Construction Technology and Application Analysis of Horizontal Plate Mobile Flood Control Wall
陈鹤栋 CHEN He-dong
（上海市水利工程集团有限公司，上海 201499）
（Shanghai Hydraulic Engineering Group Co.，Ltd.，Shanghai 201499，China）
摘要：移动式防洪墙是一种新型、环保、节能、应急能力强的绿色防洪系统。本文以横板式移动防洪墙为例，对比了传统防洪墙与移动防洪墙之间的优势差异，说明了移动防洪墙更符合现代城市主动防洪的理念，同时介绍了其主要构件的施工工艺及施工要点，并通过某地区的应用实例及效果进一步明确移动式防洪墙具备可推广性。
Abstract: The mobile flood control wall is a new type of green flood control system with environmental protection, energy saving and emergency response capability. Taking the horizontal plate mobile flood control wall as an example, this paper compares the difference between the traditional flood control wall and the mobile flood control wall, and shows that the mobile flood control wall is more in line with the concept of active flood control in modern cities, and introduces the construction process and main construction points of its main components. The application examples and effects of a certain area further clarify that the mobile flood wall has extensibility.
关键词：移动式防洪墙；传统防洪墙；施工工艺；应用
Key words: mobile flood control wall；traditional flood control wall；construction technology；application
中图分类号：TV32；TV52 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）22-0198-04
0 引言
近年来随着国内城市化的不断推进，科技和工业化的不断发展，人类生产活动对大自然的不断改变，使我国气候呈现出暴雨的突发性、风暴潮“三碰头”的多发性、洪水的敏感性等特点，致使我国多数城市面临着不同程度的洪水威胁。据统计，我国所有的城市中，有近五分之四的城市存在洪涝问题[1]，且已直接影响到人们的日常生活。同时，由于人们对现实生活品质要求的提高，多数城市正在向可持续、生态型城市转变，不仅要求防洪设施要满足正常防洪需求，而且也需要兼顾人水和谐以及当地人们的亲水性要求[2]。
传统的防洪系统多是采用浇筑混凝土的方式，不仅不符合人水和谐的亲水性要求，而且在应对超标准洪水时常处于被动状态。移动式防洪墙发展于欧洲国家[3]，具有高度可调节、安装便捷、方便维修、渗漏量小等优点[4]，能够有效弥补现有传统防洪墙的不足，其形式主要有3种，分别为横板式、竖板式以及整板式。目前关于移动式防洪墙的研究较少，在实际工程中应用更是寥寥无几。为此，本文围绕某横板式移动防洪墙（以下简称移动防洪墙）展开，通过介绍该种防洪系统的优势与主要构件的施工工艺及其施工要点，结合某地区的应用效果，期望为后续移动防洪墙的推广应用提供参考。
1 移动防洪墙简介
1.1 工作原理
移动防洪墙是一种具备可拆卸、移动的防洪墙体，主要由挡水板、立柱、压紧装置及预埋件等部分组成[5-8]，具有方便、快捷、安全系数高等特点，如图1~图2所示。其工作原理为：当遭遇洪水时，可通过在立柱的卡槽中快速叠加挡水板以满足挡水需求；当无洪涝灾害时期，可将各部件拆卸并做好标记放置指定仓库，以备下次使用。
1.2 自身优势
对于传统防洪墙而言，移动防洪墙具备较多方面的优势[3，5，9-10]：
1.2.1 安全性能方面
移动防洪墙上部结构的稳定性取决于基础承台，基础承台需提前制作且质量要求较为严格，能够保证其安全可靠性。移动防洪墙一般选择具有耐腐蚀性的合金材料，循环使用率高，能够避免传统防洪墙在浇筑混凝土时产生的裂缝，以及由于自重、时间等问题发生不同程度的沉降。同时各部件之间设置有密封防渗材料，可以有效减少渗流量。
1.2.2 施工难易程度
传统防洪墙一般需要现浇混凝土，施工周期较长，需考虑的因素众多（包括天气、时间及温度等），同时需消耗大量的人力和混凝土材料，运行期也需要相关设备及人员进行监测与检修，在服役一段时间后需要进行除险加固处理。移动防洪墙只需要完成基础承台的相关制作，立柱与挡板可即时安装、拆卸，其质量轻，两个人便可完成安装挡水高度较低的情况。同时立柱和活动挡板的形状比较规则，运输存放方便。
1.2.3 城市形象与应用范围
传统的防洪墙，不仅占用宝贵的土地资源，而且防洪能力较差，与城市的发展相违背，同时应用范围受自身条件限制变得狭窄。移动防洪墙符合城市美观要求，与城市绿色环境发展的步调相一致，对建造地点环境影响小，可有效改善城市滨水地区的景观功能；在未安装时不阻挡居民视线，满足居民亲水性要求，且由于其便捷性，应用范围也较广，除了传统的江河湖海，还可应用于高速公路涵洞口、人防洞口、城市的地铁口等。
1.2.4 应急方面
传统的防洪应急多是人工沙袋叠加挡水的方式，劳动强度较高、工作量较大，不仅耗费大量的人力物力，而且效率低下，防渗性能也较差。移动防洪墙能够实现快速运输、快速安装、快速挡水，在接到洪水预警时，不需要过多的工作人员，减少现场混乱无序，同时其高度可根据实际情况进行调节，效率较高。
2 施工工艺及施工要点
移动防洪墙的施工主要包括基础承台、预埋件和固定边柱安装以及混凝土浇筑等，其主要施工流程如图3所示。
■
其中，预埋件、固定边柱以及立柱、挡板安装是整个移动防洪墙的关键点。因此，本文主要从这三个方面进行相关的施工工艺及其施工要点说明。
2.1 预埋件安装工艺及施工要点
预埋件安装方法有预留孔洞和二期混凝土两种安装工法。
2.1.1 预留孔洞预埋件安装工艺
① 对预埋件进行钢筋绑扎及焊接；②采用装载机挂钢丝绳（或人工）将预埋件吊至预定部位，与调平钢架连接，并利用专用扳手调节螺杆，使钢架与预埋件及孔洞固定，再进行精调，保证误差不得超过3mm；采用较高精度的测量仪器观测预埋件处的高程位置，同时要求与设计高程之间不得超过10mm的高差，采取一定措施防止预埋孔周围发生局部突变；③根据工程的实际情况，利用便捷的工具进行预埋件安装、尺寸测量及焊接，达到省时省力；④将预埋件与预留的钢筋进行焊接，同时应在预埋件与模板之间适当增加受力支撑措施；⑤至此，预埋件已安装完毕，应对安装的预埋件进行复测，并进行严格的检验。
■
2.1.2 二期混凝土预埋件安装工艺
①确定预埋件安装的中心线；②利用高精度的测量仪器观测并将其调节至预定位置；③确定预埋件的位置并利用辅助测量工具测出相邻预埋件之间的所需距离；④为防止预埋件在承受荷载时发生变形，应采用对角焊接的方式对预埋件底板进行焊接处理；⑤利用高精度的测量仪器对预埋件的平整情况进行观测并调节至平整状态，同时再利用水准仪进行高程复核；⑥完成安装，将所有预埋件相关的配件、螺栓等补齐、拧紧。
2.1.3 埋件施工要点
①钢筋安装应尽量规范，同时也应尽量平直，已满足预埋件的平整要求。建议钢筋安装顺序：地梁纵筋安装→预埋件安装→上部通长钢筋安装→预埋件地板钢筋，在安装钢筋的过程中，应尽量避免切割钢筋；②安装误差：单个预埋件的横向误差不得超过±3mm，相邻的不得超过±5mm，基础梁部分偏差应在±10mm之内，具体如图5所示；③应严格按照规范、设计的要求控制混凝土骨料的级配、水泥标号、砂的细度模数等，同时混凝土的坍落度也应符合工程需求；④为保证混凝土的密实以及预埋件周围混凝土无空隙，应加强混凝土的振捣；⑤由于混凝土的自收缩特性，在浇筑时应略高于预埋件。
■
2.2 固定边柱安装工艺及施工要点
2.2.1 固定边柱安装工艺
①根据相邻的预埋件位置确定固定边柱的安装中心线；②根据固定边柱的实际尺寸大小，确定固定边柱、模板安装的界线；③把固定边柱的钢筋调整至竖直并进行绑扎；④立柱安装，确保立柱安装过程中不得移动，要严格按照提前确定好的固定边柱位置与竖直程度，接着增加保证稳定的支撑钢筋；⑤由于混凝土自身具有自收缩的特性，因此在浇筑混凝土时，应超出固定边柱的顶部；⑥模板支撑，在模板校核及支撑的过程中，需保证保护层厚度以及固定边柱的竖直度，同时应根据模板的实际情况，做到不漏浆、不胀模；⑦保证拆除模板后固定边柱的混凝土，具有平整与美观效果。
2.2.2 边柱施工要点
①在进行固定边柱的混凝土浇筑时，应根据浇筑厚度分层插捣，一般每层厚度≤500mm，同时要注意振捣时振捣器不能接触固定边柱与钢筋，防止其发生变形，为确保混凝土能够更加密实，建议有多余人手时，从模板底端进行敲打，以起到底部振捣的作用；②一般根据固定边柱的高度确定浇筑方式，如固定边柱≤3m时，可采用直接浇筑的方式，当固定边柱≥3m时，应采用分段浇筑的方式，且每段高度应≤2m；③固定边柱混凝土浇筑时，应一次浇筑完毕，避免出现冷缝，以及对后期整体工程质量造成影响；④当混凝土养护至规定龄期后进行拆模，应对固定边柱进行相应的校核。
■
2.3 立柱及挡板的安装工艺
2.3.1 立柱与挡板的运输
汽车将立柱与挡板运至安装现场，分别给工作人员指定具体的工作，选择2名工作人员负责立柱与挡板的短距离运输（即汽车运输至现场后与安装地点之间的距离），在运输过程中根据路面的平整情况确定运输方式，如路面平整时，可借助小型起重设备液压伸缩臂汽车进行立柱的吊运，但注意在放置时需小心谨慎，不可与路面进行碰撞，防止立柱出现不同程度的损坏。
2.3.2 安装前的准备工作
首先清理预埋件表面的杂物，诸如残留混凝土、石渣等需清理干净；其次拆卸掉保护螺栓并妥善保存，以备下次使用；接着清理螺孔内部，应保证无混凝土、砂子残留，同时端柱表面的混凝土应清理干净，不能阻挡压紧装置的安装。
2.3.3 立柱与挡板的安装
选择2~3名工作人员安装立柱与挡板。首先将需安装的立柱用螺栓固定，保证与预埋件之间的稳定，其中1名工作人员负责对防洪立柱内侧橡胶喷涂专用胶，以起到防渗、粘结的作用。接着安装挡板，安装前将防渗密封防渗材料（应从两边向中间挤压）插入挡板形成一体，安装时先地面密封挡板后上部挡板，安装地面密封挡板时，应尽量居中，两端空余基本一致，安装上部挡板应一端先进，另一端后进，最后保持水平下降；最后安装压紧装置，压紧装置主要用来压紧挡板与挡板之间的密封防渗材料（一般类似为橡胶，具有一定的收缩性），一般要求压缩高度不超过原来的四分之一。
3 工程应用实例
3.1 工程概况
某堤防加固工程位于某流域支流，需完成防洪工程加固1.998km，且需将现有只能抵挡30年一遇的洪水防洪措施提高至100年一遇，当前的防洪设施不足以满足该市的防洪要求，导致城区经常因为洪水灾害而损失严重。同时，混凝土结构的防洪墙不仅破坏了城市景观，也阻挡了城市人民亲近该流域自然风光的体验。
3.2 应用前需进行的构件性能测试内容
3.2.1 立柱破坏试验
立柱的稳定性决定了移动防洪墙的稳定，为了保证立柱在承受洪水荷载时不发生破坏，需要研究立柱的破坏形式和发生破坏的条件。试验前，确定荷载效应。设置工况：锚固螺栓与基础承台需要足够安全，集中荷载作用于立柱端部、中部及脚部。
参照规范与该领域已有的研究成果，用高强螺栓固定预埋件与底座，将待测试件固定于底座上，通过上述工况确定待测试件的加载位置及其施加荷载方式（本次只考虑水平荷载），将加力杆与千斤顶相连。在千斤顶上安装相应的荷载传感器，以便于监测和控制加载情况，在立柱上贴应变片，分别用电子百分表（千分表）或位移计及电阻应变片对立柱中截面应变分布、加载点立柱侧向位移进行测量。
在正式测试前应先进行预加载，不仅需确认测试装置的运行是否正常，同时也要保证数据的准确性，在进行单向加载时，每加一级（通常为10kN），需观察与记录当级的加载情况，直到待测试件完全破坏。
■
图8为立柱破坏性试验荷载-位移曲线。根据工程经验及相关规范，工程中常采用某种材料0.2%的残余应变作为屈服强度。本次通过计算得到铝合金σ0.2%为1.7×105N：对立柱柱端进行加载试验，当加载到1.3×105N时，立柱与底板之间开始出现裂缝；加载到1.7×105N时，立柱出现明显的弯曲变形；加载到2.09×106N时，立柱发生断裂，其断裂挠度为71.54mm，且断裂点发生在柱体与立柱侧翼焊缝处。以此重复，分别得到柱中断裂挠度为34.19mm，柱脚挠度为3.19mm。
■
3.2.2 防洪挡板侧向抗弯试验
挡板作为受洪水作用最为直接的部件，其侧向抗弯试验的测试十分有必要。就普通力学常识而言，当挡板收到洪水荷载时，会根据荷载的大小而发生不同程度的侧向弯曲，当侧向挠度超过挡板材料的自身挠度时，挡板便会发生破坏，继而移动防洪墙也随之发生破坏。
本次测试采用简支梁中分点加荷法测定挡板在集中荷载作用下的变形。本试验中挡板总长度29.46m，铰支座距离挡板末端0.4m，挡板中部14.73m。试验加荷装置为：加压头为两个，一个应具有弧形端面，另一个应具有矩形端面，同时其本身材料应为钢制，加载方式为单点加载，加载位置为小梁的跨中处，同时待测试件底部应有与其接触的两个支座头（其端面形式同加压头一致），待测试件受力情况如图9所示。开始加载时，将矩形端面的加压头固定于加载装置的上部，下部支座固定于底座某端，其端面形式为矩形，将另一端的支座放置底座上，其端面形式为弧形（具有较强的灵活性），根据加载需求确定其滚动位置。同时加载装置上下部均需配备压力计上压板，以便于数据的采集。
■
经上述步骤后得到挡板跨中峰值荷载，为2.31×104N，与之对应的最大位移为54.04mm。由图10可知，在2.31×104N荷载作用下，挡板会直接发生破坏，且荷载卸载后其变位也不再恢复。
■
根据结构力学简支梁挠度公式，计算得截面惯性矩L=339.5cm4，材料的弹性模量为70GPa，L为2866mm。（图11）
根据跨中峰值的荷载作用，计算相应的理论状态的挠度数值，为47.7mm，本次测试试验挠度值为54.04mm。考虑到工程实际情况，故按照试验挠度值反算出在试验挠度条件下的极限均布荷载值为1.46×104N/mm，单块挡板宽度为200mm，根据水力学计算，在材料弹性变形阶段挡板能承受的最高水头高度为730mm。
3.3 应用效果
该地区经过基础承台及相关预埋件的施工，现移动防洪墙已开始投入运行，不仅能安全有效的保障城市防洪，还能满足主城区居民亲水休闲的需要，更为打造该地区文明旅游城市保驾护航。同时将防洪标准从原来的30年一遇提高至100年一遇，将原有堤防等级从3级提高至1级，既提高了该市的防洪安全性，又与当地景观有机契合，得到了当地人们的称赞。
4 结论
①本文根据移动防洪墙的特点，详细讲述了适合我国国情条件的预留孔洞预埋件安装工法、二期混凝土预埋件安装工法及固定边柱安装工法等移动防洪墙主要构件的施工工艺，并提出了相应的注意事项，能够为国内进一步推广应用提供参考；
②通过某城市应用移动防洪墙的情况，防洪标准、堤防等级均大幅度提高，从原来的30年一遇提高至100年一遇，堤防等级从3级提高至1级，不仅可以有效保障当地人民生命财产的安全，且能够与城市景观相结合，符合可持续发展原则。
参考文献：
[1]国家统计局城市社会经济调查总队编.中国城市统计年鉴1999[M].北京：中国统计出版社，2000.
[2]楼肖华，周涛.山地城市滨江路的规划建设和防洪标准——以重庆主城为例[J].城市问题，2009（12）：50-55.
[3]段亚娟. 移动式防洪墙力学性能试验及施工工艺研究[D]. 郑州：华北水利水电大学，2017.
[4]Baerbel Koppe, Birgitt Brinkmann. Opportunities and drawbacks of mobile flood protection systems [C]. Proceedings of the International Coastal Engineering Conference Shanghai, 2010.
[5]陈守开，李慧敏，王远明，等.移动式防洪系统力学性能及渗漏特性试验研究[J].农业工程学报，2017，33（20）：83-89.
[6]曹永超，李慧敏，翟啸东，等.激光扫描和BIM在移动式防洪墙施工质量控制中的研究[J].人民珠江，2018，39（04）：62-65，70.
[7]李志鹏，岳金文，洪顺军.快速组装移动式防洪：CN1044994
60A[P].2015.
[8]徐朝晖.移动式防洪墙：CN103306237A[P].2013.
[9]刘思奇.移动式防洪墙主要构件力学特性及整体蓄水试验研究[D].郑州：华北水利水电大学，2018.
[10]扎西卓玛.移动式防洪墙关键技术研究及优化设计[D].郑州：华北水利水电大学，2018. |
