肖 詩 云， 岳 斌， 楊 留 娟， 葛 學(xué) 禮， 朱 立 新

（1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.中國建筑科學(xué)研究院 抗震所，北京 100013）

0 引 言

在各種自然災(zāi)害中，洪水災(zāi)害是最主要的危害之一，每年洪澇災(zāi)害引起的經(jīng)濟(jì)損失約占各種自然災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失總數(shù)的40%[1].我國受洪災(zāi)威脅范圍極大，大約5億人口、3 000萬公頃耕地、100多座大中城市都受到洪水的威脅，一旦潰堤，勢必會有無數(shù)的村鎮(zhèn)建筑被毀.據(jù)統(tǒng)計，從公元前200年左右至1949年的2000多年間，我國共發(fā)生洪災(zāi)1 029次，平均每2年就有1次，新中國成立后的60多年間全國因洪澇累計受災(zāi)面積達(dá)47 800平方公里，倒塌房屋約1.1億間，死亡超過26.3萬人.近年來由于水災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失顯著增加，年平均直接經(jīng)濟(jì)損失1 214億元，約占同期GDP的2.3%.從全國來看，房屋倒塌主要分布在平原地區(qū)，七大江河下游平原（海拔高程200 m以下）房屋倒塌的數(shù)量占全國總數(shù)的3/5，山區(qū)、丘陵區(qū)占2/5[2].

按照不同的方法可將洪水進(jìn)行分類，如按照洪水成因的不同，可以分為暴雨洪水災(zāi)害、融雪洪水災(zāi)害、冰凌洪水災(zāi)害、暴潮洪水災(zāi)害、潰口洪水災(zāi)害以及山洪、泥石流災(zāi)害等；若按洪水災(zāi)害的災(zāi)情輕重，又可以分為微災(zāi)、小災(zāi)、中災(zāi)、大災(zāi)和巨災(zāi)五類；如果按洪水災(zāi)害發(fā)生范圍，又可以分為區(qū)域型洪災(zāi)和流域型洪災(zāi)兩類[3].

洪水的沖擊作用并沒有引起人們的重視，主要是因為洪水的沖擊歷經(jīng)時間比較短，而且沖擊作用范圍也僅局限于潰堤或潰壩口附近.迄今為止，洪水沖擊對村鎮(zhèn)建筑破壞作用的研究還是空白，我國現(xiàn)行的《蓄滯洪區(qū)建筑工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50181－93）[4]針對蓄洪區(qū)的建筑防洪做了一般性的規(guī)定，但針對山區(qū)鄉(xiāng)村建筑抗洪防洪規(guī)范目前還沒有出臺.

本文通過村鎮(zhèn)建筑洪水沖擊模型試驗，研究洪水對村鎮(zhèn)建筑的沖擊破壞，分析模型所受沖擊壓力，研究洪水沖擊作用下結(jié)構(gòu)表面沖擊壓力的分布規(guī)律，并討論不同水頭高度和開洞率對村鎮(zhèn)建筑洪水沖擊壓力的影響.

1 試驗設(shè)計

本文試驗在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室的大波流水槽內(nèi)進(jìn)行.大波流水槽為長69.0m、寬2.0m、高1.8m 的等寬矩形玻璃水槽，為模擬洪水的沖擊作用，對大波流水槽進(jìn)行了改造.采用開啟鐵門的方式來模擬潰口，且潰口位于水槽40m處，在鐵門后方蓄水來模擬水庫.潰口前方利用下部填沙、表面澆筑混凝土的斜坡來模擬山區(qū)地形，坡長9m，坡度為2°；為防止試驗過程中模型在洪水沖擊作用下發(fā)生滑動，模型通過螺母與埋入混凝土中的槽鋼進(jìn)行連接固定.鐵閘門四周加上橡膠管，防止蓄水時出現(xiàn)漏水，利用吊車來控制閘門的快速開啟，模擬洪水的瞬間潰堤.水槽和閘門如圖1所示.

圖1 試驗設(shè)備圖Fig.1 The experimental setup map

根據(jù)模型相似理論[5，6]，制作有機(jī)玻璃房屋模型，取典型村鎮(zhèn)建筑為房屋原型，長8.0m，寬5.4m，高3.6m，模型的幾何比尺為1/6.沖擊壓力測量采用DS－30型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，壓力傳感器的量程為30kPa和10kPa兩種，自振頻率為500 Hz，采樣間隔為0.023s.共采用128個壓力傳感器進(jìn)行測量，其中30kPa傳感器32個，10kPa傳感器96個.為準(zhǔn)確測量模型迎流面的沖擊壓力分布，在迎流面布置了36個壓力傳感器，圖2和3分別給出了模型圖和開洞率為0.298的模型迎流面上傳感器布置圖.

圖2 模型實物圖Fig.2 Test model map

圖3 模型迎流面?zhèn)鞲衅鞑贾脠DFig.3 Sketch of pressure transducers on the surface of the model

2 試驗工況

根據(jù)洪水的災(zāi)害情況，可簡單將洪水分為小型洪水、中型洪水和大型洪水，本文試驗分別采用3種不同的水頭高度（0.6、0.9和1.2m）來模擬3種不同破壞程度的洪水（小型洪水、中型洪水和大型洪水）.根據(jù)蓄滯洪區(qū)避洪房屋的抗洪機(jī)理與設(shè)計施工技術(shù)要點[7]，蓄滯洪區(qū)房屋開洞率建議取為32%～40%，所以，本試驗中建筑模型的開洞率取0.260、0.298、0.337，本次試驗中模型距潰口距離取為6m，故本次試驗的9個試驗工況如表1所示.

表1 模型試驗參數(shù)Tab.1 Parameters in the experiment

3 試驗結(jié)果分析

通過結(jié)構(gòu)物模型迎流面布置的36個壓力傳感器，測量了不同工況各測點的沖擊壓力時程曲線.圖4中給出了模型到潰口的距離L＝6m，開洞率a＝0.260，潰口前的水頭高度h＝1.2、0.9、0.6m的情況下，模型底部壓力傳感器的壓力時程曲線.從試驗曲線可以看出，洪水沖擊歷時十分短暫，建筑表面所受的水流作用可以分為短時作用的沖擊和長時作用的水流兩部分：在水流接觸到建筑物的瞬間，水流沖擊建筑物，將會產(chǎn)生極大的沖擊作用力，此后水流相對穩(wěn)定，建筑物表面的荷載變成水體流動產(chǎn)生的作用荷載.從圖4可以看出，沖擊時的壓力峰值是穩(wěn)流水壓力的1.5～2.0倍，在相對穩(wěn)定的水流中段，由于排水遇阻，水流在模型前產(chǎn)生堆積，導(dǎo)致房屋淹沒高度增加，水流壓力稍微增大，但隨著時間增長，上游水頭減小，因而模型前水頭高度有所降低，水流作用力也相應(yīng)降低，所以穩(wěn)流階段是一條稍有起伏的直線.同樣，迎流面上其他測點的沖擊壓力時程曲線也十分相似，從壓力時程曲線可以看出，隨著水頭高度的增加，沖擊壓力峰值相應(yīng)增加.

圖4 沖擊壓力歷時曲線Fig.4 Time－h(huán)istory curves of impact pressure

3.1 測量值與理論值比較

根據(jù)試驗結(jié)果，模型迎流面底部沖擊壓力峰值最大，本文對模型最大沖擊壓力測量值和理論值進(jìn)行了比較，理論值根據(jù)式（1）求得[8]，比較結(jié)果見表2.

從表2中可以看出，理論值比測量值稍大，但誤差在15%以內(nèi).理論值與測量值之間的誤差主要是因為理論計算是在理想情況下進(jìn)行的，理論計算參數(shù)與試驗還有些誤差，且理論計算未考慮閘門等對水流的緩沖等諸多影響因素.

表2 測量值與理論值對比Tab.2 Comparison of the measurement value with the theoretical value

3.2 模型迎流面沖擊壓力峰值的分布規(guī)律

流速和淹沒水深是影響模型迎流面洪水豎向和水平方向沖擊壓力分布的重要因素.圖5給出了沖擊壓力峰值pp沿豎向距離y和水平距離x的分布（水平、豎向各取1組編號）.分別取測點距迎流面左邊的水平距離以及距底邊的豎向距離為橫坐標(biāo)，取沖擊壓力峰值為縱坐標(biāo).從圖中可以看出，水平方向的沖擊壓力由于受洞口、地形等因素的影響，分布規(guī)律并不明顯，但總體說來，沖擊壓力最大值出現(xiàn)在模型的中部.模型高度方向，沖擊壓力峰值從上往下逐漸增大，且呈半邊拋物線形式.

圖5 沖擊壓力峰值分布Fig.5 The distribution of peak impact pressure

3.3 不同水頭對沖擊壓力峰值的影響

圖6給出了在迎流面上，不同測點的沖擊壓力隨水頭高度變化的關(guān)系，可以看出h對沖擊壓力峰值的影響很大.Δh＝0.3m時，沖擊壓力Δp減小25%～55%，沖擊荷載的峰值壓力在不同測點處變化較大.產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是，洪水在流動過程中，受到地形、側(cè)壁等因素的影響，洪水波浪隨時間發(fā)生變化，并不能保證洪水在流動過程中同一位置的水頭高度保持不變，所以造成了洪水沖擊壓力峰值的變化.

圖6 模型迎流面沖擊壓力隨水頭高度的變化Fig.6 The impact pressure variation relative to heights of water on the surface of the model

3.4 水頭高度對迎流面上彎矩和合力的影響

本文根據(jù)洪水沖擊試驗得到測點的沖擊壓力，探討洪水沖擊壓力在建筑物表面的分布規(guī)律，擬合出迎流面上各個點的峰值壓力pp表達(dá)式，運用積分求出模型各個表面的合力值F和對底邊的彎矩值Mx，其計算公式如下：

式中：pp是各個點的沖擊壓力峰值，x是計算點距模型左邊的水平距離，y是計算點距模型底邊的豎直距離，Mx是迎流面沖擊荷載對模型底邊的彎矩，F(xiàn)是迎流面上沖擊荷載的合力大小.

根據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)，單個測點的壓力值在不同開洞率的模型中變化并不明顯，本文根據(jù)式（2）和式（3）求出迎流面上的合力F和沖擊力對迎流面底部的總彎矩Mx，研究開洞率和水頭高度對沖擊壓力的影響.圖7給出了彎矩Mx和合力F隨開洞率的變化關(guān)系.從圖中可以看出，彎矩Mx和合力F隨著開洞率的增大逐漸減小.當(dāng)開洞率a由0.260增大到0.298時，在0.6、0.9和1.2m 水頭高度時，彎矩Mx分別減小了26.0%、16.0%和8.6%，合力F分別減小了9.6%、9.8%和5.4%；當(dāng)開洞率a由0.298增大到0.337時，在0.6、0.9和1.2m水頭高度時，彎矩Mx分別減小了11.0%、15.0%和1.2%，合力F分別減小了2.2%、12.0%和0.3%.

圖7 模型迎流面彎矩和合力隨開洞率的變化Fig.7 The bending moment and resultant force relative to ratio of holes on the surface of the model

彎矩和合力受水頭高度的影響十分明顯，圖8給出了不同開洞率情況下，水頭高度對彎矩Mx和合力F的影響.從圖中可以看出，彎矩Mx和合力F隨水頭高度的增加逐漸增加.當(dāng)水頭高度由0.6m 增加到0.9m時，在0.260、0.298和0.337三種開洞率時，彎矩Mx分別增加了186%、225%和210%，合力F分別增加了96%、96%和75%；當(dāng)水頭高度由0.9m增加到1.2m時，在0.260、0.298和0.337三種開洞率時，彎矩Mx分別增加了92%、110%和145%，合力F分別增加了64%、72%和95%.

圖8 模型迎流面彎矩和合力隨水頭高度的變化Fig.8 The bending moment and resultant force relative to heights of water on the surface of the model

4 結(jié) 語

（1）洪水沖擊壓力峰值是穩(wěn)流水壓力的1.5～2.0倍，且隨著離地面高度的增加，峰值逐漸減小；

（2）沖擊壓力峰值在建筑物高度方向上，從上往下逐漸增大，最大值出現(xiàn)在建筑物的最下面，且呈半邊拋物線形式；

（3）迎流面上沖擊壓力峰值隨著水頭高度的減小而減??；

（4）迎流面上洪水沖擊壓力對底邊的彎矩和合力隨著的開洞率的增加而減小；

（5）迎流面上洪水沖擊壓力對底邊的彎矩和合力隨著水頭高度的增加而增加.

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