山区洪水对下游房屋冲击特性的试验研究

郑涵午，黄 尔，路 信，罗 铭，丁 锐

(四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

0 引 言

洪水灾害自古以来是制约经济社会发展的重要因素。山区洪水由上游暴雨或山体滑坡、溃坝等因素造成，原河道内水量激增，沿坡度较陡的河道迅速冲泄至下游，对下游地区的人身安全、财产安全和生态环境等方面会造成严重的威胁[1-3]。

洪水对下游建筑物产生破坏作用，前人针对建筑物受水流各方面影响做过相关研究。林凤习、任晓丽[4]通过水槽试验研究周期波浪对建筑物的冲击特性；吴安杰等[5]采用ANSYS - CFX对洪水冲击不同尺寸桥墩过程进行了数值模拟计算，分析洪水冲击效应以及流固耦合效应与溃坝水流的关系；陈洪凯等[6]针对山洪流体对路基不同点位的冲击力大小和分布规律进行研究；肖诗云[7]根据圣维南方程推导一维洪水演进模型，与一元非恒定流能量方程结合推导冲击荷载计算公式，由计算公式得房屋下部受水流荷载最大；孙云飞[8]利用数值模拟对下游建筑物破坏进行分析；肖诗云[9]通过试验分析水流对开洞房屋的冲击作用。上述针对水流荷载展开的相关研究，表明上游洪水对下游建筑物的安全产生严重威胁。但目前针对山区洪水对下游房屋冲击特性的试验研究相对较少。

本文主要根据山区洪水水面比降较陡的性质，采用物理模型试验，研究洪水在不同蓄水深度、房屋模型距溃口距离以及坡度为9%的水槽条件下对房屋模型的冲击特性，主要针对房屋模型受力的时空变化特征、迎流面水位变化进行相关分析。

1 模型试验设计

1.1 试验装置

本文模型试验主要涉及设备：①玻璃水槽。水槽长10 m、宽1 m、高0.5 m，坡降9%；②蓄水挡板；③星仪CYYZ31防水型压力传感器(6个)；④YWH200-DXX型数字波高仪。

1.2 试验设计

试验在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室实验大厅的水槽内进行，在水槽上游段固定一块挡板，挡板与槽底以螺栓连接，可绕螺栓翻转，挡板顶部设置一钢条固定，在挡板与水槽间隙处抹上固体胶防止蓄水时流体溢漏。由水泵引水至上游蓄水段，待水深蓄至指定高度，关闭水泵，转动钢条使挡板顶部自由，挡板在水压作用下绕螺栓翻转，水流倾泻，以此模拟一次洪水作用。在水槽下游距挡板一定距离处设置房屋模型，在模型迎流面处设置6个压力测点测量各位置的压力过程线，模型中间位置垂向布置波高仪，以此观测水深变化。在9%的坡度条件下，以房屋模型受到上游发展稳定的水流作用为一次山区洪水作用。试验整体布置图如图1所示。

图1 实验整体布置图

本试验房屋模型由有机玻璃制作，房屋模型长为0.6 m、宽0.4 m、高0.3 m、墙体厚0.02 m。房屋模型迎流面不设置开洞。

本次试验的主要目的是研究山区洪水对房屋的冲击荷载作用，分析各工况下，房屋所受的冲击力的特性及差异。洪水来临时，房屋迎流面最先受到冲击，也是最容易受损的部位，玻璃水槽及概化的建筑物模型均为对称设计，压力传感器仅安装在模型迎流面左侧，为便于分析房屋迎流面上压力的二维变化特征，压力测点主要沿横向和纵向布置，在房屋迎流面上布置6个测点，如图2所示。

图2 压力测点布置(单位：m)

为研究不同流量、不同发展时间条件下洪水的冲击作用，取变量蓄水深度h、房屋模型距溃口距离L，对房屋模型的冲击荷载作用以及对应的水位雍高变化进行测量，考虑模型场地等因素的制约，即在水槽高度为0.5 m，长度为10 m以及各试验装置的布置位置的限制条件下，h取0.3、0.4、0.5 m来模拟3种不同强度的洪水，各蓄水高度情况可由一维圣维南方程的经典Ritter解[10]计算转化为瞬间全溃情况下的初始流量，计算公式如式(1)所示。L取2、2.5、3 m，L在2～3 m的取值用于验证水流是否发展稳定。共设置9组试验，各工况如表1所示。每个工况做五组试验，取其平均值作为分析数据。

表1 试验方案布置

(1)

式中：Q为流量，m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2；h为蓄水深度，m；B为水槽宽度，m。

2 试验结果分析

该物理模型研究了在河道坡降一定的条件下，蓄水深度和房屋模型距溃口距离不同条件下洪水对房屋模型迎流面的冲击特性，由迎流面的压传感器和波高仪分别得各测点的动压强历时曲线和建筑物中心线上的水深变化。

2.1 迎流面水位变化分析

模型试验中，在房屋模型迎流面中心布置波高仪来测量水深，以水槽槽底为0点记录水位变化。图3所示坡降为9%，距溃口距离L=2 m，h=0.3，0.4，0.5 m情况下的水位变化图。

图3 迎流面中心水位历时曲线

由图3所示，迎流面中心水位随着蓄水深度的增加而增加，且呈现先迅速增大后缓慢减小的趋势。水流冲击壁面后，壁面迫使水流沿壁面向上运动及两侧绕流，壁面水位急剧增加，沿壁面向上运动水流流速减至0后，开始回落并与来流相互混掺形成壅水，来流减小后形成模型的退水段。

2.2 动压强历时曲线

试验中在建筑物迎流面布置了压力传感器来记录不同工况下各测点的动压强历时曲线。以压强开始变化点为0时刻记录各测点动压强变化特性。图4为测点6在h=0.3、0.4、0.5 m时，L=2、2.5、3 m条件下动压强历时曲线。

如图4所示，随L的增加，测点压强历时曲线基本保持不变。该现象表明房屋模型在L=2、2.5、3 m三处位置所受固定蓄水高度条件下的水流冲击情况基本相同，水流在距溃口2 m处位置已基本发展稳定。在2 m处的试验结果可用于表征各工况下的水流冲击特性。

图4 测点6随距溃口距离改变时动压强历时曲线

图5为测点3、6在L=2 m，h=0.3、0.4、0.5 m条件下动压强历时曲线。

图5 测点3、6动压强历时曲线

由图5所示，随着蓄水深度增加，测点3和测点6都分别呈现压强增大的趋势。测点6在受水流冲击作用后，短时间内呈现明显的峰荷载现象，距压强开始变化后的0.75s达到最大值，压强历时曲线在初始时刻存在突增的现象，在蓄水深度为0.4和0.5 m的情况下压强历时曲线存在突降现象，而蓄水深度为0.3 m情况下压强历时曲线不存在突降现象；相比之下，测点3压强开始变化后缓慢增加至峰值，荷载发展至距压强开始变化后的2s左右达到最大值，整体荷载变化相对测点6较为平稳，峰荷载变化不呈现突增突降现象。

造成测点3与测点6动压强历时曲线差异性的原因在于房屋壁面上受到洪水作用形式的不同，测点6布置于房屋下侧，受水流直接冲击作用明显，流速在壁面突降为0，流速水头在除去水头损失之外转化为压强水头，在该水槽坡度及蓄水深度条件下水流流速较大，从而造成房屋下侧壁面压强在短时间内急剧增加至最大值；测点3布置于房屋上侧，水流在冲击房屋下侧后，垂直于壁面流速减至0，并产生沿壁面向上的流速，同时水位壅高，影响至测点3压强，其不直接受水流冲击作用，不产生压强突变现象。

测点6在蓄水深度为0.4及0.5与0.3 m条件下压强历时曲线在水流冲击下突增突降性存在差异。该差异的原因是蓄水深度0.4及0.5 m条件下水流冲击荷载较大，而房屋模型迎流面壅水造成的压强值相对较小。房屋模型迎流面受来流冲击后，迎流面处产生一定壅水，其将对测点6压强值产生贡献。当这部分压强大小不足以替代初始冲击产生的冲击荷载大小时，房屋压强历时曲线会产生突降段，如蓄水深度为0.4 m及0.5 m条件下测点6的压强历时曲线所示。而当这部分压强大小与初始冲击荷载大小相近时，初始冲击产生压强突增后，压强降低段将呈现一个较平稳的过程，如蓄水深度为0.3 m条件下压强历时曲线所示。

2.3 迎流面压强峰值分布规律

洪水冲击房屋时，由于迎流面淹没水深及流速的影响，其水平方向和垂直方向的动水压强峰值有很大的差异。为了研究建筑物迎流面动水压强分布规律，本文选取水平方向压力测点1、2、3、4；垂直方向压力测点3、5、6共6个测点作压强峰值分布图。图4(a)、(b)、(c)横坐标以测点1为原点，横坐标表示各测点距测点1的水平距离；(d)、(e)、(f)横坐标以测点6为原点，横坐标表示各测点距测点6的垂直距离。

由图6(a)、(b)、(c)，建筑物中间位置所受荷载最大，以水平向向两侧递减，由于房屋布置为一绕流物体，水流由房屋两侧向下游泄流，当壁面壅高水位时，壅高水体从两侧泄流从而壁面水位由中心位置向两侧存在一定程度的降低，造成压强降低。图6(d)、(e)、(f)所示，房屋迎流面下部所受峰值荷载最大，向上递减。沿房屋壁面向上，测点所受初始水流冲击作用效果越不明显，压强峰值依赖壁面壅水，房屋下部受流速水头影响较大，在该蓄水深度及坡度9%条件下水流流速较大，使其下部测点压强峰值较受壅水作用产生的压强要大。蓄水深度越大，各测点峰值荷载越大，其对建筑物迎流面荷载分布趋势基本无影响。

图6 压强峰值分布图

2.4 水位、压强变化关系

为了更明显地分析压强与水位的变化关系，将不同工况下模型迎流面中心水位历时曲线和测点3、6压强历时曲线进行比较，如图7所示。图7为测点3、6在L=2 m情况下各蓄水深度对应的水位、压强对比图，左侧纵坐标为压强，右侧纵坐标为水位，横坐标为时间。由于试验设备的局限，水位变化的起点和压强变化的起点难以做到时间上的同步，本文假定水位变化的起点为波高仪测得水位刚好到达对应测点的时刻，压强变化的起点为压强开始增加的时刻点。

图7 水位、压强历时曲线

图7(a)、(b)、(c)分别为测点3在蓄水深度为0.3、0.4、0.5 m时对应的水位压强历时曲线。测点3的压强基本随水位升高而增加，但压强峰值相对水位峰值存在时间上的滞后效应。图7(d)、(e)、(f)分别为测点6在h=0.3、0.4、0.5 m时对应的水位压强历时曲线。测点6的水位压强呈现较好的匹配关系，压强随水位变化而变化并呈同增同减趋势，水位最高点与压强最大值发生时间一致。

该实测水位变化过程再次阐释前述不同测点位置的压强峰值，初始水流受壁面作用向上运动过程中，流速水头在房屋下部转化为压强水头，短时间内虽然水深达到上部测点之上，但该段水流处于破碎状态，难以对上部测点产生对应于该水深情况下的压强值，随后一段时间虽然测得水位有小幅度的降低，但有效水深逐渐增加并且水流趋于稳定，房屋上部测点压强逐步增加至峰值。

2.5 压强概化分析

房屋模型壁面垂直方向各测点压强具有明显的特征性，房屋下部测点6压强在测量时段范围内均大于上部测点压强，来流一定情况下房屋下部容易受洪水冲击破坏，因此，针对该点进行压强概化分析，可作压强概化历时曲线，见图8。

图8 测点6压强概化曲线

如图8所示，房屋下部测点受水流冲击时，压强在0～t1段急剧增加至最大值。在t1～t2段压强减小，根据试验发现，该段只存在于流速水头十分大的情况，即初始流速水头大于后期壅水作用时，存在该段压强降低段；t2～t3段为一压强稳定曲线，该段时长取决于来流及过流量，t3段之后为一退水段曲线，该次洪水过程线进入退水过程，来流量减小，壁面原始壅水开始下降，压强降低。

3 结 语

本文以坡度为9%的水槽中发展的稳定水流为一次山区洪水来流，研究其对房屋模型的作用机制。根据模型试验结果，发现房屋迎流面中心下部受压强最大，且峰值出现早，通过对初始水流冲击迎流面后的各阶段水流作用机制进行分析得出：房屋下部受水流冲击影响较大，水流流速较大时容易在初始时刻产生峰值点，而上部主要受迎流面壅水作用影响，峰值出现较晚。由此可对迎流面下部压强进行概化，用于分析其压强变化。