墙体抗洪实验研究

李胜富　张博威　陈芊屹　李茜

摘 要：当今时代科技发展迅速，人类对大自然肆意破坏，导致地震海啸频发，如何防洪抗灾成了一大难题。在修建墙体时需要对洪水冲刷的影响进行分析。本文主要对墙体抗洪模型进行了理论研究，并用有限元和数值模拟进行求解，为防洪抗灾提供理论依据。

关键词：墙体;洪水冲击;有限元分析;数值模拟

修建墙体后，除考虑墙体自然腐蚀倒塌的情况以外，还需考虑墙体的抗洪性能，在只考虑洪水单向冲击墙体的过程，过程相对简单，但这计算结果也能真实反映墙体的一个抗洪极限，它直接反映出墙体的的安全。本文主要研究墙体在受到洪水冲击时的稳定性。

1.研究意义与现状

1.1研究意义

洪水冲击是全世界都面临着的一项严重的自然灾害，而洪水冲击的结果会导致房屋倒塌，墙体破坏，最终导致人的生命安全受到威胁，可见墙体的稳定性的判断是保证人民生命安全的重要所在。因此必须对墙体抗洪模型引起足够的重视。

1.2研究现状

大连理工大学王晓庆对洪水冲击载荷做了实验研究[1]，林凤习等通过无反射数值波浪水槽研究冲击模型。任冰等进行了不规则波对浪溅区结构物冲击实验，并对实验结果进行了谱分析研究[2]。

2.洪水冲击模型

2.1 洪水模型的建立

我们假设洪水为不可压缩稳定流体，洪水波浪的波形为为一种高频余弦波，则波面方程可以表示为：

式中：为沙堡前波高，其量纲和一致;k为波数;n为频率。

当洪水来袭时，洪水与墙体撞击时，将对墙体产生一个作用力，也正是因为此作用力才产生了反射波，而且入射波速度的方向与反射波的方向相反，所以根据动量守恒原理可有：

式中：为入射波速度;为反射波速度;F为波浪力。

在一个微元时间内长度流入水的质量为[2]，由此可将上式变形为：

式中：为水的密度;PX为墙体表面x方向上的压强;PZ为墙体表面z方向上的压强。

将以上式子聯立，可解得PX和PZ分别为：

假设洪水冲击墙体时，洪水与墙体的角度为，那么墙体上任意一点的动压强为：

3.求解

当洪水冲击力大于墙体的能够承受的最大载荷时，墙体就会开始产生崩解、土壤被洪水带走的情况，冲刷严重时，墙体就会崩塌，大体积洪水瞬间进入河道进而影响附近建筑地基，导致建筑倾斜或者倒塌。

墙体是否崩塌以及发生崩塌的体积取决于墙体材料的力学性能、墙体的形状、体量等许多因素，需要结合具体情况，利用墙体稳定的有关知识进行分析。

根据有限元分析法，当洪水中的泥沙颗粒的平均直径为0.15mm时，洪水流速存在最小值;当洪水中的泥沙颗粒的平均直径小于0.5mm时，起动流速以克服黏结力为主，随粒径增大，起动流速减小，冲刷深度増大;当洪水中的泥沙颗粒的平均直径大于0.15mm时，起动流速以克服重力为主，随着粒径增大起动流速増大，破环里变大，墙体更容易倒塌。

利用数值模拟，分析可得，当墙体为圆柱体时，在洪水冲击下，稳定性最强;当墙体为长方体时，其稳定性不如圆柱体，尤其是长方体的棱边出，受冲击力很大，极其容易发生崩塌。

在洪水中的泥沙颗粒的平均直径确定时，墙体材料与形状的不同，直接影响着墙体的稳定性。

实验与理论研究表明，当使用纯泥土时，墙体的稳定性较差，当使用钢筋混凝土时，墙体的稳定性较强。

4.总结

洪水冲击，主要考虑洪水的瞬间冲击力，以及墙体的极限承受力，当洪水冲击力大于墙体的极限承受力时，墙体就会发泥土脱落，最终导致墙体崩解。在洪水中的泥沙颗粒的平均直径确定时，墙体材料与形状的不同，直接影响着墙体的稳定性。墙体为圆柱体时，其稳定性比长方体好。实验与理论研究表明，当使用纯泥土时，墙体的稳定性较差，当使用钢筋混凝土时，墙体的稳定性较强。

参考文献

[1]王晓庆. 洪水演进模型及冲击荷载研究[D].大连理工大学，2009.

[2]孙永梅. 村镇建筑抗洪性能试验研究及数值模拟[D].沈阳建筑大学，2012.