移动式防洪墙挡水变形原型试验研究

王忠权，毛肖钰

(1.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江 杭州 310016；2.浙江省钱塘江流域中心，浙江 杭州 310020)

1 概述

在移动防洪技术中，荷兰马仕朗防风暴大坝久负胜名[1]，但其技术复杂、造价高。而移动防洪墙技术是通过安装可拆卸的挡水墙体抵御洪水，主要解决现状堤防防洪高度不足及堤防高度与景观生态不协调问题，是一项快速提升城市防洪能力而造价适中的技术。

我国南方大多数城市防洪工程具有了一定防洪能力，但随着城镇化的不断发展，许多城市防洪标准仍落后于经济发展。鉴于城市人口、经济集聚，防洪工程建设中土地、房屋拆迁与安置等成本较大，导致许多城市防洪堤工程建设代价巨大乃至短期无法上马。利用移动防洪墙技术构建新型防洪系统是一些国外发达国家应用较为广泛的新技术[2]，对重要公共服务可修筑挡水墙等防涝工程设施[3]，把城市融入生态流域生命共同体[4]，既可以有效降低土地等要素制约与减少工程投资，同时也有利河道景观构造与满足人们亲水需要，如何针对我国南方城市特点在我国南方研究推广应用移动防洪墙技术，具有十分重要的意义。钟旭阳[5]对仓储选址进行了研究，汪伦焰等[6]对应急安装进行了仿真研究，范力阳等[7]亦进行了三维有限元模拟，陈鹤林[8]对施工工艺和应用进行了分析，姚明星等[9]提出构件承载力的计算方法。

2 研究目的

针对现有移动防洪墙的技术特点，拟通过试验，研究移动防洪墙的防水性能，提出防水密封结构及相关参数，分析不同的挡水高度的受力性能，提出各种结构的适用性，在结构安全的前提下做到轻便、快捷安装。

装配式移动防洪墙由叠梁板、立柱、支撑、止水橡胶、压紧装置、基础及预埋件组成。如图1所示。

图1 移动式防洪墙挡水示意图

本次原型试验选址钱塘江三堡原钱塘江应急中心内，设置了左、中、右3个试验区。振弦式应变计输出信息不受导线长度影响，灵敏度和稳定性也较好[10]，本次应变监测采用振弦表面应变计。

3 试验情况

3.1 左试验区变形试验(1.6m高)

试验现场设4跨移动防洪墙，每跨2m，挡板规格60mm×200mm×3.8mm(6061-T4铝合金)，立柱为16#工字钢，柱脚50cm高加肋钢板厚12mm。每根挡板底部和立柱底部均设橡胶条，柱顶采用螺栓竖向压紧挡板，试验过程注水至墙顶，试验完成后未发现挡板、立柱、柱脚破坏，不同挡水高度下立柱的位移见表1。

表1 不同水深左试验区立柱(1.6m)的位移

3.2 右试验区变形试验(1.6m高)

试验的跨数、跨径、挡板规格同左试验区，立柱调整为H型钢Hw100×100。每根挡板底部和立柱底部均设橡胶条，柱顶采用推拉式夹具竖向压紧叠梁板，在临水侧采用螺栓+扁钢侧向压紧叠梁板，试验过程注水至墙顶，试验完成后未发现挡板、立柱、柱脚破坏，不同挡水高度下立柱的位移见表2。

表2 不同水深右试验区立柱(1.6m)的位移

3.3 左试验区变形试验(2.0m高)

试验的跨数、跨径、挡板与左试验区1.6m试验相同，但高度调整为2m，柱顶采用推拉式夹具，临水侧采用螺栓+槽钢侧向压紧叠梁板。每根挡板底部和立柱底部均设橡胶条，柱顶采用螺栓竖向压紧挡板，试验过程注水至墙顶，试验完成后未发现挡板、立柱、柱脚破坏，不同挡水高度下立柱的位移见表3。

表3 不同水深左试验区立柱(2.0m)的位移

选取第2跨挡板的底部板测量位移，通过测量注水前后板与基准线间距的变化并减去板左右侧侧止水橡胶压缩量计算其位移，其结果见表4。

表4 不同水深左试验区底部挡板的位移

3.4 中试验区变形试验(1.6m高)

试验设3跨，跨径、挡板、高度与左试验区1.6m相同，立柱调整为180×144铝合金型材，柱脚不锈钢板厚10mm，柱顶采用推拉式夹具竖向压紧叠梁板，临水侧采用螺栓+槽钢侧向压紧叠梁板。每根挡板底部和立柱底部均设橡胶条，柱顶采用螺栓竖向压紧挡板，试验过程注水至墙顶，试验完成后未发现挡板、立柱、柱脚破坏，不同挡水高度下立柱的位移见表5，不同水位下立柱应变监测成果见表6。

表5 满水时中试验区立柱(1.6m)的位移

表6 立柱应变监测成果 单位：MPa

3.5 中试验区变形试验(1.6m高，动水)

试验方案与3.4相同，采用挂桨机模拟造浪。

由于模拟造浪形成的波浪形态不稳定，水位变动也较大，具体量化指标无法监测。通过观察和初步测量，动水试验下未对移动防洪墙产生明显的位移或破坏。

3.6 中试验区变形试验(3.0m高)

试验设3跨移动防洪墙，每跨2m，挡板规格120mm×200mm×3.8mm(6061-T4铝合金)，立柱采用180×144铝合金型材，柱脚不锈钢板厚10mm，支撑杆采用30×50×4、50×50×4、60×60×4三种类型方管。柱顶采用推拉式夹具竖向压紧叠梁板，临水侧采用螺栓+槽钢侧向压紧叠梁板。每根挡板底部和立柱底部均设橡胶条，柱顶采用推拉式夹具竖向压紧叠梁板。

采用30×50×4方管作为支撑，挡水高度达2.4m时，立柱产生明显位移；挡水高度达到达2.9m时，支撑杆破坏，柱脚临水侧受拉破坏。采用50×50×4方管作为支撑，挡水高度2.9m以下时，立柱无明显位移；挡水高度达到达2.9m时，支撑杆瞬间破坏，柱脚临水侧受拉破坏。

采用60×60×4方管作为支撑，挡水高度达到达3.0m时，立柱无明显破坏，不同水位下立的位移见表7。

表7 满水时中试验区立柱(3.0m)的位移

4 理论分析

4.1 左试验区分析(1.6m高)

采用Simulation有限元分析软件进行分析，计算得立柱最大应力439MPa，大于强度设计值215MPa[11]，主要在柱脚螺栓孔周边产生应力集中；最大位移值为4.3mm，变形比为1/372。

4.2 右试验区分析(1.6m高)

计算得立柱最大应力950MPa，大于强度设计值215MPa，主要在柱脚连接处产生应力集中；最大位移值为17mm，变形比为1/94。

当下不及细思，左臂猛地一抖，生生将未及取出的断箭碎片震出，右掌再起，紧紧抓住碎片，继而用力向亭顶甩去。

4.3 左试验区分析(2.0m高)

计算得立柱最大应力933.7MPa，大于强度设计值215MPa，主要在柱脚和加劲肋上产生应力集中；最大位移值为16.1mm，变形比为1/124。计算得叠梁板最大应力252.16MPa，大于强度设计值90MPa[12]，主要在叠梁板两端产生应力集中；最大位移值为5.23mm，变形比为1/382。

4.4 中试验区分析(1.6m高)

计算得立柱最大应力602.27MPa，大于强度设计值215MPa，主要在柱脚和加劲肋上产生应力集中，铝合金柱身最大应力70MPa，小于强度设计值90MPa；最大位移值为6.6mm，变形比为1/242。

4.5 中试验区分析(3.0m高)

结合理论公式计算，得应力有限元计算值、理论公式计算值及实测值见表8。

表8 应力实测值与计算值 单位：MPa

采用SM SOLVER软件分析该结构各部件的受力，支撑杆计算成果见表9。

表9 支撑杆计算成果

铝合金柱身抗弯强度25.38MPa，抗剪强度66.84MPa，30×50×4和50×50×4两种支撑杆稳定强度不足，会发生失稳破坏。

5 结论

(1)受考虑螺栓孔加工误差、柱脚倾斜产生的位移等影响，移动式防洪墙位移实测值大于理论计算值。

(2)受整体变形协调影响，移动式防洪墙应力实测值小于理论计算值。

(3)受支撑杆生产精度、支撑杆和立柱不在同一受力面等影响，设有支撑的移动式防洪墙在支撑杆上的应力实测值可能大于理论计算值；试验中易受破坏的部位主要为柱脚、支撑杆，理论分析立柱的变形和应力明显大于挡板，因此，在移动防洪墙的设计中要强化立柱和支撑杆结构。

(4)增设支撑杆可明显降低立柱变形，为方便结构安装，减轻构件重量，建议墙高超过1.6m时增设支撑杆。

(5)钢结构的强度设计值明显高于铝合金的强度设计值，建议在条件允许时采用钢结构立柱以减少造价。