较高水头大跨度迷宫堰的结构受力特点研究及其方案比较

孙叶芝

(河北省邢台市任泽区水务局，河北 邢台 100024)

1 工程概况

迷宫堰作为新型的无闸挡水溢流结构，因其具有构造简单、结构新颖、景观效果好、无上部结构等一系列的特点，在城市河道建设中得到广泛的应用[1-5]。曲线形迷宫堰作为最为典型的堰形，应用最为广泛，伴随着工程建设的需要，迷宫堰挡水高度逐渐由低水头、小跨度向较高水头、大跨度方向发展。因此，为了探究较高水头下曲线形迷宫堰的结构受力特点，有必要针对较高水头下不同跨径比的大跨度迷宫堰的受力特点进行对比分析，以期为后续工程建设的实施提供参考。

拟研究工程位于某城市河道中部位置，由于城市规划建设的需要，在河道中部需要建设挡水迷宫堰，以期为城市提供水系景观[6-7]。本工程河道宽80 m，初拟采用钢筋混凝土迷宫堰结构，堰体直墙壁厚0.8 m，底板厚1 m，堰体挡水高度7 m，底板顺水流方向宽12 m，底板垂直水流方向每隔16 m设置结构缝，并设置止水设施底板坐落在基岩上，典型平面布置图见图1。为了研究从结构受力特点方面进行迷宫堰定型设计，在保证挡水高度和跨度一致的前提下，初拟采用3种不同跨径比的堰体，开展挡水工况下的结构受力对比分析。

图1 曲线形及折线形迷宫堰平面图

2 计算模型及边界条件

2.1 计算模型及材料参数

根据设计方案，按照结构垂直水流方向的分缝设置情况，迷宫堰顺水流方向底板宽12 m，垂直水流方向每16 m设置一道分缝，工程所在部位地势平坦，地层分布均匀。因此为了计算方便，本文选择两个结构缝之间长16 m的典型迷宫堰结构开展研究。

采用有限元软件，建立该段曲线形及折线形迷宫堰的三维计算模型，见图2。模型顺水流模型长度为12 m，垂直水流向模型宽度为16 m，边墙高7 m，该模型中迷宫堰的底板及边墙等均采用3D实体四面体。结合工程实际，迷宫堰采用C25混凝土结构，结构采用线弹性本构模型，重度25 kN/m3，弹性模量为3.0e7 kPa，泊松比0.167。

图2 曲线形及折线形迷宫堰三维模型图

2.2 边界条件

为了计算准确，需要结合建筑物的实际受力情况，对模型设置约束及荷载。约束设置时，以竖直方向为Z轴，在模型的四周XZ、YZ对称面设置垂直于对称面的滚轴约束，在模型底部XY对称面设置Z向的固定约束。荷载设置时，按照结构挡水工况考虑，结合实际受力情况，考虑结构的自重荷载，并且分别在3种不同跨径比的迷宫堰上游侧边墙及底板表面均施加7.0 m的静水压力荷载，边界条件设置见图3。

图3 有限元三维模型图

3 计算结果对比分析

3.1 应力对比分析

就迷宫堰的混凝土结构而言，抗拉强度是评价结构力学特性的主要参数。通过数值计算，可以得到不同跨径比的迷宫堰挡水工况下的大主应力(拉应力)云图，见图4、图5。通过对比分析3种迷宫堰的大主应力分布情况可知，3种迷宫堰大主应力分布规律基本一致，最大值主要分布在直墙与底板接触的左右侧根部位置以及边墙凸点顶部位置，直墙凹点及底板等部位应力值相对较低，基本呈现不受拉的状态。其中，跨径比为4.3时，堰体大主应力最大值为865.7 kPa，应力值大于500 kPa的范围占比约6.8%；跨径比为3.5时，堰体大主应力最大值为878.2 kPa，应力值大于500 kPa的范围占比约5.9%；跨径比为3.0时，堰体大主应力最大值为788.8 kPa，应力值大于500 kPa的范围占比约5.1%。由此可知，3种不同跨径比迷宫堰在挡水工况下的拉应力均小于混凝土结构的抗拉强度极值，跨径比越大，结构大主应力的高应力区范围越小，堰体受力越均匀。

图4 曲线形及折线形迷宫堰大主应力云图(单位：kPa)

图5 100 kPa以上大主应力范围图(单位：kPa)

3.2 位移对比分析

通过数值计算，可以得到不同跨径比迷宫堰挡水工况下的总位移云图，见图6。通过对比分析3种迷宫堰的总位移分布情况可知，3种迷宫堰位移分布规律基本一致，总位移最大值主要分布在直墙左右侧顶部位置，直墙其他部位以及底板位移较小。其中，跨径比为4.3时，堰体位移最大值为6.481e-4m，位移值大于5e-4m的范围占比约32.3%；跨径比为3.5时，堰体位移最大值为5.179e-4m，位移值大于5e-4m的范围占比约25.8%；跨径比为3.0时，堰体位移最大值为5.034e-4m，位移值大于5e-4m的范围占比约12.9%。由此可知，3种跨径比的堰体挡水工况下的结构总位移总体偏小，跨径比越小，翼缘范围位移越小，但均在毫米级以内。

图6 曲线形及折线形迷宫堰总位移云图(单位：m)

4 结 论

伴随着城市水利景观事业的发展，迷宫堰作为新型的低水头挡水溢流结构，因其具有构造简单、结构新颖、景观效果好、无上部结构等一系列的特点，在城市河道建设中得到广泛的应用。本文以较高水头的大跨度迷宫堰为研究对象，借助有限元计算，针对不同跨径比的迷宫堰挡水情况下的结构受力特点进行计算分析。结果表明：①应力方面。不同跨径比情况下，大主应力分布规律基本一致，结构大主应力最大值主要分布在堰体上游侧直立边墙与底板接触区域，最小值主要分布在直立边墙顶部区域，跨径比越大，结构大主应力的高应力区范围越大小，但均小于混凝土结构的抗拉强度极值。②位移方面。不同跨径比情况下，位移分布规律基本一致，位移最大值主要分布在堰体上游侧直立边墙顶部左右翼缘区域，最小值主要分布在直立边墙根部区域，跨径比越小，翼缘范围位移越小，但均在毫米级以内。