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(fā)性、極端性、反常性愈發(fā)顯著，對生產(chǎn)生活和防洪安全造成極大影響［1］。隨著經(jīng)濟水平的快速發(fā)展，城市防洪領域?qū)Ψ篮閾岆U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(zhì)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(nèi)注水，即可快速構(gòu)筑擋水子堤，實現(xiàn)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(cè)均設有專用連接系統(tǒng)，底部設有止水系統(tǒng)。該裝備具有輕巧便捷、組裝靈活、適應性強、耐久性好、綠色環(huán)保、可重復使用等顯著優(yōu)點，能較好地適用于汛期平原河網(wǎng)地區(qū)城市內(nèi)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(xiàn)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(shù)；B為箱體寬度。

擋水高度與其他參數(shù)的關系應滿足：

假定摩擦系數(shù)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(nèi)注水高度h1下的擋水高度h2。不同摩擦系數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(fā)生滑動，即底部始終與地面保持緊貼狀態(tài)，箱體內(nèi)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(chǎn)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(wǎng)格對防洪箱進行劃分，網(wǎng)格數(shù)量為144 568個（見圖3）。

計算所得不同擋水高度下防洪箱的結(jié)構(gòu)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(nèi)靜水壓力大于箱外水壓力，最大應力發(fā)生在迎水面底部，為15.91 MPa；最大變形發(fā)生在迎水面中部，為1.62 cm。隨著擋水高度增加，箱體內(nèi)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(nèi)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(fā)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(fā)生在迎水面底部，最大變形發(fā)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(jié) 語

注水式城市應急防洪箱是一款高分子材質(zhì)的防汛應急搶險新裝備，具有輕巧便捷、組裝靈活、綠色環(huán)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(wěn)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(wěn)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(jié)果表明防洪箱最大應力位于迎水面底部，最大變形發(fā)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(jié)構(gòu)和體型優(yōu)化設計提供了參考依據(jù)。