山區洪水對下游房屋沖擊特性的試驗研究

鄭涵午，黃 爾，路 信，羅 銘，丁 銳

(四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，成都 610065)

0 引 言

洪水災害自古以來是制約經濟社會發展的重要因素。山區洪水由上游暴雨或山體滑坡、潰壩等因素造成，原河道內水量激增，沿坡度較陡的河道迅速沖泄至下游，對下游地區的人身安全、財產安全和生態環境等方面會造成嚴重的威脅[1-3]。

洪水對下游建筑物產生破壞作用，前人針對建筑物受水流各方面影響做過相關研究。林鳳習、任曉麗[4]通過水槽試驗研究周期波浪對建筑物的沖擊特性；吳安杰等[5]采用ANSYS - CFX對洪水沖擊不同尺寸橋墩過程進行了數值模擬計算，分析洪水沖擊效應以及流固耦合效應與潰壩水流的關系；陳洪凱等[6]針對山洪流體對路基不同點位的沖擊力大小和分布規律進行研究；肖詩云[7]根據圣維南方程推導一維洪水演進模型，與一元非恒定流能量方程結合推導沖擊荷載計算公式，由計算公式得房屋下部受水流荷載最大；孫云飛[8]利用數值模擬對下游建筑物破壞進行分析；肖詩云[9]通過試驗分析水流對開洞房屋的沖擊作用。上述針對水流荷載展開的相關研究，表明上游洪水對下游建筑物的安全產生嚴重威脅。但目前針對山區洪水對下游房屋沖擊特性的試驗研究相對較少。

本文主要根據山區洪水水面比降較陡的性質，采用物理模型試驗，研究洪水在不同蓄水深度、房屋模型距潰口距離以及坡度為9%的水槽條件下對房屋模型的沖擊特性，主要針對房屋模型受力的時空變化特征、迎流面水位變化進行相關分析。

1 模型試驗設計

1.1 試驗裝置

本文模型試驗主要涉及設備：①玻璃水槽。水槽長10 m、寬1 m、高0.5 m，坡降9%；②蓄水擋板；③星儀CYYZ31防水型壓力傳感器(6個)；④YWH200-DXX型數字波高儀。

1.2 試驗設計

試驗在四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室實驗大廳的水槽內進行，在水槽上游段固定一塊擋板，擋板與槽底以螺栓連接，可繞螺栓翻轉，擋板頂部設置一鋼條固定，在擋板與水槽間隙處抹上固體膠防止蓄水時流體溢漏。由水泵引水至上游蓄水段，待水深蓄至指定高度，關閉水泵，轉動鋼條使擋板頂部自由，擋板在水壓作用下繞螺栓翻轉，水流傾瀉，以此模擬一次洪水作用。在水槽下游距擋板一定距離處設置房屋模型，在模型迎流面處設置6個壓力測點測量各位置的壓力過程線，模型中間位置垂向布置波高儀，以此觀測水深變化。在9%的坡度條件下，以房屋模型受到上游發展穩定的水流作用為一次山區洪水作用。試驗整體布置圖如圖1所示。

圖1 實驗整體布置圖

本試驗房屋模型由有機玻璃制作，房屋模型長為0.6 m、寬0.4 m、高0.3 m、墻體厚0.02 m。房屋模型迎流面不設置開洞。

本次試驗的主要目的是研究山區洪水對房屋的沖擊荷載作用，分析各工況下，房屋所受的沖擊力的特性及差異。洪水來臨時，房屋迎流面最先受到沖擊，也是最容易受損的部位，玻璃水槽及概化的建筑物模型均為對稱設計，壓力傳感器僅安裝在模型迎流面左側，為便于分析房屋迎流面上壓力的二維變化特征，壓力測點主要沿橫向和縱向布置，在房屋迎流面上布置6個測點，如圖2所示。

圖2 壓力測點布置(單位：m)

為研究不同流量、不同發展時間條件下洪水的沖擊作用，取變量蓄水深度h、房屋模型距潰口距離L，對房屋模型的沖擊荷載作用以及對應的水位雍高變化進行測量，考慮模型場地等因素的制約，即在水槽高度為0.5 m，長度為10 m以及各試驗裝置的布置位置的限制條件下，h取0.3、0.4、0.5 m來模擬3種不同強度的洪水，各蓄水高度情況可由一維圣維南方程的經典Ritter解[10]計算轉化為瞬間全潰情況下的初始流量，計算公式如式(1)所示。L取2、2.5、3 m，L在2～3 m的取值用于驗證水流是否發展穩定。共設置9組試驗，各工況如表1所示。每個工況做五組試驗，取其平均值作為分析數據。

表1 試驗方案布置

(1)

式中：Q為流量，m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為蓄水深度，m；B為水槽寬度，m。

2 試驗結果分析

該物理模型研究了在河道坡降一定的條件下，蓄水深度和房屋模型距潰口距離不同條件下洪水對房屋模型迎流面的沖擊特性，由迎流面的壓傳感器和波高儀分別得各測點的動壓強歷時曲線和建筑物中心線上的水深變化。

2.1 迎流面水位變化分析

模型試驗中，在房屋模型迎流面中心布置波高儀來測量水深，以水槽槽底為0點記錄水位變化。圖3所示坡降為9%，距潰口距離L=2 m，h=0.3，0.4，0.5 m情況下的水位變化圖。

圖3 迎流面中心水位歷時曲線

由圖3所示，迎流面中心水位隨著蓄水深度的增加而增加，且呈現先迅速增大后緩慢減小的趨勢。水流沖擊壁面后，壁面迫使水流沿壁面向上運動及兩側繞流，壁面水位急劇增加，沿壁面向上運動水流流速減至0后，開始回落并與來流相互混摻形成壅水，來流減小后形成模型的退水段。

2.2 動壓強歷時曲線

試驗中在建筑物迎流面布置了壓力傳感器來記錄不同工況下各測點的動壓強歷時曲線。以壓強開始變化點為0時刻記錄各測點動壓強變化特性。圖4為測點6在h=0.3、0.4、0.5 m時，L=2、2.5、3 m條件下動壓強歷時曲線。

如圖4所示，隨L的增加，測點壓強歷時曲線基本保持不變。該現象表明房屋模型在L=2、2.5、3 m三處位置所受固定蓄水高度條件下的水流沖擊情況基本相同，水流在距潰口2 m處位置已基本發展穩定。在2 m處的試驗結果可用于表征各工況下的水流沖擊特性。

圖4 測點6隨距潰口距離改變時動壓強歷時曲線

圖5為測點3、6在L=2 m，h=0.3、0.4、0.5 m條件下動壓強歷時曲線。

圖5 測點3、6動壓強歷時曲線

由圖5所示，隨著蓄水深度增加，測點3和測點6都分別呈現壓強增大的趨勢。測點6在受水流沖擊作用后，短時間內呈現明顯的峰荷載現象，距壓強開始變化后的0.75s達到最大值，壓強歷時曲線在初始時刻存在突增的現象，在蓄水深度為0.4和0.5 m的情況下壓強歷時曲線存在突降現象，而蓄水深度為0.3 m情況下壓強歷時曲線不存在突降現象；相比之下，測點3壓強開始變化后緩慢增加至峰值，荷載發展至距壓強開始變化后的2s左右達到最大值，整體荷載變化相對測點6較為平穩，峰荷載變化不呈現突增突降現象。

造成測點3與測點6動壓強歷時曲線差異性的原因在于房屋壁面上受到洪水作用形式的不同，測點6布置于房屋下側，受水流直接沖擊作用明顯，流速在壁面突降為0，流速水頭在除去水頭損失之外轉化為壓強水頭，在該水槽坡度及蓄水深度條件下水流流速較大，從而造成房屋下側壁面壓強在短時間內急劇增加至最大值；測點3布置于房屋上側，水流在沖擊房屋下側后，垂直于壁面流速減至0，并產生沿壁面向上的流速，同時水位壅高，影響至測點3壓強，其不直接受水流沖擊作用，不產生壓強突變現象。

測點6在蓄水深度為0.4及0.5與0.3 m條件下壓強歷時曲線在水流沖擊下突增突降性存在差異。該差異的原因是蓄水深度0.4及0.5 m條件下水流沖擊荷載較大，而房屋模型迎流面壅水造成的壓強值相對較小。房屋模型迎流面受來流沖擊后，迎流面處產生一定壅水，其將對測點6壓強值產生貢獻。當這部分壓強大小不足以替代初始沖擊產生的沖擊荷載大小時，房屋壓強歷時曲線會產生突降段，如蓄水深度為0.4 m及0.5 m條件下測點6的壓強歷時曲線所示。而當這部分壓強大小與初始沖擊荷載大小相近時，初始沖擊產生壓強突增后，壓強降低段將呈現一個較平穩的過程，如蓄水深度為0.3 m條件下壓強歷時曲線所示。

2.3 迎流面壓強峰值分布規律

洪水沖擊房屋時，由于迎流面淹沒水深及流速的影響，其水平方向和垂直方向的動水壓強峰值有很大的差異。為了研究建筑物迎流面動水壓強分布規律，本文選取水平方向壓力測點1、2、3、4；垂直方向壓力測點3、5、6共6個測點作壓強峰值分布圖。圖4(a)、(b)、(c)橫坐標以測點1為原點，橫坐標表示各測點距測點1的水平距離；(d)、(e)、(f)橫坐標以測點6為原點，橫坐標表示各測點距測點6的垂直距離。

由圖6(a)、(b)、(c)，建筑物中間位置所受荷載最大，以水平向向兩側遞減，由于房屋布置為一繞流物體，水流由房屋兩側向下游泄流，當壁面壅高水位時，壅高水體從兩側泄流從而壁面水位由中心位置向兩側存在一定程度的降低，造成壓強降低。圖6(d)、(e)、(f)所示，房屋迎流面下部所受峰值荷載最大，向上遞減。沿房屋壁面向上，測點所受初始水流沖擊作用效果越不明顯，壓強峰值依賴壁面壅水，房屋下部受流速水頭影響較大，在該蓄水深度及坡度9%條件下水流流速較大，使其下部測點壓強峰值較受壅水作用產生的壓強要大。蓄水深度越大，各測點峰值荷載越大，其對建筑物迎流面荷載分布趨勢基本無影響。

圖6 壓強峰值分布圖

2.4 水位、壓強變化關系

為了更明顯地分析壓強與水位的變化關系，將不同工況下模型迎流面中心水位歷時曲線和測點3、6壓強歷時曲線進行比較，如圖7所示。圖7為測點3、6在L=2 m情況下各蓄水深度對應的水位、壓強對比圖，左側縱坐標為壓強，右側縱坐標為水位，橫坐標為時間。由于試驗設備的局限，水位變化的起點和壓強變化的起點難以做到時間上的同步，本文假定水位變化的起點為波高儀測得水位剛好到達對應測點的時刻，壓強變化的起點為壓強開始增加的時刻點。

圖7 水位、壓強歷時曲線

圖7(a)、(b)、(c)分別為測點3在蓄水深度為0.3、0.4、0.5 m時對應的水位壓強歷時曲線。測點3的壓強基本隨水位升高而增加，但壓強峰值相對水位峰值存在時間上的滯后效應。圖7(d)、(e)、(f)分別為測點6在h=0.3、0.4、0.5 m時對應的水位壓強歷時曲線。測點6的水位壓強呈現較好的匹配關系，壓強隨水位變化而變化并呈同增同減趨勢，水位最高點與壓強最大值發生時間一致。

該實測水位變化過程再次闡釋前述不同測點位置的壓強峰值，初始水流受壁面作用向上運動過程中，流速水頭在房屋下部轉化為壓強水頭，短時間內雖然水深達到上部測點之上，但該段水流處于破碎狀態，難以對上部測點產生對應于該水深情況下的壓強值，隨后一段時間雖然測得水位有小幅度的降低，但有效水深逐漸增加并且水流趨于穩定，房屋上部測點壓強逐步增加至峰值。

2.5 壓強概化分析

房屋模型壁面垂直方向各測點壓強具有明顯的特征性，房屋下部測點6壓強在測量時段范圍內均大于上部測點壓強，來流一定情況下房屋下部容易受洪水沖擊破壞，因此，針對該點進行壓強概化分析，可作壓強概化歷時曲線，見圖8。

圖8 測點6壓強概化曲線

如圖8所示，房屋下部測點受水流沖擊時，壓強在0～t1段急劇增加至最大值。在t1～t2段壓強減小，根據試驗發現，該段只存在于流速水頭十分大的情況，即初始流速水頭大于后期壅水作用時，存在該段壓強降低段；t2～t3段為一壓強穩定曲線，該段時長取決于來流及過流量，t3段之后為一退水段曲線，該次洪水過程線進入退水過程，來流量減小，壁面原始壅水開始下降，壓強降低。

3 結 語

本文以坡度為9%的水槽中發展的穩定水流為一次山區洪水來流，研究其對房屋模型的作用機制。根據模型試驗結果，發現房屋迎流面中心下部受壓強最大，且峰值出現早，通過對初始水流沖擊迎流面后的各階段水流作用機制進行分析得出：房屋下部受水流沖擊影響較大，水流流速較大時容易在初始時刻產生峰值點，而上部主要受迎流面壅水作用影響，峰值出現較晚。由此可對迎流面下部壓強進行概化，用于分析其壓強變化。