注水式城市應急防洪箱擋水受力特性分析

王小東，趙 君，徐進超，陳擎宇，高英倩

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.南京信息工程大學，江蘇 南京 210044；3.江蘇省水利防汛物資儲備中心，江蘇 南京 210029；4.泰州思百瑞水務有限公司，江蘇 泰州 225000）

1 概 述

近年來，暴雨洪澇災害的突發性、極端性、反常性愈發顯著，對生產生活和防洪安全造成極大影響［1］。隨著經濟水平的快速發展，城市防洪領域對防洪搶險新技術、新設備的應用需求日益增長［2］。本文針對一種高分子材質的防汛應急搶險新裝備——注水式城市應急防洪箱的擋水特性開展了研究。防洪箱在使用時只需將相鄰防洪箱搭接，同時向箱體內注水，即可快速構筑擋水子堤，實現有效擋水，單層箱體擋水高度約0.5 m，每個防洪箱左右兩側均設有專用連接系統，底部設有止水系統。該裝備具有輕巧便捷、組裝靈活、適應性強、耐久性好、綠色環保、可重復使用等顯著優點，能較好地適用于汛期平原河網地區城市內澇搶險等場景。

2 受力分析

在擋水過程中，注水式防洪箱的尺寸和受力可簡化為圖1所示的情形。圖1（a）中，h1為注入水深，h2為擋水高度，B為箱體寬度；圖1（b）中，f為箱體所受的摩擦力，N為地面對箱體的支持力，F為水體對箱體的推力。

假定箱體斷面為矩形，由受力平衡可知，為保證擋水效果應滿足：

式中：h1為注入水深；h2為擋水高度；ρ為水體密度；g為重力加速度；μ為摩擦系數；B為箱體寬度。

擋水高度與其他參數的關系應滿足：

假定摩擦系數為一定值，防洪箱寬度為0.5 m，則可由上式計算不同箱體內注水高度h1下的擋水高度h2。不同摩擦系數下最大擋水高度與注水深度關系見圖2，由圖2可知，在同一注水深度下，摩擦系數越大，擋水高度越大。

3 防洪箱受力特性

為論證防洪箱在不同擋水高度和不同流速下的結構受力特性，采用有限元分析方法，基于Ansys Mechanical 軟件［3］，對防洪箱在不同擋水高度條件下的應力、應變和變形等特性進行了進一步的分析。選取防洪箱的長×寬×高（L×B×H）分別為900 mm×650 mm×600 mm。在計算過程中，假定防洪箱未發生滑動，即底部始終與地面保持緊貼狀態，箱體內灌水深度為0.4 m，迎水面擋水高度為0.1~0.4 m，水流流速保持2.0 m/s。其中，水流產生的動水壓力采用動量定理進行計算［4］。

為保障計算精度，模型采用5 mm 的網格對防洪箱進行劃分，網格數量為144 568個（見圖3）。

計算所得不同擋水高度下防洪箱的結構受力特性見表1及圖4~6。由此可知，隨著擋水高度的逐漸增大，箱體所承受的最大應力、應變和變形均先減小后增大。水深為0.1 m 時，箱體內靜水壓力大于箱外水壓力，最大應力發生在迎水面底部，為15.91 MPa；最大變形發生在迎水面中部，為1.62 cm。隨著擋水高度增加，箱體內外水壓力達到一定平衡，最大應力和變形均有所減小。當擋水高度大于0.3 m 后，箱體外水壓力大于箱體內靜水壓力。擋水高度為0.4 m時，箱體最大應力為14.77 MPa，最大應力也發生在迎水面底部；最大變形為2.05 cm，位于迎水面中部。

表1 不同擋水高度下的受力特性

圖4 不同擋水高度下箱體最大變形

圖5 不同擋水高度下箱體最大應力

圖6 不同擋水高度下箱體最大應變

研究表明，防洪箱隨著擋水高度的變化，其應力集中部位均發生在迎水面底部，最大變形發生于迎水面中部。因此，在防洪箱的設計過程中，應充分考慮迎水面強度，使其滿足擋水要求。

4 結 語

注水式城市應急防洪箱是一款高分子材質的防汛應急搶險新裝備，具有輕巧便捷、組裝靈活、綠色環保、適應性強、耐久性好、可重復使用等特點，在城市防汛應急搶險過程中的應用前景廣闊。為研究其擋水穩定及受力特性，本文采用理論分析和有限元計算等手段對其進行分析，提出了防洪箱的擋水穩定條件，同時采用有限元計算方法對其在不同擋水高度條件下箱體最大應力、應變和變形特性進行了分析，結果表明防洪箱最大應力位于迎水面底部，最大變形發生在迎水面中部。相關研究成果為注水式城市應急防洪箱的結構和體型優化設計提供了參考依據。