蓄滞洪区洪水对建筑物的冲击破坏机理研究

Although a flood detention area plays an important role in urban flood control, floods would bring destructive effects on the buildings in the area when it is put into use. How to reduce the losses of house damage and quickly return life to normal for people in the area is a major concern for the use of the flood detention area. The main purpose of this project is to investigate the mechanism of building failure due to the impact force of flood in the detention area. Based on the flood routing and retardative effect of buildings, a fluid-solid dynamic coupling mechanism of the flood-impact load-building system is studied. A three-dimensional flood routing model will be set up to analyze the characteristics of flood wave propagation. A fluid-solid coupling model will be then built based on FEMDEM model and a three-dimensional FEM model to reveal the mechanism of the flood impact on buildings. Numerical modeling and experiments will be both carried out to discuss the influences of flood magnitudes, motion features and building factors (including orientation, opening rate, materials, structure and construction technology) on the propagation characteristics of flood, as well as the damage effects of buildings. The methods and strategies to improve the flood-resistant ability of buildings and building groups will be put forward. This study will provide technical supports for the construction and development, disaster prevention and reduction for the detention area, which is of great theoretical and practical importance.

蓄滞洪区在城市防洪中发挥重要作用，但是启用之时洪水对区内建筑物的破坏是毁灭性的。为了减少蓄滞洪区的建筑物破坏损失，使区内群众在蓄滞洪之后能较快恢复正常生活，本项目拟针对蓄滞洪区洪水对建筑物的冲击破坏作用机理进行研究。以洪水演进及建筑物对水流的阻滞作用研究为理论基础，探索洪水-冲击荷载-建筑物的动态耦合作用机制；建立洪水演进三维模型，研究蓄滞洪区洪水波的特性；建立基于有限元与离散元结合的FEMDEM与三维FEM洪水演进模型的流固耦合模型，揭示洪水对建筑物冲击破坏过程的作用机理；开展洪水对建筑物（群）冲击作用的模型和试验研究，探讨洪水量级、运动特征，及建筑物（群）的朝向、开洞率、材料、结构、施工工艺等对洪水冲击波传播特性及建筑物破坏效应的影响，提出改进蓄滞洪区建筑物及建筑物群抗洪特性的方法及对策，为蓄滞洪区的建设发展及防灾减灾提供技术支持，具有重要的理论价值和工程价值。

项目围绕洪水对建筑物的冲击作用及致灾机理，分别开展洪水演进过程的三维模拟与建筑物安全分析、洪水对单体建筑物的冲击作用的试验研究及三维数值模拟、洪水对建筑群冲击作用的三维流固耦合模拟、大黄堡洼蓄滞洪区洪水演进及风险分析等研究。主要研究内容和成果如下：.（1）围绕洪水演进过程中对建筑物冲击过程的力学特性和结构破坏作用，对洪水演进及与建筑物相互作用开展精细化模拟研究。对大坝泄洪过程三维数值模拟及建筑物进行安全分析，模拟武都水库不同情境下的泄洪及洪水演进过程，评估大坝运行调度规则的有效性及安全性。基于倾斜影像自动化构建大规模精细化数字城市场景，集成BIM与GIS技术，实现包含建筑内部结构的数字城市模型创建。在此基础上进行城市洪水演进数值模拟以评估洪水风险。.（2）通过实验研究与数值模拟相结合的方法研究洪水对单体建筑物的冲击作用。试验以单开间房屋为对象，研究洪水作用下房屋表面的压力变化及分布规律以及房屋到溃口距离、房屋开洞率对冲击压力的影响，分析冲击压力随相关实验因素的变化规律。采用基于雷诺平均N-S方程的三维数值模型，模拟不同的初始水位下溃坝洪水对下游结构物的冲击，弄清溃坝水流冲击结构物时迎流面上的压力变化及分布规律，并探究不同初始库水位对冲击压力峰值的影响及二者之间的关系。.（3）采用数值模拟与物理模型试验相结合的研究方式，探讨洪水冲击作用下建筑物的破坏过程，研究单体建筑物的失稳机理和破坏规律，以提升单体建筑物的稳定性；探讨建筑群不同排列方式下对洪水的抵御能力，定量评估前排建筑物对后排建筑物的保护作用，优化建筑群的布置方式。.（4）建立平面二维水沙模型，分别模拟地面沉降前和地面沉降后两种条件下，遭遇20年一遇和50年一遇洪水时，大黄堡蓄滞洪区的分洪过程及洪水的演进情况，并对两种条件下蓄滞洪区的分洪过程和洪水演进过程进行比较。采用洪灾风险综合评价指标体系评价黄堡蓄滞洪区在环境变化前后的洪灾风险度。建立水深～损失或水深～损失率曲线。构建洪灾评估模计算地面沉降前后不同洪水频率条件下的洪灾损失值。并结合洪灾风险和损失提出了环境变化后大黄堡洼蓄滞洪区的防洪调度建议。