移動式防洪墻模型系統整體力學性能測試

雷 冬，洪 淼，周鍇旸，李建習，范力陽，付建軍

（1.河海大學 力學與材料學院，南京210098；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙410014）

為了實現城市防洪功能和生態景觀的融合［1-3］，新型防洪墻正在取代傳統的重力式、 懸臂式等混凝土防洪墻， 目前在我國已經應用的有活動鋼閘板防洪墻［4-5］、插板式防洪墻［6］等。活動鋼閘板防洪墻自重過大，制造、運輸、安裝技術要求較高，且需要較大的有起吊設備的倉庫保管閘板［7］；插板式防洪墻施工工藝復雜，安裝時需要機械吊裝且容易發生滲水。本文研究的移動式鋁合金防洪墻（簡稱移動式防洪墻）具有安全可靠性高、安裝拆卸方便、循環使用率高、運輸存放方便的特點，符合城市水生態剛性需求，具有不破壞現有林木、 建筑景觀及不影響旅游業等優點［8］。 為了測試移動式防洪墻的整體力學性能，本文建立了測試模型系統， 分別針對2.4m和4m擋水高度進行了系統整體力學性能的試驗研究［9-10］。

1 測試模型系統

試驗采用的測試系統為2.4m高的扇形蓄水池及4m高的方形蓄水池， 前者由一面高2.4m的扇面移動式防洪墻和兩面高為2.4m的直面移動式防洪墻圍成，測試選擇為一直面墻進行測試；后者北側為高度4m、單跨2.5m的移動式防洪墻，東側、南側為混凝土墻，西側下部為3m高的混凝土墻，上部1m為移動式玻璃防洪墻， 選擇北側的移動式鋁合金防洪墻進行測試。 測試模型系統的蓄水池平面圖和現場實景如圖1和圖2。 該系統建立在江蘇戴克防洪科技有限公司移動防洪墻工廠內部的專用試驗場。

圖1 測試模型系統蓄水池平面圖

圖2 測試模型系統現場實景

移動式鋁合金防洪墻立柱、 擋板所采用的材料是6063鋁合金，具有較高的抗拉強度，立柱和擋板的截面如圖3。

2.4m高扇形水池蓄滿水大約需要6h，4m方形水池蓄滿水約需4h。 2.4m高防洪墻選取跨度為3m的擋板，4m高防洪墻選取跨度為2.5m的擋板進行測試，以判斷是否滿足最強的工況要求。 2.4m及4m防洪墻試驗段尺寸和測點布置如圖4、圖5，其中藍色測點為拉線式位移計測點， 用于測試立柱和擋板不同測點的撓度變化；紅色測點為應變片測點，用于測試立柱和擋板的局部應變，以獲得不同測點的應力變化。

圖3 擋板截面圖和立柱截面圖

圖4 2.4m防洪墻試驗段測點布置圖

圖5 4m防洪墻試驗段測點布置圖

2 測點布置和試驗過程

2.1 測點布置

2.4m高的防洪墻試驗段共貼有4組應變片，分為A，B，C，D 4組，每組8片，從上往下依次編號A1～A8，B1～B8，C1～C8，D1～D8，共計32片應變片，其中A組貼在立柱上，A1～A5貼在立柱主體上，A6～A8貼在立柱的加強件上。另外，設2組拉線式位移傳感器，分為E，F兩組，E組5個，F組6個，共計11個位移傳感器，其中E組設置在立柱上，從上往下為E1～E5，F組設置在擋板上，從上往下為F1～F6。

4m高的防洪墻試驗段共貼有4組應變片， 分為A，B，C，D 4組，每組9片，從上往下依次編號A1～A9，B1～B9，C1～C9，D1～D9，共計36片應變片，其中A組貼在立柱上，A1～A6貼在立柱主體上，A7～A9貼在立柱的加強件上。另外，設2組拉線式位移傳感器，分為E，F兩組，每組6個，共計12個位移傳感器，其中E組設置在立柱上，從上往下為E1～E6，F組設置在擋板上，從上往下為F1～F6。

2.2 試驗過程

（1） 在移動式防洪墻的立柱及擋板測點位置安裝應變片及拉線式位移計。

（2）初始水位、初始應變值及初始位移傳感器讀數清零。

（3）緩慢蓄水直至蓄滿，每0.1m水位記錄相應測點的應變值及位移傳感器讀數的變化。

（4）蓄滿水后，保持7d，然后將水池的水排空，觀察泄水后殘余的應力、應變及位移。

3 變形和應力測試結果

3.1 2.4m高防洪墻試驗段測試結果

A組立柱主體應力、應變隨水位變化如圖6。

圖6 立柱主體應力、應變隨水位變化

從圖6可看出，隨著水位上升，應力、應變均呈現上升趨勢，其中立柱主體最底部的A5變化最為明顯，應變最大可達450個微應變，應力最大為33 MPa。

立柱加強件的應力、應變隨水位變化如圖7。

圖7 立柱加強件應力、應變隨水位變化

從圖7可看出，A7，A8隨水位的升高應力、 應變呈現明顯增大， 加強件最底部A8應變最大可達330個微應變， 應力最大可達23 MPa；A6為加強件最頂上的測點，此處應力、應變變化較小，基本不受荷載作用。

C組擋板中部應力、應變水隨水位變化如圖8。從圖8可看出， 應力應變隨水位升高呈現上升趨勢，其中最底部C5～C8上升趨勢最為明顯， 應變最大可達約1100個微應變，應力最大可達80 MPa，越靠上部的擋板應力、應變上升幅度越小。

圖8 擋板中部應力、應變隨水位變化

立柱最大應力及撓度匯總如表1。

表1 立柱應力及撓度

由表1可知， 立柱主體的應力從上往下遞增，最大應力出現在立柱主體和加強件的過度位置A5，加強件中最大應力出現在A8， 最大撓度出現在立柱頂端的E1。

擋板最大應力及撓度匯總如表2。

表2 擋板應力及撓度

如表2所示，擋板的應力從上往下遞增，最大應力出現在C6，C7兩塊擋板上， 而最底部C8擋板反而不是應力最大位置； 撓度變化中， 最大撓度出現在F4，F5兩塊擋板上，最底下的F6也不是撓度最大的擋板， 分析原因為最底下的擋板與地面之間的摩擦力限制了擋板的變形。

3.2 4m高防洪墻試驗段測試結果

A組立柱主體應力應變隨水位變化如圖9。從圖9可看出，應力、應變開始變化不明顯，這是由于水壓力剛剛作用在加強件上， 水位還沒到達加強件以上的立柱主體，當水位到達1500 mm后，應力、應變開始明顯增大，應變最大可達1500個微應變左右，應力最大可達100 MPa。

圖9 立柱主體應力應變隨水位變化

立柱加強件應力、應變隨水位變化如圖10。從圖10可看出， 加強件應力、 應變隨水位上升呈上升趨勢，最大應力、應變為加強件最底部A9應變片，最大應變為550個微應變，最大應力為38 MPa。

圖10 立柱加強件應力、應變隨水位變化

擋板中部應力應變隨水位變化如圖11。 從圖11可看出，隨著水位上升，應力、應變均呈現上升趨勢，其中最底部4塊擋板C6，C7，C8，C9上升最為明顯，且最大應力、 應變比較接近， 最大應變為1400個微應變，最大應力為97 MPa左右。

圖11 擋板中部應力、應變隨水位變化

將立柱及擋板的最大應力及撓度匯總如表3、表4。

表3 立柱應力及撓度

表4 擋板應力及撓度

如表3所示， 立柱主體的應力從上往下遞減，最大應力出現在立柱主體和加強件的過渡位置A6，加強件中最大應力出現在A9， 最大撓度出現在立柱頂端的E1。如表4所示，擋板的應力從上往下遞增，最大應力出現在C7，C8兩塊擋板上， 而最底部C9擋板反而不是應力最大位置；撓度變化中，最大撓度出現在F4，F5兩塊擋板上， 最底部F6也不是撓度最大擋板，這同樣是因為最底部擋板與地面之間的摩擦力限制了擋板變形。

4 結語

分析2.4m及4m高防洪墻的承載力試驗結果可知：

（1）立柱及其加強件的應力、應變隨著水位上升呈增加趨勢。在最高水位，立柱主體的應力從上往下遞增，加強件中最大應力出現在最下端，系統中的最大應力出現在立柱主體和加強件的過渡位置； 立柱的最大撓度出現在立柱頂端。因此，立柱的危險點在立柱主體和加強件的過渡位置。

（2） 擋板中部應力、 應變隨水位上升呈增加趨勢。 在最高水位，擋板的應力從上往下遞增，但由于地面摩擦約束的影響， 最大應力出現在從下往上的第二及第三塊擋板的中部。 因此擋板的危險點為從下往上第二及第三塊擋板中部。