墻體抗洪實驗研究

李勝富　張博威　陳芊屹　李茜

摘 要：當今時代科技發展迅速，人類對大自然肆意破壞，導致地震海嘯頻發，如何防洪抗災成了一大難題。在修建墻體時需要對洪水沖刷的影響進行分析。本文主要對墻體抗洪模型進行了理論研究，并用有限元和數值模擬進行求解，為防洪抗災提供理論依據。

關鍵詞：墻體;洪水沖擊;有限元分析;數值模擬

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，但這計算結果也能真實反映墻體的一個抗洪極限，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的穩定性。

1.研究意義與現狀

1.1研究意義

洪水沖擊是全世界都面臨著的一項嚴重的自然災害，而洪水沖擊的結果會導致房屋倒塌，墻體破壞，最終導致人的生命安全受到威脅，可見墻體的穩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研究現狀

大連理工大學王曉慶對洪水沖擊載荷做了實驗研究[1]，林鳳習等通過無反射數值波浪水槽研究沖擊模型。任冰等進行了不規則波對浪濺區結構物沖擊實驗，并對實驗結果進行了譜分析研究[2]。

2.洪水沖擊模型

2.1 洪水模型的建立

我們假設洪水為不可壓縮穩定流體，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;n為頻率。

當洪水來襲時，洪水與墻體撞擊時，將對墻體產生一個作用力，也正是因為此作用力才產生了反射波，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。

在一個微元時間內長度流入水的質量為[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;PZ為墻體表面z方向上的壓強。

將以上式子聯立，可解得PX和PZ分別為：

假設洪水沖擊墻體時，洪水與墻體的角度為，那么墻體上任意一點的動壓強為：

3.求解

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

墻體是否崩塌以及發生崩塌的體積取決于墻體材料的力學性能、墻體的形狀、體量等許多因素，需要結合具體情況，利用墻體穩定的有關知識進行分析。

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

利用數值模擬，分析可得，當墻體為圓柱體時，在洪水沖擊下，穩定性最強;當墻體為長方體時，其穩定性不如圓柱體，尤其是長方體的棱邊出，受沖擊力很大，極其容易發生崩塌。

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

實驗與理論研究表明，當使用純泥土時，墻體的穩定性較差，當使用鋼筋混凝土時，墻體的穩定性較強。

4.總結

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，當洪水沖擊力大于墻體的極限承受力時，墻體就會發泥土脫落，最終導致墻體崩解。在洪水中的泥沙顆粒的平均直徑確定時，墻體材料與形狀的不同，直接影響著墻體的穩定性。墻體為圓柱體時，其穩定性比長方體好。實驗與理論研究表明，當使用純泥土時，墻體的穩定性較差，當使用鋼筋混凝土時，墻體的穩定性較強。

參考文獻

[1]王曉慶. 洪水演進模型及沖擊荷載研究[D].大連理工大學，2009.

[2]孫永梅. 村鎮建筑抗洪性能試驗研究及數值模擬[D].沈陽建筑大學，2012.