移动防洪墙挡板跨度的型式比选

车温馨

(华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046)

近年来，城市内涝问题频繁发生，严重影响了群众的生产和生活，给城市带来了极大的生命财产损失。作为城市发展的基础设施，防洪除涝设施支持和服务城市的发展和建设，有效预防和治理城市内涝灾害是研究的重点和热点。如何在日常生活中即不影响城市美观，又能在城市发生洪涝灾害时及时出现，保护人民财产安全，是城市抗涝需要解决的难题。

移动防洪墙应运而生，它以日常安装、拆卸简单，防洪迅速，以及在城市建设中“隐形”等优点，深受大众欢迎。汪伦焰等对移动式防洪系统应急安装进行研究[4]，曹永超等运用激光扫描和BIM对移动式防洪墙施工质量控制进行研究[5]。笔者对移动防洪墙的挡板跨度为变量，构建数学模型，对有限元应力分析、应急安装分析和造价分析3个方面为评价指标，对移动防洪墙挡板的跨度进行分析，旨在为实际工程提供技术支撑。

1 防洪墙系统介绍

移动防洪墙通常由立柱、挡板、止水、螺栓、压紧装置、预埋件等构件组成[8]，如图1所示。其立柱为不锈钢材质，挡板采用铝合金材料挤压成型，内部为空腔结构，强度大，重量也很轻。洪水来临时，挡板垂直立柱，横向插入立柱卡槽，通过压紧装置固定，形成挡水工作面。挡板和立柱通过精密设计的卡槽固定，拆装方便，具有双向止水功能。等洪水退去，将各部件拆卸按标记有序存放于仓库保管[3]。

图1 移动式防洪系统及其主要构件

2 移动防洪墙的备选型式

本研究结合城市中移动防洪墙的使用场景，如地铁口，地下车库等，并查阅相关资料，将实验中移动防洪墙总跨度设置为3m。将移动防洪墙的挡板设置为3种防洪墙挡板跨度，分别为1、1.5、3m，根据挡板跨度设置配套构件。由此确定移动防洪墙的以下3种备选型式。

型式1：移动防洪墙挡板跨度为1m，配套两根立柱。

型式2：移动防洪墙挡板跨度为1.5m，配套一根立柱。

型式3：移动防洪墙挡板跨度为3m，无配套立柱。

3 移动防洪墙型式模糊综合评价

模糊综合评价是模糊数学的一种具体应用，从多个因素对被评价事物隶属等级状况进行综合评价。[9]本研究运用模糊综合评价对移动防洪墙的型式做出优化分析。

3.1 移动防洪墙模糊评价层次结构模型

本文防洪墙选型优化分析从安全、时间、成本3个角度出发，考虑3种因素：有限元应力、应急安装工时和经济指标。只有通过综合考虑各因素才能使选型更合理。将上述因素层次化，可建立防洪墙选型的指标体系，存在1个一级评价指标，3个二级评价指标，如图2所示。

图2 选型评价指标体系

3.2 评价指标的权重计算

指标体系建立后，先需要对3个二级评价指标的重要性进行判断，求得指标的权重向量。在进行指标比较时，选用Satty标度法[7]，该法把两两比较结果用1—9的数表示，各数值的意义见表1。

表1 Satty标度

根据Satty标度法对指标进行两两比较，判断每个指标的重要性，可得指标的判断矩阵。

移动防洪墙常设置在地铁口，地下车库等人流量密集或有重大财产的区域，移动防洪墙首先要保证结构安全，把防洪墙的安全性放在第一位。其次应该考虑，面临洪水来袭，快速安装使移动防洪墙尽早发挥作用，以达到减少人民财产损失的目的。最后，把经济指标放在第三位。

根据建立第1层各因素U相对于方案A的两两判断矩阵A-U，使用MATLAB，利用命令[V，D]=eig(x)，求出最大特征根和相应的特征向量，详细过程和结果见表2。

表2 判断矩阵A-U

对判断矩阵进行一致性检验，根据判断矩阵不同阶数查表3，得到平均随机一致性指标RI。该判断矩阵为3阶，查表得到RI=0.52。

表3 平均随机一致性指标表

计算一致性比例并进行判断：

(1)

由公式(1)计算可得，CR=0.062。由于CR=0.062<0.1，则认为该判别矩阵的一致性是可以接受的，即满足一致性检验。

3.3 评价指标分析

3.3.1有限元应力分析

使用ansys软件，通过绘制草图，拉伸等一系列操作可得到各部件。将挡水板两端的一部分嵌入立柱及端柱的槽中，将端柱嵌入混凝土立墙中。各构件选择添加冻结，方便后期为各构件赋予不同的材料属性。基础和立墙赋予混凝土材料属性，端柱和立柱赋予不锈钢材料属性，挡板赋予铝合金材料属性。

“网格划分”是决定分析精度的重要环节，网格并非越细越好，而是应结合工程类型、计算机运算能力、运算成本来选取网格密度[1]。根据该模型形状，选择0.04m的四面体网格划分。

对防洪墙模型施加静水压力和重力荷载，移动防洪墙基础底部设置固定约束。设置水面线位于挡板顶部，采用静液力压力，设置密度为1000kg/m3，加速度为9.8m/s2。受力面为地面以上构件的侧面，包括两边混凝土立墙、挡板、端柱、立柱以及基础顶面。施加重力荷载时，由于止水条由橡胶制成，其自重相对于挡水板和立柱可忽略不计，故在计算中不考虑止水条的自重[1]。

根据实验结果见表4，可知，3m挡板移动防洪墙型式的应力值和变形量最大，此时防洪墙挡板所受的最大应力14.41MPa，远低于铝合金材料的容许应力。在应力满足材料容许应力的条件下，即跨度为3m时，移动式防洪墙的最大位移为0.67mm，相对于1000mm的挡水高度，3000mm的跨度属于小变形，能够满足结构的稳定性和安全性要求[1]，所以以上3种跨度的挡板均满足结构的稳定性和安全性要求。如图3所示，可知，最大应力随挡板跨度的增加而增加，变形量也随挡板跨度的增加而增大，由于本次模拟计算仅考虑了静水荷载，实际工况中档板所受荷载可能会偏高，所以在实际工况中1m挡板的安全系数高，3m挡板的安全系数较低。

表4 3种跨度挡板有限元模拟结果表

图3 不同跨度挡板受力分析曲线

3.3.2应急安装工时分析

当城市已经发出洪水预警后，移动式防洪墙才开始安装，在抗洪应急抢险的环境下，时间非常紧迫，需要在最短的时间将防洪墙设施安装到位，减少发生人员、财产损失事件的概率，所以考虑应急安装工时因素是十分有必要的。防洪墙的应急安装流程如图4所示。

对移动防洪墙的安装进行实验，分别对每个流程秒表计时，每个流程试验次数均为5次，取每次实验结果的平均值得出各个流程的工时，见表5。

表5 安装时间

由表5施工工时分析，挡板的跨度与施工安装时间也有很大关系。当采用3m跨度的挡板时，没有立柱构件，减少了拆卸表面螺栓、清理螺孔内部杂物和安装立柱的过程，可以大大缩减安装时间。采用跨度越短的挡板，所需安装的立柱越多，不但会增加拆卸表面螺栓、清理螺孔内部杂物和安装立柱的过程的时间，也会因为挡板数量的增加，大大增加安装挡板和安装压紧装置的时间。此实验并没有考虑构件运输所耗费的随时间，所以实际工况下，还需要考虑构件在运输途中所需要耗费的时间，如果包含运输构件所需要的时间，那么越短挡板的防洪墙的构件越多，安装防洪墙系统时所需的工时又会相应地增加，1m挡板的防洪墙系统耗费的时间将会更多。

3.3.3经济指标分析

根据不同挡板跨度的3种移动防洪墙型式，从经济角度对移动防洪墙做了选型对比分析。混凝土均采用C25，考虑人工、模板之后的各种材料单价取值：混凝土330元/m3，铝合金20000元/吨，不锈钢15000元/吨，橡胶止水条27元/m。根据不同挡板防洪墙相应的构件尺寸，结合对应材料的单价，可得到各型式防洪墙的经济指标，见表6。

图4 移动防洪墙应急安装流程

表6 移动防洪墙经济指标

根据表6，对各型式的移动防洪墙的经济指标计算结果对比分析可知，1m挡板的移动防洪墙经济性不如3m挡板的移动防洪墙的经济性，挡板的跨度越大，所需立柱构件越少，相应的止水条橡胶材料和不锈钢材料都会减少，从而降低了防洪墙的造价。由实际计算数据可知，几乎每增加一根立柱，就会增加将近900元的造价，由于在此次实验中未考虑预埋件、螺栓等固定立柱的材料构件，在实际工程运用中，实际的一根立柱的相差造价应比实验所得结果更多。所以在实际工程运用中应在保证结构稳定和安全的情况下，尽可能减少立柱的数量，就可以达到节约造价的目的，要保证材料都能充分发挥其性能，避免造成不必要的材料浪费。

3.4 建立评价指标矩阵

通过对3种防洪墙型式的有限元应力分析、应急安装工时分析以及经济指标分析，汇总分析结果得到防洪墙综合比较表，见表7。

表7 3种型式防洪墙综合比较表

3.4.1有限元应力的隶属函数

对于防洪墙力学分析而言，移动防洪墙所受最大应力越小，该移动防洪墙的安全系数越高，所以采用偏小型函数。根据专家意见，应力最大值小于5MPa安全系数较高，大于20MPa安全系数低，所以有限元应力的隶属函数为：

(2)

3.4.2应急安装工时的隶属函数

应急安装工时的隶属函数采用偏小型函数，应急安装工时越短，移动防洪墙就能越早地发挥作用，及时守护人民的生命和财产安全。根据专家意见，安装时间小于10分钟效率较高，安装时间大于30分钟效率较低。所以应急安装工时的隶属函数为：

(3)

3.4.3经济指标的隶属函数

经济指标的隶属函数采用偏小型函数，造价越低，防洪墙系统越经济。根据专家意见，造价小于3500元为低成本，造价大于8000元为高成本。所以经济指标的隶属函数为：

(4)

根据上述3种隶属度函数可以分别算出各个方案在每个评价指标的隶属度，结果见表8。

表8 隶属度表

这样就决定了单因素评判矩阵：

4 模糊综合评价

根据上述计算所得影响移动防洪墙选型各因素的权重及隶属矩阵，采用加权平均型模糊合成算法，见公式(5)。

(5)

算出模糊综合评判值B：B=WR=(0.701，0.783，0.607)

由计算结果可知，移动防洪墙的选型方案的优劣顺序依次为：1.5m挡板的移动防洪墙系统最佳；1m挡板的移动防洪墙系统次之；3m挡板的移动防洪墙系统最差。由于3m挡板的移动防洪墙系统在静液力作用下，最大的应力达到了14.41MPa，考虑作为防洪墙系统，安全系数为重中之重，保护人民的生命和财产安全是移动防洪墙存在的意义，所以一定要保证防洪墙系统的安全性，尽可能地提高安全系数。1m挡板的移动防洪墙系统的安全性足够高，但它的构件较多，应急安装时间较长，造价较高。在实际情况下运用移动防洪墙，需要保证在最短的时间让防洪墙系统安装到位，才能最大程度上减少危险的发生。1.5m挡板的移动防洪墙系统的最大应力值与1m挡板的移动防洪墙系统的最大应力值相差不大，同时造价和应急安装时间也都适中，考虑以上因素，1.5m挡板的移动防洪墙系统是最优的型式。

5 结语

本文结合在城市内涝场景，设定了3种挡板跨度的移动防洪墙型式，通过运用ansys软件对3种防洪墙型式进行有限元应力分析，同时又对不同型式防洪墙进行了应急安装工时和经济指标分析。最后基于层次分析法和模糊数据分析法结合有限元应力、应急安装工时和经济指标3种因素对3种型式移动防洪墙构建数学模型，得出1.5m挡板的移动防洪墙系统是最优的结论。本文在城市应用场景中考虑移动防洪墙的型式，科学合理地考虑时间、成本、安全3种关系，并通过数学模型找到平衡点，为移动防洪墙在实际应用中提供了理论依据。