姚明星， 范力陽， 彭 庭， 黃錦峰， 雷 冬*

(1.長沙市公共工程建設中心，長沙 410013；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410014；3.河海大學力學與材料學院，南京 210098)

移動式防洪墻具有安全可靠性高、安裝拆卸方便迅速、高度可調節(jié)、循環(huán)使用率高、運輸存放方便、建設工期短的特點，符合城市水生態(tài)剛性需求，具有不破壞現(xiàn)有林木、建筑景觀，不影響旅游業(yè)等優(yōu)點[1-4]。因此，移動式防洪墻已在中外多個城市成功投入使用。國際上第一套移動式防洪墻在1984年安裝于德國科隆市，后來捷克的布拉格、奧地利多瑙河畔、匈牙利的巴哈等城市也相繼開始大規(guī)模使用這種裝配式防洪墻。中國在2000年以后，也開始啟用移動式防洪墻。2002年，哈爾濱主城區(qū)松花江大堤公園段，為滿足防洪安全性，設置了活動鋼閘板防洪墻。鋼閘板共1 318扇，其中標準閘板尺寸為5.0 m×2.0 m，質量為1.3 t，安裝較不方便[5-6]。2012年，插板式防洪墻在天津大清河下游西河右堤加固工程中得到應用[7]。最近幾年，以鋁合金材料代替鋼板的新型移動防洪墻開始在中國興起，先后在湖北武漢、江蘇常州、湖南長沙等地都有成功案例[8-9]。

移動式防洪墻具有很好的應用前景，但是國內針對它的科研工作以及相關標準和規(guī)范的制定工作還很缺乏。已有研究包括：德國漢堡理工大學河流與海岸工程學院與德國IBS公司合作，為裝配式防洪墻系統(tǒng)制訂了詳盡的試驗方案，開展了大量的測試工作，包括結構件的破壞實驗和老化實驗，系統(tǒng)的滲透性實驗等；徐東坡等[10]給出了移動式防洪墻的彈性力學基本解答；吳軍君等[11]開展了移動式防洪墻擋水試驗研究；余新洲等[12]進行了波浪作用下的變形分析。

在規(guī)范和標準的制定方面，國外已經啟動了部分工作。德國IBS公司等企業(yè)推出了相應的產品質量標準和系統(tǒng)使用指南；英國環(huán)境署頒布了移動式防洪墻設計和生產標準，并出版了相關的使用指南。但是在中國還沒有一套完善的移動防洪墻設計規(guī)范。因此，根據有關行業(yè)的相關規(guī)范和工程經驗，并結合德國的技術資料，給出了一套移動式防洪墻的主要受力構件的承載力計算方法。

1 荷載計算方法

移動式防洪墻一般由立柱、擋板、預埋件等部件組成。圖1所示為正在安裝中的移動式防洪墻。考慮靜水、動水、波浪、沖擊等組合荷載的作用，對立柱、擋板、螺栓、定位銷、套管等多個受力部件的承載力進行計算分析。

圖1 安裝中的移動式防洪墻Fig.1 Mobile flood control

1.1 靜水荷載

靜水荷載為移動式防洪墻最常見的一種荷載。如圖2所示，靜水荷載通常為三角形荷載，由水的壓強作用于防洪墻擋板上，擋板的荷載傳遞到立柱上，因此靜水壓強q可由式(1)計算。

q=ρghL

(1)

式(1)中：ρ為水的密度，kg/m3(若水中的懸浮物含量較大，如山區(qū)河流，泥石流等情況，可適當選取較大的水密度)；h為防洪墻的擋水高度,m；L為防洪墻的跨長,m；g為重力加速度。

圖2 靜水荷載示意圖Fig.2 Diagram of hydrostatic load

1.2 動水荷載

移動式防洪墻設立于流動水域時，如果防洪墻的縱軸不平行于水流方向，則水的運動會對結構產生動水荷載，如圖3所示。由于動水荷載是由水的沖量引起，根據沖量公式：

FΔt=m(vsinα)

(2)

則動水荷載q的計算公式為

qhΔt=ρ(hLvsinαΔt)vsinα

(3)

q=ρ(vsinα)2L

(4)

式中：α為水流與立柱、擋板的夾角,rad；v為水的流速,m/s。

圖3 動水荷載示意圖Fig.3 Diagram of hydrodynamic load

1.3 沖擊荷載

當發(fā)生洪澇災害時，河流中往往伴隨著漂流物，這些漂流物撞擊移動式防洪墻時，對墻體產生的沖擊荷載就不能忽視，因此需考慮小型漂流物的沖擊荷載。而對于大型的漂流物(質量大于400 kg)，如輪船撞擊等情況，基本不會考慮進移動防洪系統(tǒng)的穩(wěn)定性中，因為洪水發(fā)生時已基本停止航運，而且防洪墻大多用于城市防洪，城市中也少有大型的漂流物。

沖擊荷載如圖4所示。計算漂流物的沖擊荷載時，應滿足以下兩個假設：

圖4 沖擊荷載示意圖Fig.4 Diagram of impact load

(1)漂流物沖擊時無變形。

(2)擋板或立柱彈性剛度為CF,N/m。

根據能量守恒的原理，漂流物的動能轉化為結構的應變能，由能量守恒公式：

(5)

式(5)中：m為漂流物的質量，kg；v為漂流物的速度(與水的流速相同)，m/s；α為漂流物與墻體的攻角，rad；δ為結構的變形量，m。

沖擊荷載為

(6)

1.4 波浪荷載

近岸區(qū)域使用移動式防洪墻時，需要考慮波浪荷載的作用。關于波浪荷載的處理，中國有許多規(guī)范都有相關的規(guī)定。根據波浪的種類及防洪墻所處的地理位置，將波浪荷載等效為一個集中力F，如圖5所示。波浪荷載F可根據下式計算:

F=P1KL

(7)

(8)

K=1，f≥η

(9)

式中：f為超高值，m；η為波浪荷載最大高度和蓄水高度H之間的高度差，m；ρ1為波浪等效荷載。

圖5 波浪荷載示意圖Fig.5 Diagram of wave load

1.5 溢流

當洪水水位大于設計值，洪水溢過墻體時，其荷載如圖6所示，圖中q1、q2分別為

q2=ρgh1L

(10)

q1=ρg(h1+h)L

(11)

圖6 溢流荷載示意圖Fig.6 Diagram of overflow load

1.6 風荷載

防洪墻在工作中，可能承受來自背面的風力作用，而在空載時，兩面都可能受到風力作用，但只有背面的風荷載對防洪墻可能造成危險，因此只考慮背面的風荷載，如圖7所示。風壓的取值與防洪墻所處的地理環(huán)境有關。

圖7 風荷載示意圖Fig.7 Diagram of wind load

1.7 荷載組合

除了上述6種基本荷載外，還有一些可能出現(xiàn)的活荷載，如圍觀群眾或維修人員施加在墻體上邊緣的拉力或壓力，城市區(qū)域出現(xiàn)車輛撞擊產生的荷載，圩田側水壓等。這些荷載雖然可能出現(xiàn)，但是人群荷載對墻體的影響較小，車輛的沖擊荷載破壞力過大，圩田側水壓僅在洪水退去后才考慮其對墻體的作用，因此這些不作為常見的基礎荷載進行考慮。

確定可能出現(xiàn)的基本荷載后，應根據移動式防洪墻使用的地理環(huán)境考慮可能出現(xiàn)的荷載組合情形。設立于靜止的水池、水塘的移動式防洪墻，應考慮靜水荷載的作用；用于城市內河擋水的移動式防洪墻應考慮靜水荷載、動水荷載并酌情考慮沖擊荷載的作用；設立于近岸區(qū)域的移動式防洪墻應考慮靜水荷載及波浪荷載的作用；空載情況下移動式防洪墻應考慮背向風荷載的作用；當水位可能超過設計值時，應考慮溢流的荷載情況。

2 立柱的內力計算

移動式防洪墻的立柱包括中立柱、邊立柱及角立柱，作為移動式防洪墻的主要受力結構，立柱為水平疊加的擋板提高支撐，同時施加水平作用力并將其導向地基。立柱受到水平作用力時主要可能發(fā)生彎曲，立柱底座與錨固件連接處的焊接部位也可能被破壞，因此立柱通常會根據工程需要增加加強件。

由于立柱的型號較多，且可能存在加強結構，因此考慮立柱內力時需要考慮不同截面位置的內力。如圖8所示，有加強件的立柱，其結構為變截面結構，應分別考慮不同危險截面的內力。如果立柱為等截面結構，應考慮立柱底端的內力。

圖8 變截面立柱Fig.8 Column with variable cross-section

計算立柱的內力時，首先應根據立柱的結構確定危險截面的位置。然后根據可能出現(xiàn)的荷載組合，分別計算各荷載組合在危險截面上的最大彎矩Mmax和剪力Fmax。立柱的截面形狀類似于工字梁，計算最大正應力與最大切應力時可根據材料力學的相關公式進行近似計算。

立柱的截面最大正應力為

(12)

式(12)中：IZ為立柱截面對中性軸Z的慣性矩，m4；y為所求正應力點的縱坐標，m。

立柱的截面最大切應力為

(13)

計算立柱上的最大正應力及最大切應力后，可參考下式進行內力校核。

(14)

式(14)中：k為安全系數；[σ]為容許正應力，Pa；[τ]為容許切應力，Pa。

3 預埋件的內力計算

預埋件作為連接地基與立柱的主要部件，雖然占總建筑工程量的比例不大，卻對整個防洪墻的工程質量起著重要作用，因此預埋件施工的質量控制及技術要點一直是施工過程中的主要監(jiān)控對象。

一般而言，裝有翼緣板的立柱底座通過螺栓錨固于預埋件上。預埋件由抗腐蝕的鋼材制成，裝嵌在鋼筋混凝土基礎內。預埋件的主要受力結構有螺栓、定位銷、套管及錨固板，如圖9所示。

圖9 預埋件的結構Fig.9 Structure of embedded parts

3.1 螺栓的受力

螺栓作為將立柱固定于預埋件上的主要部件，需平衡立柱的彎矩和剪力，因此迎水側和背水側螺栓受到拉力T和剪力F作用，而迎水側的螺栓主要受到拉力T作用。如圖10所示，左側為迎水側，右側為背水側，立柱以右側螺栓為軸發(fā)生轉動，所以左側3個螺栓受到拉力的作用，背水側兩個螺栓不受拉力作用。

圖10 螺栓的分布Fig.10 Distribution of bolts

螺栓受到的拉力T為

(15)

式(15)中：n1為受拉螺栓的數量；L為迎水側螺栓與背水側螺栓的距離，m，M為立柱底座上的彎矩，N·m。則螺栓受到的內力為

(16)

(17)

式(17)中：n2為受剪螺栓的數量；AL為螺栓的截面積，m2。

3.2 定位銷的受力

定位銷的結構如圖11所示，在錨固件中主要起著限制水平移動的作用。

圖11 定位銷的結構Fig.11 Structure of positioning pin

定位銷主要受到剪力作用，其切應力可按下式計算：

(18)

式(18)中：Ad為定位銷的截面積，m2

3.3 套管的受力

套管與定位銷配合工作，同樣起著限制位移的作用。套管的結構簡圖如圖12所示。

圖12 套管的結構Fig.12 Structure of casing

套管主要受到剪力作用，其切應力可按下式計算：

(19)

式中：AT為襯套截面積，m2。

3.4 錨固板的受力

錨固板嵌在混凝土上，主要承受來自預埋件受拉軸的拉力，其結構如圖13所示，左側三軸為迎水側，受到拉力作用。

圖13 錨固板的結構Fig.13 Structure of anchor plate

錨固板受到的壓力可按下式計算：

(20)

式(20)中：AM為錨固板的受拉面積，m2。

4 擋板內力計算

多塊擋板插入立柱插槽上下堆疊組合成防洪墻體，這些組合擋板承擔著基本的密封防漏功能，承接水壓并將其傳遞到立柱上。每塊擋板之間由水平密封條相連，擋板與立柱之間也有豎直密封條，起著密封防漏的作用。擋板基本采用空心鋁型材，不同廠家采用的截面形狀略有不同。

由于擋板分塊疊加組成，計算擋板內力時應根據荷載組合來確定不同高度位置的擋板。如圖14所示，底端擋板B受到靜水壓最大，因此需要考慮B位置擋板所受的荷載，同時A位置擋板受到集中力F作用，也應考慮A位置擋板所受到荷載。

由于擋板插入立柱插槽，立柱并不會對擋板兩端的轉動有太大的約束，因此單塊擋板的結構可簡化為簡支梁結構，其荷載簡圖如圖14所示。圖中均布荷載q可由下式計算：

q=K1[ρg(dH+H1)+qf]h

(21)

式(21)中：dH為溢流情況下的超高水位，m；H1為擋板的位置深度，m；qf為等效的動水荷載，N/m2；h為擋板的寬度，m。

圖14 防洪墻體的荷載Fig.14 Load distribution of flood control wall

F為波浪的等效荷載或者沖擊荷載，集中荷載作用在擋板上時，由于擋板之間會互相傳遞分散荷載，因此需要對擋板的集中荷載進行折減。當集中力F作用在擋板上的時候，實際作用在單塊擋板上的荷載F1可按F1=0.4F進行計算。單塊擋板的荷載如圖15所示。

圖15 單塊擋板的荷載Fig.15 Load distribution of single baffle

根據圖15，計算單塊上擋板上的最大彎矩Mmax和最大剪力Fmax，則擋板的最大正應力和最大切應力可按下式計算：

(22)

(23)

計算出擋板上的最大正應力及最大切應力后，可參考下式進行內力校核。

(24)

式(24)中：k為安全系數；[σ]為容許正應力，Pa；[τ]為容許切應力，Pa。

5 總結與展望

結合德國的技術資料，根據有關行業(yè)的相關規(guī)范和工程經驗，對目前主流的移動式防洪墻的荷載計算方法進行了研究，提出一套移動式防洪墻的主要受力構件的荷載計算方法，主要工作如下。

(1)充分考慮了移動防洪墻結構可能受到的荷載形式，給出了靜水、動水、波浪、沖擊、溢流以及風荷載計算方法。

(2)針對目前常用的變截面立柱結構形式，給出了立柱內力計算方法和安全校核標準。

(3)細致考慮了預埋件各部件受力情況，給出了螺栓、定位銷、套管及錨固板的安全計算方法。

(4)充分考慮了擋板結構堆疊組合計算的復雜性，給出了等效計算方法。

所提出的計算方法能在一定程度上對移動式防洪墻的荷載進行簡化，同時有效地計算出各個構件所受的荷載，非常適合實際工程應用。

由于移動式防洪墻是一項新興的防洪手段，很多方面的理論、方法和技術還有待完善，本方法也還有許多新的問題需要解決，需要在實際應用中不斷積累和完善，在以下幾個方面，還需要做進一步的研究和開發(fā)。

(1)僅考慮立柱、擋板及預埋件的荷載，對于變柱、壓緊裝置、密封條及預埋件與地基的耦合問題還有有待后續(xù)工作的完善和補充。

(2)波浪荷載及風荷載為參考德國的相關規(guī)范，德國的地理環(huán)境與中國不同，因此德國的技術規(guī)范在中國是否適用還有待研究。

(3)擋板之間的荷載分散與傳遞仍需進一步研究與完善。