成为散粒体而失去黏土的黏结特性。

当模型试验单宽流量q=127 L/s时,整个试验只进行了9′30″,黏土村镇住宅建筑物模型墙体上第一块砌体开始脱落,试验进行了11′22″时,村镇住宅模型建筑物的迎水面全部垮下,此种情况应认为村镇住宅模型建筑物已产生破坏。

从试验模拟现场和实地考察情况可以看出,在洪水的冲击浸泡作用下,洪水将会对黏土砂浆砌体建筑物或黏土房屋建筑物造成直接冲击破坏,分析破坏的原因如下:

(1)黏土砂浆建筑物在洪水中浸泡后,黏土砂浆开始松软,失去黏结力,此时在水流的冲击下,位于主流区和局部水流突变的部位,此处建筑物砌体缝间黏土砂浆最先被水流淘空冲走。黏土砂浆的流失,使建筑物砌体失去黏结力,部分砌体开始脱落,紧接着相连部位砌体发生脱落倒塌,进而带动整个建筑物破坏。

(2)从试验现场来看,黏土砂浆建筑物在洪水作用下的破坏主要是水下建筑部位的破坏,特别是位于主流区和局部水流突变部位的建筑物。为了保护黏土砂浆建筑物免遭洪水破坏,应从保护建筑物基础开始直至到洪水可能达到的墙体最大高度[2]。

3 加固措施与结果分析

针对黏土砂浆砌体村镇住宅不抗洪水淘刷冲击这一特点,采取下面3种加固方案[2—3]:

(1)黏土砂浆砌体,水泥浆勾缝;

(2)黏土砂浆砌体,水泥砂浆(1∶3)抹面;

(3)水泥砂浆(1∶3)砌体。

3.1 黏土砂浆砌墙,水泥浆勾缝

为了检验加固后的黏土砂浆砌体村镇住宅模型抗冲效果,试验中逐渐加大洪水单宽流量,当单宽流量达到q=157.1 L/s时,采用水泥浆勾缝的村镇住宅建筑模型,在迎水面墙体中开始出现裂缝,表明建筑物出现破坏情况。黏土砂浆砌体、水泥浆勾缝模型试验流量、水深、瞬时最大流速对应关系见表1,图1为迎水面墙体中间部位和边界部位的压力变化趋势图[4]。仅从试验结果上来看,对现有的黏土砂浆村镇住宅采用这种方式加固,就可以在一定程度上增强建筑物的抗洪能力。

表1 黏土砂浆砌体、水泥浆勾缝模型试验流量、水深、瞬时最大流速对应表

村镇住宅模型采用水泥浆勾缝这种防护措施后,虽说在一定程度上可以抵抗洪水的冲击,但是采用这种加固措施的建筑物,不可以长时间浸泡在洪水中。主要是由于施工及其外界的因素,砌体水泥勾缝部位会出现不密实或脱落现象。此处墙体在洪水的浸泡下会出现塌落,进而引起建筑物的倒塌,这一点从村镇住宅试验模型破坏情况中可以看出。

图1 方案1中迎水墙面特征点压力与流量关系曲线图

3.2 黏土砂浆砌体,水泥砂浆(1∶3)抹面

黏土砂浆砌体,采用水泥砂浆(1∶3)抹面加固的村镇住宅试验模型,在单宽流量超过q=157.1 L/s时,整个试验模型没有出现任何形式的破坏。黏土砂浆砌体、水泥砂浆(1∶3)抹面模型试验流量、水深、瞬时最大流速对应关系见表2,图2为此种工况迎水面墙体中间部位和边界部位的压力变化趋势图[4]。

表2 黏土砂浆砌体、水泥砂浆抹面模型试验流量、水深、瞬时最大流速对应表

图2 方案2中迎水墙面特征点压力与流量关系曲线图

从试验过程及结果来看,对现有的黏土砂浆砌体的村镇住宅建筑物,采用水泥砂浆抹面加固,建筑物能够抵抗较大的洪水流量。但是在对砌体内部观察中可以看出,此时黏土砂浆已经松软,失去胶凝作用。墙体完全处在外层水泥砂浆的支承中,一旦水泥砂浆脱落,建筑物就可能倒塌。

村镇住宅建筑物采用水泥砂浆抹面后,在一定程度上可以增强建筑物抗击洪水浸泡冲击的能力。一定时间内,只要建筑物的地基基础在洪水的冲击浸泡下不被破坏,建筑物本身就不会出现倒塌事故[5—6],但是这种加固措施,需要耗费大量的水泥,工程造价也会很高。这种加固措施在广大农村地区,实际的应用价值不是很大。

3.3 水泥砂浆砌体建筑

水泥砂浆砌体的村镇住宅模型,由于模型建筑物的整体性较好,故它所能承受的洪水压力会更大。在试验单宽流量超过q=220.0 L/s时,试验模型表面没有出现任何破坏迹象,水泥砂浆砌体模型试验流量、水深、瞬时最大流速对应关系见表3,图3为此种工况下迎水面墙体中间部位和边界部位的压力变化趋势图[4]。

表3 水泥砂浆砌体模型试验流量、水深、瞬时最大流速对应表

图3 方案3中迎水面特征点压力与流量关系曲线图

采用水泥砂浆砌体的村镇住宅建筑物模型,能够很好地增强建筑物的强度,使它免遭洪水的冲击破坏,此时建筑物能够承受较大的单宽洪水流量,这一点从试验中测得的数据可知。对于整体模型建筑物来说,只要模型建筑物的基础在水流的浸泡冲击下不被破坏,模型建筑物一般不会出现倒塌事故。但是,试验中地基基础和实际中建筑物基础差别悬殊,试验中的模型建筑是直接砌筑在水泥地面上的。现实中的地基基础千变万化,施工中还会采取各种加固措施。即使这样,地基基础的变形破坏还是引起建筑物破坏的主要因素[5—6]。

4 结语

通过对村镇住宅几种工况下的模型试验结果进行研究分析,说明了村镇住宅建筑物在洪水作用下的破坏主要是由建筑物本身在水下部位的破坏引起的,尤其是建筑物地基基础部位的破坏。根据目前广大农村的实际情况,在对现有的村镇住宅进行加固的过程中,应对建筑物基础部位和洪水可能达到建筑物的高度部位进行重点加固;在对改造中的村镇住宅,可以利用水硬性的胶凝材料,以提高建筑物的整体防洪能力[7]。

[1]SL 155—95,水工(常规)模型试验规程[S].

[2]葛学礼,王开顺.皖西村镇房屋防洪能力分析及改进措施[J].建筑科学,1991(4):47-48.

[3]葛学礼,朱立新.自然灾害对村镇建筑的破坏与防御[J].中国减灾,2001,11(1):38-42.

[4]钟桂辉,刘曙光.村镇住宅遭遇洪水的压力试验研究[J].城市道桥与防洪,2008,12:92-95.

[5]崔青海,田立暄.松花江1998年大洪水及洪涝灾情[J].东北水利水电,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]韩风.中国村镇住宅安全能力、安全规划与保障机制研究[J].理论界,2009,8:207-208.