基于有限元裝配式擋洪結構優化設計分析

方 良

(修水縣應急管理局，江西 九江 332400)

江西省自然災害嚴重，其中洪澇災害是全省造成人員傷亡最為嚴重的災種之一[1]，因此設計防洪結構對應對暴雨災害具有重要的安全意義[2- 3]。目前，國內外利用結構力學設計原理對防洪結構做出了部分研究，包括防洪護岸構筑物設計、提籃拱及其吊桿支座設計、裝配式鋼筋混凝土空心板以及堤防結構型式剛性襯砌和柔性襯砌設計等[4- 10]。本文基于對前文的擋洪結構研究，將新型塑料材料與金屬結構相結合，設計了一種新型擋洪結構，最后基于載荷場試驗、有限元分析以及現場測試驗證結果，表明該結構能夠成為一種有效地擋洪結構，可用于實際生產應用。

1 流域概況

修河長江流域發源于幕阜山下、湘鄂贛3省交界處的黃龍山，地貌類型主要屬山前丘陵沖積低地平原和半波狀沖積平原，地貌分區主要屬九江下的丘陵沖積平原型地區。修河長江流域常年長期遭受強低溫降雨干旱天氣，管轄行政區域內東部修水縣盆地平均每年降雨量209.3mm，其中常年降雨300mm以上的暴雨站點13個。最近一次修河降雨水位洪峰，水位96.69米，流量6110m3/s，是1983年以來的最高降雨水位。此次的強降雨天氣造成修水縣全縣公路全部塌方、橋梁全部受損，全縣洪水沖毀所有農田9800畝，農作物絕收受災面積31.97萬余畝，成災災害面積17.11萬余畝，絕收受災面積3.65萬余畝，糧食生產損失2.47萬噸，直接經濟損失1.5億余元。

2 模塊式擋墻設計

本文設計的模塊化防洪堤結構由一個傾斜和水平結構組成，如圖1所示。在設計中，水壓力作用在外部擋洪結構，連接支撐來承受壓力。斜擋表面上的水壓力確保了足夠的錨固應力，可以防止總體結構發生移動。如果防洪堤結構安裝在地面上，需要在兩個結構水平部分下方放置橡膠密封件；如果是安裝在位于不平或松軟的地面上，則在水平部分使用錨定桿，使用連接桿連接垂直部件。為了讓結構穩定性更大，垂直部件按照從長到短的順序相互安裝，并用桿連接，該結構在一定程度上允許彎曲。對于凸面結構，如圖2所示，無需連接水平部分。面板的水平連接增加了墻的整體阻力。對于凹面形狀只需連接第二個水平部分。傾斜部件的角度設置可根據支架的長度及其附著點的位置進行調整，模塊化結構允許改變傾斜部件的長度。

圖1 模塊化防洪堤結構

圖2 凸凹工程結構

3 有限元分析驗證

模塊化防洪堤結構的有限元分析荷載示意圖如圖3所示。模擬荷載包括F1=17.72kN，水位高度1.6m，P1上的水壓力為0.016MPa，以及基底和表面之間的應力F6=0.55MPa，F7=0.55MPa，F8=0.55MPa。值得一提的是，本次荷載的施加方式嚴格考慮了真實自然條件下力的大小變化，因此一些重要節點應力狀態和靜力響應具有一定現實意義。本文根據有限元分析結果，不斷地調整結構各部件的比例，直至所設計的結構能夠滿足穩定性條件。最后設計結構的應力云圖如圖4所示，節點應力見表1。由圖4和表1可知，面板底面處一直受壓應力控制，說明水壓對擋洪結構有一定的固定作用，而從其他幾處結果可以看出結構受拉應力作用明顯。其中短支撐桿的受力最大，F3n為5.56kPa，而左下角構件的應力最小為0.946kPa。

圖3 模塊化防洪堤結構的有限元分析荷載

圖4 模塊化防洪堤結構的有限元分析結果

表1 有限元分析結果節點應力

4 室外測試驗證與優化設計

本文在修河流域附近進行了一系列洪水試驗，以測試所設計結構抵抗水壓的能力和各個構件的穩定性。圖5為本次測試現場圖。測試結果表明，本文設計的防洪堤結構結構穩定，即使在強降雨條件下也能承受水壓力，最大位移僅3mm。為更好測試構件潛在的失效模式，試驗時按一定距離布置了應力計來對結構的張力進行測量，并測定了各個支架結構中的應力。本次實際測量的各監測點結構應力如圖6所示。由圖可知，隨著水位深度的增加，右下角監測點與短連接桿的的應力增長塊，且增量最大，其次是長連接桿中接近外部面板的監測點4*的應力增加速度最快，而長、短連接桿中部監測點的應力幾乎沒有變化。因此可以認為之前的理論假設和實際測試結果吻合較好。但從圖6中也可看到，隨著水位增加，連接結構的應力增長十分迅速，雖然總體上能夠抵擋小型洪水的沖擊，然而長時間的水壓下，此種應力增長趨勢嚴重威脅了鏈接結構的耐久性。因此，本文在之前的設計基礎上，進一步對連接桿和擋洪面板進行了改進，其中鏈接構件由原來的長徑比較大的圓柱形改進為矩形裝備配式鏈接器件，面板則采用“田”字框架式的幾何配置。新型整體裝配式擋洪結構新型整體裝配式與舊式結構各指標對比如圖7所示。由圖7可知，隨著水位的上漲，進行優化設計后的監測點的應力最大減小了31.2%，位移最大僅為1.4mm，能大大增加結構的服務期限和結構安全性。

圖5 現場測試圖

圖6 監測點結構應力

圖7 新型整體裝配式與舊式結構各指標對比

5 結語

本文將新型塑料材料與金屬結構相結合，設計了一種新型擋洪結構。該結構通過有限元軟件反復設計校核，同時在流域內進行了強降雨條件下結構穩定性驗證試驗，在理論設計上和實際應用中都具有較高的可靠性。此外，本文在舊式結構設計的基礎上，采用新型矩形裝配式鏈接器件和“田”字框架式的幾何配置，能使洪水應急人員在短時間內進行快速安裝，提高了此類擋洪結構的便捷性。但此擋洪結構設計未考慮不同地區洪峰流量差異和河堤高度，因此還需進一步優化和檢驗。