注水式城市应急防洪箱挡水受力特性分析

王小东，赵 君，徐进超，陈擎宇，高英倩

（1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.南京信息工程大学，江苏 南京 210044；3.江苏省水利防汛物资储备中心，江苏 南京 210029；4.泰州思百瑞水务有限公司，江苏 泰州 225000）

1 概 述

近年来，暴雨洪涝灾害的突发性、极端性、反常性愈发显著，对生产生活和防洪安全造成极大影响［1］。随着经济水平的快速发展，城市防洪领域对防洪抢险新技术、新设备的应用需求日益增长［2］。本文针对一种高分子材质的防汛应急抢险新装备——注水式城市应急防洪箱的挡水特性开展了研究。防洪箱在使用时只需将相邻防洪箱搭接，同时向箱体内注水，即可快速构筑挡水子堤，实现有效挡水，单层箱体挡水高度约0.5 m，每个防洪箱左右两侧均设有专用连接系统，底部设有止水系统。该装备具有轻巧便捷、组装灵活、适应性强、耐久性好、绿色环保、可重复使用等显著优点，能较好地适用于汛期平原河网地区城市内涝抢险等场景。

2 受力分析

在挡水过程中，注水式防洪箱的尺寸和受力可简化为图1所示的情形。图1（a）中，h1为注入水深，h2为挡水高度，B为箱体宽度；图1（b）中，f为箱体所受的摩擦力，N为地面对箱体的支持力，F为水体对箱体的推力。

假定箱体断面为矩形，由受力平衡可知，为保证挡水效果应满足：

式中：h1为注入水深；h2为挡水高度；ρ为水体密度；g为重力加速度；μ为摩擦系数；B为箱体宽度。

挡水高度与其他参数的关系应满足：

假定摩擦系数为一定值，防洪箱宽度为0.5 m，则可由上式计算不同箱体内注水高度h1下的挡水高度h2。不同摩擦系数下最大挡水高度与注水深度关系见图2，由图2可知，在同一注水深度下，摩擦系数越大，挡水高度越大。

3 防洪箱受力特性

为论证防洪箱在不同挡水高度和不同流速下的结构受力特性，采用有限元分析方法，基于Ansys Mechanical 软件［3］，对防洪箱在不同挡水高度条件下的应力、应变和变形等特性进行了进一步的分析。选取防洪箱的长×宽×高（L×B×H）分别为900 mm×650 mm×600 mm。在计算过程中，假定防洪箱未发生滑动，即底部始终与地面保持紧贴状态，箱体内灌水深度为0.4 m，迎水面挡水高度为0.1~0.4 m，水流流速保持2.0 m/s。其中，水流产生的动水压力采用动量定理进行计算［4］。

为保障计算精度，模型采用5 mm 的网格对防洪箱进行划分，网格数量为144 568个（见图3）。

计算所得不同挡水高度下防洪箱的结构受力特性见表1及图4~6。由此可知，随着挡水高度的逐渐增大，箱体所承受的最大应力、应变和变形均先减小后增大。水深为0.1 m 时，箱体内静水压力大于箱外水压力，最大应力发生在迎水面底部，为15.91 MPa；最大变形发生在迎水面中部，为1.62 cm。随着挡水高度增加，箱体内外水压力达到一定平衡，最大应力和变形均有所减小。当挡水高度大于0.3 m 后，箱体外水压力大于箱体内静水压力。挡水高度为0.4 m时，箱体最大应力为14.77 MPa，最大应力也发生在迎水面底部；最大变形为2.05 cm，位于迎水面中部。

表1 不同挡水高度下的受力特性

图4 不同挡水高度下箱体最大变形

图5 不同挡水高度下箱体最大应力

图6 不同挡水高度下箱体最大应变

研究表明，防洪箱随着挡水高度的变化，其应力集中部位均发生在迎水面底部，最大变形发生于迎水面中部。因此，在防洪箱的设计过程中，应充分考虑迎水面强度，使其满足挡水要求。

4 结 语

注水式城市应急防洪箱是一款高分子材质的防汛应急抢险新装备，具有轻巧便捷、组装灵活、绿色环保、适应性强、耐久性好、可重复使用等特点，在城市防汛应急抢险过程中的应用前景广阔。为研究其挡水稳定及受力特性，本文采用理论分析和有限元计算等手段对其进行分析，提出了防洪箱的挡水稳定条件，同时采用有限元计算方法对其在不同挡水高度条件下箱体最大应力、应变和变形特性进行了分析，结果表明防洪箱最大应力位于迎水面底部，最大变形发生在迎水面中部。相关研究成果为注水式城市应急防洪箱的结构和体型优化设计提供了参考依据。