移动式防洪墙模型系统整体力学性能测试

雷 冬，洪 淼，周锴旸，李建习，范力阳，付建军

（1.河海大学 力学与材料学院，南京210098；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙410014）

为了实现城市防洪功能和生态景观的融合［1-3］，新型防洪墙正在取代传统的重力式、 悬臂式等混凝土防洪墙， 目前在我国已经应用的有活动钢闸板防洪墙［4-5］、插板式防洪墙［6］等。活动钢闸板防洪墙自重过大，制造、运输、安装技术要求较高，且需要较大的有起吊设备的仓库保管闸板［7］；插板式防洪墙施工工艺复杂，安装时需要机械吊装且容易发生渗水。本文研究的移动式铝合金防洪墙（简称移动式防洪墙）具有安全可靠性高、安装拆卸方便、循环使用率高、运输存放方便的特点，符合城市水生态刚性需求，具有不破坏现有林木、 建筑景观及不影响旅游业等优点［8］。 为了测试移动式防洪墙的整体力学性能，本文建立了测试模型系统， 分别针对2.4m和4m挡水高度进行了系统整体力学性能的试验研究［9-10］。

1 测试模型系统

试验采用的测试系统为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的扇面移动式防洪墙和两面高为2.4m的直面移动式防洪墙围成，测试选择为一直面墙进行测试；后者北侧为高度4m、单跨2.5m的移动式防洪墙，东侧、南侧为混凝土墙，西侧下部为3m高的混凝土墙，上部1m为移动式玻璃防洪墙， 选择北侧的移动式铝合金防洪墙进行测试。 测试模型系统的蓄水池平面图和现场实景如图1和图2。 该系统建立在江苏戴克防洪科技有限公司移动防洪墙工厂内部的专用试验场。

图1 测试模型系统蓄水池平面图

图2 测试模型系统现场实景

移动式铝合金防洪墙立柱、 挡板所采用的材料是6063铝合金，具有较高的抗拉强度，立柱和挡板的截面如图3。

2.4m高扇形水池蓄满水大约需要6h，4m方形水池蓄满水约需4h。 2.4m高防洪墙选取跨度为3m的挡板，4m高防洪墙选取跨度为2.5m的挡板进行测试，以判断是否满足最强的工况要求。 2.4m及4m防洪墙试验段尺寸和测点布置如图4、图5，其中蓝色测点为拉线式位移计测点， 用于测试立柱和挡板不同测点的挠度变化；红色测点为应变片测点，用于测试立柱和挡板的局部应变，以获得不同测点的应力变化。

图3 挡板截面图和立柱截面图

图4 2.4m防洪墙试验段测点布置图

图5 4m防洪墙试验段测点布置图

2 测点布置和试验过程

2.1 测点布置

2.4m高的防洪墙试验段共贴有4组应变片，分为A，B，C，D 4组，每组8片，从上往下依次编号A1～A8，B1～B8，C1～C8，D1～D8，共计32片应变片，其中A组贴在立柱上，A1～A5贴在立柱主体上，A6～A8贴在立柱的加强件上。另外，设2组拉线式位移传感器，分为E，F两组，E组5个，F组6个，共计11个位移传感器，其中E组设置在立柱上，从上往下为E1～E5，F组设置在挡板上，从上往下为F1～F6。

4m高的防洪墙试验段共贴有4组应变片， 分为A，B，C，D 4组，每组9片，从上往下依次编号A1～A9，B1～B9，C1～C9，D1～D9，共计36片应变片，其中A组贴在立柱上，A1～A6贴在立柱主体上，A7～A9贴在立柱的加强件上。另外，设2组拉线式位移传感器，分为E，F两组，每组6个，共计12个位移传感器，其中E组设置在立柱上，从上往下为E1～E6，F组设置在挡板上，从上往下为F1～F6。

2.2 试验过程

（1） 在移动式防洪墙的立柱及挡板测点位置安装应变片及拉线式位移计。

（2）初始水位、初始应变值及初始位移传感器读数清零。

（3）缓慢蓄水直至蓄满，每0.1m水位记录相应测点的应变值及位移传感器读数的变化。

（4）蓄满水后，保持7d，然后将水池的水排空，观察泄水后残余的应力、应变及位移。

3 变形和应力测试结果

3.1 2.4m高防洪墙试验段测试结果

A组立柱主体应力、应变随水位变化如图6。

图6 立柱主体应力、应变随水位变化

从图6可看出，随着水位上升，应力、应变均呈现上升趋势，其中立柱主体最底部的A5变化最为明显，应变最大可达450个微应变，应力最大为33 MPa。

立柱加强件的应力、应变随水位变化如图7。

图7 立柱加强件应力、应变随水位变化

从图7可看出，A7，A8随水位的升高应力、 应变呈现明显增大， 加强件最底部A8应变最大可达330个微应变， 应力最大可达23 MPa；A6为加强件最顶上的测点，此处应力、应变变化较小，基本不受荷载作用。

C组挡板中部应力、应变水随水位变化如图8。从图8可看出， 应力应变随水位升高呈现上升趋势，其中最底部C5～C8上升趋势最为明显， 应变最大可达约1100个微应变，应力最大可达80 MPa，越靠上部的挡板应力、应变上升幅度越小。

图8 挡板中部应力、应变随水位变化

立柱最大应力及挠度汇总如表1。

表1 立柱应力及挠度

由表1可知， 立柱主体的应力从上往下递增，最大应力出现在立柱主体和加强件的过度位置A5，加强件中最大应力出现在A8， 最大挠度出现在立柱顶端的E1。

挡板最大应力及挠度汇总如表2。

表2 挡板应力及挠度

如表2所示，挡板的应力从上往下递增，最大应力出现在C6，C7两块挡板上， 而最底部C8挡板反而不是应力最大位置； 挠度变化中， 最大挠度出现在F4，F5两块挡板上，最底下的F6也不是挠度最大的挡板， 分析原因为最底下的挡板与地面之间的摩擦力限制了挡板的变形。

3.2 4m高防洪墙试验段测试结果

A组立柱主体应力应变随水位变化如图9。从图9可看出，应力、应变开始变化不明显，这是由于水压力刚刚作用在加强件上， 水位还没到达加强件以上的立柱主体，当水位到达1500 mm后，应力、应变开始明显增大，应变最大可达1500个微应变左右，应力最大可达100 MPa。

图9 立柱主体应力应变随水位变化

立柱加强件应力、应变随水位变化如图10。从图10可看出， 加强件应力、 应变随水位上升呈上升趋势，最大应力、应变为加强件最底部A9应变片，最大应变为550个微应变，最大应力为38 MPa。

图10 立柱加强件应力、应变随水位变化

挡板中部应力应变随水位变化如图11。 从图11可看出，随着水位上升，应力、应变均呈现上升趋势，其中最底部4块挡板C6，C7，C8，C9上升最为明显，且最大应力、 应变比较接近， 最大应变为1400个微应变，最大应力为97 MPa左右。

图11 挡板中部应力、应变随水位变化

将立柱及挡板的最大应力及挠度汇总如表3、表4。

表3 立柱应力及挠度

表4 挡板应力及挠度

如表3所示， 立柱主体的应力从上往下递减，最大应力出现在立柱主体和加强件的过渡位置A6，加强件中最大应力出现在A9， 最大挠度出现在立柱顶端的E1。如表4所示，挡板的应力从上往下递增，最大应力出现在C7，C8两块挡板上， 而最底部C9挡板反而不是应力最大位置；挠度变化中，最大挠度出现在F4，F5两块挡板上， 最底部F6也不是挠度最大挡板，这同样是因为最底部挡板与地面之间的摩擦力限制了挡板变形。

4 结语

分析2.4m及4m高防洪墙的承载力试验结果可知：

（1）立柱及其加强件的应力、应变随着水位上升呈增加趋势。在最高水位，立柱主体的应力从上往下递增，加强件中最大应力出现在最下端，系统中的最大应力出现在立柱主体和加强件的过渡位置； 立柱的最大挠度出现在立柱顶端。因此，立柱的危险点在立柱主体和加强件的过渡位置。

（2） 挡板中部应力、 应变随水位上升呈增加趋势。 在最高水位，挡板的应力从上往下递增，但由于地面摩擦约束的影响， 最大应力出现在从下往上的第二及第三块挡板的中部。 因此挡板的危险点为从下往上第二及第三块挡板中部。