李勝富　張博威　陳芊屹　李茜

摘 要：當(dāng)今時(shí)代科技發(fā)展迅速，人類對大自然肆意破壞，導(dǎo)致地震海嘯頻發(fā)，如何防洪抗災(zāi)成了一大難題。在修建墻體時(shí)需要對洪水沖刷的影響進(jìn)行分析。本文主要對墻體抗洪模型進(jìn)行了理論研究，并用有限元和數(shù)值模擬進(jìn)行求解，為防洪抗災(zāi)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：墻體;洪水沖擊;有限元分析;數(shù)值模擬

修建墻體后，除考慮墻體自然腐蝕倒塌的情況以外，還需考慮墻體的抗洪性能，在只考慮洪水單向沖擊墻體的過程，過程相對簡單，但這計(jì)算結(jié)果也能真實(shí)反映墻體的一個(gè)抗洪極限，它直接反映出墻體的的安全。本文主要研究墻體在受到洪水沖擊時(shí)的穩(wěn)定性。

1.研究意義與現(xiàn)狀

1.1研究意義

洪水沖擊是全世界都面臨著的一項(xiàng)嚴(yán)重的自然災(zāi)害，而洪水沖擊的結(jié)果會導(dǎo)致房屋倒塌，墻體破壞，最終導(dǎo)致人的生命安全受到威脅，可見墻體的穩(wěn)定性的判斷是保證人民生命安全的重要所在。因此必須對墻體抗洪模型引起足夠的重視。

1.2研究現(xiàn)狀

大連理工大學(xué)王曉慶對洪水沖擊載荷做了實(shí)驗(yàn)研究[1]，林鳳習(xí)等通過無反射數(shù)值波浪水槽研究沖擊模型。任冰等進(jìn)行了不規(guī)則波對浪濺區(qū)結(jié)構(gòu)物沖擊實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了譜分析研究[2]。

2.洪水沖擊模型

2.1 洪水模型的建立

我們假設(shè)洪水為不可壓縮穩(wěn)定流體，洪水波浪的波形為為一種高頻余弦波，則波面方程可以表示為：

式中：為沙堡前波高，其量綱和一致;k為波數(shù);n為頻率。

當(dāng)洪水來襲時(shí)，洪水與墻體撞擊時(shí)，將對墻體產(chǎn)生一個(gè)作用力，也正是因?yàn)榇俗饔昧Σ女a(chǎn)生了反射波，而且入射波速度的方向與反射波的方向相反，所以根據(jù)動量守恒原理可有：

式中：為入射波速度;為反射波速度;F為波浪力。

在一個(gè)微元時(shí)間內(nèi)長度流入水的質(zhì)量為[2]，由此可將上式變形為：

式中：為水的密度;PX為墻體表面x方向上的壓強(qiáng);PZ為墻體表面z方向上的壓強(qiáng)。

將以上式子聯(lián)立，可解得PX和PZ分別為：

假設(shè)洪水沖擊墻體時(shí)，洪水與墻體的角度為，那么墻體上任意一點(diǎn)的動壓強(qiáng)為：

3.求解

當(dāng)洪水沖擊力大于墻體的能夠承受的最大載荷時(shí)，墻體就會開始產(chǎn)生崩解、土壤被洪水帶走的情況，沖刷嚴(yán)重時(shí)，墻體就會崩塌，大體積洪水瞬間進(jìn)入河道進(jìn)而影響附近建筑地基，導(dǎo)致建筑傾斜或者倒塌。

墻體是否崩塌以及發(fā)生崩塌的體積取決于墻體材料的力學(xué)性能、墻體的形狀、體量等許多因素，需要結(jié)合具體情況，利用墻體穩(wěn)定的有關(guān)知識進(jìn)行分析。

根據(jù)有限元分析法，當(dāng)洪水中的泥沙顆粒的平均直徑為0.15mm時(shí)，洪水流速存在最小值;當(dāng)洪水中的泥沙顆粒的平均直徑小于0.5mm時(shí)，起動流速以克服黏結(jié)力為主，隨粒徑增大，起動流速減小，沖刷深度増大;當(dāng)洪水中的泥沙顆粒的平均直徑大于0.15mm時(shí)，起動流速以克服重力為主，隨著粒徑增大起動流速増大，破環(huán)里變大，墻體更容易倒塌。

利用數(shù)值模擬，分析可得，當(dāng)墻體為圓柱體時(shí)，在洪水沖擊下，穩(wěn)定性最強(qiáng);當(dāng)墻體為長方體時(shí)，其穩(wěn)定性不如圓柱體，尤其是長方體的棱邊出，受沖擊力很大，極其容易發(fā)生崩塌。

在洪水中的泥沙顆粒的平均直徑確定時(shí)，墻體材料與形狀的不同，直接影響著墻體的穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)與理論研究表明，當(dāng)使用純泥土?xí)r，墻體的穩(wěn)定性較差，當(dāng)使用鋼筋混凝土?xí)r，墻體的穩(wěn)定性較強(qiáng)。

4.總結(jié)

洪水沖擊，主要考慮洪水的瞬間沖擊力，以及墻體的極限承受力，當(dāng)洪水沖擊力大于墻體的極限承受力時(shí)，墻體就會發(fā)泥土脫落，最終導(dǎo)致墻體崩解。在洪水中的泥沙顆粒的平均直徑確定時(shí)，墻體材料與形狀的不同，直接影響著墻體的穩(wěn)定性。墻體為圓柱體時(shí)，其穩(wěn)定性比長方體好。實(shí)驗(yàn)與理論研究表明，當(dāng)使用純泥土?xí)r，墻體的穩(wěn)定性較差，當(dāng)使用鋼筋混凝土?xí)r，墻體的穩(wěn)定性較強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]王曉慶. 洪水演進(jìn)模型及沖擊荷載研究[D].大連理工大學(xué)，2009.

[2]孫永梅. 村鎮(zhèn)建筑抗洪性能試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[D].沈陽建筑大學(xué)，2012.