某湖水下导流箱涵结构受力分析研究

王云WANG Yun；徐海天XU Hai-tian

（①中国十九冶集团有限公司，成都 610031；②四川省第六建筑有限公司，成都 610081）

0 引言

箱涵是重要的交通基础设施之一，是常见的涉水或地下建筑物，广泛应用于公路、铁路、堤防、雨污水管道以及各类管线通道等，其安全价值和经济价值不言而喻。[1-2]钢筋混凝土箱涵采用整体闭合式框架结构，具有良好的稳定性、刚度大、变形小、承载力高、抗震性能好、防渗性能好、地基适应性强、工程投资小、结构形式简单以及参数化设计等特点[3-5]，同时考虑生态环境、线性要求、城市规划等因素[6]，在建设工程领域应用越来越广泛。

杨振琨等[7]以某坝下排水箱涵为例，采用ARSA 软件对箱涵进行结构受力计算分析，结果表明在各种荷载作用下箱涵主要以受压为主，最大内力一般发生在箱涵的底部。侯绪亚等[8]基于Autobank 软件分析连续介质有限深度弹性地基上双孔箱涵在有无边荷载作用下受力变形研究，研究表明结构受力符合规律且在实际工程中宜考虑边荷载作用。陈树汪等[9]研究了某水下单孔矩形箱涵在全淹没、半淹没、无水等三种工况下的结构变形和承载力，其结构变形以竖向为主；同时在水压力的作用下，结构会发生侧移且位移不大，不影响工程运营使用。Maekawa K 等[10]研究发现钢筋混凝土箱涵的侧板是为了抵抗由轴向推力和与水平荷载相关的竖向荷载和剪力的组合所产生的弯曲变形，而顶板和底板是为了抵抗由竖向荷载产生的具有大剪力的弯矩。

钢筋混凝土箱涵结构相对简单，与其他结构的不同之处在于内部空间是空的[11]，由顶板、底板和侧板组成，但其与土体、水体之间的受力特性是比较复杂的[12]。考虑水体-箱涵-土体之间相互作用，可以利用有限元分析软件进行数值分析[13]。本文以某湖水下导流箱涵为例，研究其在常规荷载作用下的结构变形和沉降规律，对箱涵在水下结构设计[14]、变形规律研究等方面具有重要的指导意义。

1 工程概况

某湖与河渠相连，河渠水质不稳定，在枯水期恶劣水体滞留在湖区，水体富营养化严重，湖区水环境极差，严重影响周围生态环境形象。该湖面积约39730m2，库容约2.98 万m3，为了达到水环境综合治理效果，河渠穿越湖区采用箱涵进行导流，使河渠和湖区水体分离，湖区在上游河渠采用泵站抽水并进行水质处理后使用。

新建导流箱涵288.13m，上下游与原河渠衔接。箱涵布置三孔，边孔净空尺寸为4.25m×2.00m（宽×高），中孔尺寸为4.10m×2.00m（宽×高）。箱涵采用C30 钢筋混凝土浇筑，底板及侧墙厚度为40cm，顶板厚度为30cm，中部隔墙厚度为30cm。箱涵基础置于预碾压后的松散砂卵石层上，进口底板高程为536.60m，出口底板高程为536.04m，进出口通过5.00m 长的水平段和1:1.5 的斜坡与原渠道底部相接，并采用20cm 厚C25 钢筋混凝土保护渠道底部和原渠道衬砌基础。在箱涵起止点顶板上部垂直水流方向布置“一字”挡水墙以保证西湖正常蓄水位为539.00m，挡水墙顶高程为539.00m，挡水墙采用悬臂结构且两端伸入岸边土体。箱涵置于预碾压后的松散砂卵石层上，地基承载力不小于0.3MPa。

2 地质条件

河渠堤经过地层从上至下依次为素填土、湖积淤泥质粉质粘土层、第四系冲洪积层（Q4al+pl）粉土层，下部为松散～密实状卵砾石夹砂层。借鉴临近工程抽水试验成果，卵石层渗透系数取25m/d，属强透水层。

3 有限元分析

3.1 模型建立

本文采用ANSYS 软件进行数值计算，钢筋采用LINK8 单元，混凝土采用SOLID65 实体单元，采用多线性等向强化本构模型模拟混凝土。模型共计单元总数2150058 个，其中混凝土单元1866240 个，钢筋单元283818 个，节点总数2520398。

3.2 模拟方案

根据箱涵结构的实际运行条件，考虑了有水运行期和无水运行期2 种工况，详见表1。有限元实体单元计算暂未考虑温度及混凝土收缩，同时为体现箱涵结构、水文地质条件、箱涵运行等情况进行综合分析，湖内的水均是按蓄满水考虑，箱体外部均考虑外水压力和浮托力，有水运行期按箱涵内满水，无水运行期按箱涵内无水且无压力。

表1 工况组合

3.3 分析结果

为深入分析箱涵在水下的基本情况，沿水流方向整体均分方式提取5 个断面，即断面1（M1，进水口位置）、断面2（M2，靠进水口位置）、断面3（M3，中间位置）、断面4（M4，靠出水口位置）和断面5（M5，出水口位置）。

3.3.1 变形分析

箱涵结构的变形量大小作为决定结构稳定性的重要指标，两组工况的竖向位移见图1 所示。由图可知，两组工况位于水下，变形以竖向变形为主，竖向变形最大值为-0.1665mm，对应的工况和位置分别为有水运行期、断面5（M5）。

图1 竖向位移（mm）

3.3.2 应力分析

针对变形结果分析可知，M5 在无水运行期、有水运行期的变形量最大，则应力分析选择有水运行期的M5，如图2、图3 所示。

图2 无水运行期M5 应力云图

由图2（1）等效应力分析可知，最大拉应力为0.927MPa，位于右孔顶板左下部加腋部位内侧，最小拉应力为0.001MPa，位于右孔底板中上部；由图2（2）第1 主应力分析可知，最大拉应力为0.779MPa，位于左孔顶板右上部；最大压应力为0.626MPa，位于左孔顶板右下部加腋部位内侧；由图2（3）第3 主应力分析可知，最大拉应力为0.005MPa，位于中间隔墙顶板上部；最大压应力为1.036MPa，位于左孔顶板右下部加腋部位内侧。

由图3（1）等效应力分析可知，最大拉应力为0.923MPa，位于右孔顶板左下部加腋部位内侧，最小拉应力为0.007MPa，位于中孔顶板中上部；由图3（2）第1 主应力分析可知，最大拉应力为0.802MPa，位于左孔顶板右上部；最大压应力为0.628MPa，位于左孔顶板右下部加腋部位内侧；由图3（3）第3 主应力分析可知，最大拉应力为0.005MPa，位于中间隔墙顶板上部；最大压应力为1.033MPa，位于左孔顶板右下部加腋部位内侧。

4 结论

随着城市和工业发展，城市河渠水环境较差，其治理是城市发展的必经之路，并根据河渠特点、问题及成因、治理目标等方面提出针对性综合治理方案，如控源截污、内源治理、生态修复和活水提质等，切实提升河渠的水生态环境治理。本文以某湖拟建导流箱涵为例，根据箱涵结构、水文地质条件、实际运行条件等，深入分析箱涵在水下的基本情况，考虑了有水运行期和无水运行期2 种工况，结合有限元软件ANSYS 分析结果，研究了某湖水下箱涵的受力分析特点，主要包括以下几点：①导流箱涵存在水流坡度，则出水口标高比进水口低，出水口变形量最大。②导流箱涵的两组工况均位于水下，结构变形以竖向变形为主，竖向变形最大值为-0.1665mm，对应的工况和位置分别为有水运行期、断面5（M5）。③导流箱涵在无水运行期，最大拉应力为0.927MPa（等效应力）且为位于断面5（M5）右孔顶板左下部加腋部位内侧。