較高水頭大跨度迷宮堰的結構受力特點研究及其方案比較

孫葉芝

(河北省邢臺市任澤區水務局，河北 邢臺 100024)

1 工程概況

迷宮堰作為新型的無閘擋水溢流結構，因其具有構造簡單、結構新穎、景觀效果好、無上部結構等一系列的特點，在城市河道建設中得到廣泛的應用[1-5]。曲線形迷宮堰作為最為典型的堰形，應用最為廣泛，伴隨著工程建設的需要，迷宮堰擋水高度逐漸由低水頭、小跨度向較高水頭、大跨度方向發展。因此，為了探究較高水頭下曲線形迷宮堰的結構受力特點，有必要針對較高水頭下不同跨徑比的大跨度迷宮堰的受力特點進行對比分析，以期為后續工程建設的實施提供參考。

擬研究工程位于某城市河道中部位置，由于城市規劃建設的需要，在河道中部需要建設擋水迷宮堰，以期為城市提供水系景觀[6-7]。本工程河道寬80 m，初擬采用鋼筋混凝土迷宮堰結構，堰體直墻壁厚0.8 m，底板厚1 m，堰體擋水高度7 m，底板順水流方向寬12 m，底板垂直水流方向每隔16 m設置結構縫，并設置止水設施底板坐落在基巖上，典型平面布置圖見圖1。為了研究從結構受力特點方面進行迷宮堰定型設計，在保證擋水高度和跨度一致的前提下，初擬采用3種不同跨徑比的堰體，開展擋水工況下的結構受力對比分析。

圖1 曲線形及折線形迷宮堰平面圖

2 計算模型及邊界條件

2.1 計算模型及材料參數

根據設計方案，按照結構垂直水流方向的分縫設置情況，迷宮堰順水流方向底板寬12 m，垂直水流方向每16 m設置一道分縫，工程所在部位地勢平坦，地層分布均勻。因此為了計算方便，本文選擇兩個結構縫之間長16 m的典型迷宮堰結構開展研究。

采用有限元軟件，建立該段曲線形及折線形迷宮堰的三維計算模型，見圖2。模型順水流模型長度為12 m，垂直水流向模型寬度為16 m，邊墻高7 m，該模型中迷宮堰的底板及邊墻等均采用3D實體四面體。結合工程實際，迷宮堰采用C25混凝土結構，結構采用線彈性本構模型，重度25 kN/m3，彈性模量為3.0e7 kPa，泊松比0.167。

圖2 曲線形及折線形迷宮堰三維模型圖

2.2 邊界條件

為了計算準確，需要結合建筑物的實際受力情況，對模型設置約束及荷載。約束設置時，以豎直方向為Z軸，在模型的四周XZ、YZ對稱面設置垂直于對稱面的滾軸約束，在模型底部XY對稱面設置Z向的固定約束。荷載設置時，按照結構擋水工況考慮，結合實際受力情況，考慮結構的自重荷載，并且分別在3種不同跨徑比的迷宮堰上游側邊墻及底板表面均施加7.0 m的靜水壓力荷載，邊界條件設置見圖3。

圖3 有限元三維模型圖

3 計算結果對比分析

3.1 應力對比分析

就迷宮堰的混凝土結構而言，抗拉強度是評價結構力學特性的主要參數。通過數值計算，可以得到不同跨徑比的迷宮堰擋水工況下的大主應力(拉應力)云圖，見圖4、圖5。通過對比分析3種迷宮堰的大主應力分布情況可知，3種迷宮堰大主應力分布規律基本一致，最大值主要分布在直墻與底板接觸的左右側根部位置以及邊墻凸點頂部位置，直墻凹點及底板等部位應力值相對較低，基本呈現不受拉的狀態。其中，跨徑比為4.3時，堰體大主應力最大值為865.7 kPa，應力值大于500 kPa的范圍占比約6.8%；跨徑比為3.5時，堰體大主應力最大值為878.2 kPa，應力值大于500 kPa的范圍占比約5.9%；跨徑比為3.0時，堰體大主應力最大值為788.8 kPa，應力值大于500 kPa的范圍占比約5.1%。由此可知，3種不同跨徑比迷宮堰在擋水工況下的拉應力均小于混凝土結構的抗拉強度極值，跨徑比越大，結構大主應力的高應力區范圍越小，堰體受力越均勻。

圖4 曲線形及折線形迷宮堰大主應力云圖(單位：kPa)

圖5 100 kPa以上大主應力范圍圖(單位：kPa)

3.2 位移對比分析

通過數值計算，可以得到不同跨徑比迷宮堰擋水工況下的總位移云圖，見圖6。通過對比分析3種迷宮堰的總位移分布情況可知，3種迷宮堰位移分布規律基本一致，總位移最大值主要分布在直墻左右側頂部位置，直墻其他部位以及底板位移較小。其中，跨徑比為4.3時，堰體位移最大值為6.481e-4m，位移值大于5e-4m的范圍占比約32.3%；跨徑比為3.5時，堰體位移最大值為5.179e-4m，位移值大于5e-4m的范圍占比約25.8%；跨徑比為3.0時，堰體位移最大值為5.034e-4m，位移值大于5e-4m的范圍占比約12.9%。由此可知，3種跨徑比的堰體擋水工況下的結構總位移總體偏小，跨徑比越小，翼緣范圍位移越小，但均在毫米級以內。

圖6 曲線形及折線形迷宮堰總位移云圖(單位：m)

4 結 論

伴隨著城市水利景觀事業的發展，迷宮堰作為新型的低水頭擋水溢流結構，因其具有構造簡單、結構新穎、景觀效果好、無上部結構等一系列的特點，在城市河道建設中得到廣泛的應用。本文以較高水頭的大跨度迷宮堰為研究對象，借助有限元計算，針對不同跨徑比的迷宮堰擋水情況下的結構受力特點進行計算分析。結果表明：①應力方面。不同跨徑比情況下，大主應力分布規律基本一致，結構大主應力最大值主要分布在堰體上游側直立邊墻與底板接觸區域，最小值主要分布在直立邊墻頂部區域，跨徑比越大，結構大主應力的高應力區范圍越大小，但均小于混凝土結構的抗拉強度極值。②位移方面。不同跨徑比情況下，位移分布規律基本一致，位移最大值主要分布在堰體上游側直立邊墻頂部左右翼緣區域，最小值主要分布在直立邊墻根部區域，跨徑比越小，翼緣范圍位移越小，但均在毫米級以內。