河道中折线形及曲线形迷宫堰的结构受力特点对比分析

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

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，在城市河道建设中的得到广泛的应用[1-5]。曲线形和折线形迷宫堰作为两种最为典型的堰形，应用最为广泛。因此，针对两种堰的结构受力特点进行对比分析，以期为后续工程建设实施提供参考。

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[6-8]。本工程中河道宽80 m，初拟采用钢筋混凝土迷宫堰结构，堰体直墙壁厚0.5 m，底板厚0.8 m，底板顺水流方向宽9 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选型，初拟采用曲线形和折线形两种结构挡水工况下的受力情况进行对比分析。

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9 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，本文为了计算方便，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9 m，垂直水流向模型宽度为16 m，边墙高3 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，并且分别在曲线形及折线形迷宫堰的上游侧边墙及底板表面均施加3.0 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，可以得到曲线形及折线形迷宫堰挡水工况下的大主应力(拉应力)云图，见图4。通过对比分析两种迷宫堰的大主应力分布情况可知，两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，曲线形迷宫堰大主应力最大值为293.6 kPa，应力值大于100 kPa的范围占比约18.3%；折线形迷宫堰大主应力最大值为308.8 kPa，应力值大于100 kPa的范围占比约18.5%。由此可知，曲线形及折线形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，曲线形堰的大主应力极值比折线形堰偏低，100 kPa以上的应力较高的范围基本相当。见图5。

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，可以得到曲线形及折线形迷宫堰挡水工况下的总位移云图见图6。通过对比分析两种迷宫堰的总位移分布情况可知，两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，曲线形迷宫堰位移最大值为1.996e-4m，位移值大于1e-4m的范围占比约10.7%；折线形迷宫堰位移最大值为1.840e-4m，位移值大于1e-4m的范围占比约8.4%。由此可知，曲线形及折线形迷宫堰在挡水工况下的结构总位移总体偏小，曲线形堰的总位移比折线形堰略微偏高，但总体位移均在毫米级。

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，在城市河道建设中的得到广泛的应用。本文以曲线形及折线形两种迷宫堰为研究对象，借助有限元计算就两种迷宫堰挡水情况下的结构受力特点进行了计算分析。结果表明：①结构应力方面，两种堰的大主应力分布规律基本一致，拉应力均小于混凝土结构的抗拉强度极值，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，曲线形堰的大主应力极值比折线形堰偏低。②结构位移方面，两种堰位移分布规律基本一致，总体位移均在毫米级以内，总位移最大值主要分布在直墙左右侧顶部位置，曲线形堰的总位移比折线形堰略微偏高。