水工混凝土结构设计若干问题探讨

邹战军

(杭州开瑞建筑规划设计有限公司，杭州 310015)

水工混凝土结构设计若干问题探讨

邹战军

(杭州开瑞建筑规划设计有限公司，杭州 310015)

水工混凝土结构主要用于保护水利设施，其结构设计直接影响到使用安全。现代水工混凝土结构建筑数量正在不断增多，在设计阶段面临着一些问题。文章结合水工混凝土结构的特点、材料以及裂缝、止水闸等相关的问题进行探讨，并针对这些问题提出一定的解决方案，通过监控达到有效提高水工混凝土结构质量的目的。

水工混凝土；结构设计；裂缝控制；安全监控

0 引 言

水工建筑多是用于容纳水的一些设施，首先要有结构设计，才能完成施工验收。由于水工建筑物都是由专业的水利、土木工程师来设计，所以它的结果还是相对稳定的。

目前水工混凝土结构的建筑数量需求越来越多，但在某些方面存在着一些矛盾。

在水工混凝土结构的设计阶段还存在着一定的问题，比如耐久性差、适用性不佳等问题，这些问题的存在严重影响到了生产的正常进行，因此提高质量势在必行。

以下针对水利工程结构设计的一些问题进行讨论。

水工混凝土结构具有以下5个特点：

1)结构尺寸大，跨度相对较小。

2)需要的配筋率会小于一般的混凝土结构设计中的最小值，不过数量仍然很大。

3)由于大体积的混凝土结构水泥水化热大，当外界有温度变化时，会发生一些温度裂缝，需要配置较多的温度钢筋。

4)有的结构需要完全浸入水中，或者处于承压的状态，甚至冻融等，它的耐久性相对差一些。

5)非杆件体系不利于进行极限强度理论配筋分析计算。

为了解决大体积的特殊问题，我国专家已经做过此方面的研究，比如有限元分析等。水工结构有很多目前仍然无法计算出的因素，所以温度作用、载荷效应不准确等因素影响到工程的质量。混凝土开裂后，强度无法保证，少筋混凝土理论将会失去效果。

1 水工混凝土结构材料

目前工程应用中，水工建筑物多采用的是混凝土，而混凝土结构的原材料主要包括碎石、砂、水泥等。所以若想使用合适的混凝土，首先要对它进行适当的检验测试，当混凝土的性能参数达到设计规范要求时才能使用，从而保证了水工混凝土结构的质量。

水泥的水化反应主要是由于碎石灰中有害物质超标，使混凝土的结构强度下降，影响到骨科与水泥胶体的黏结。这个时候可以加入早强剂或是粉煤灰，来提高混凝土的流动性，从而减少水化热。

在混凝土的搅拌过程中，原材料的配比非常重要，这时需要质量管理人员根据现场需求对这一比例进行检验测试，符合实际要求的配比才是最适合的。对于砂子中的含水率可以采用现场干炒法来进行，根据得出的含水率及时对混凝土的配合比进行调整[1]。

2 水工混凝土结构设计基础

2.1 水工混凝土结构极限

水工混凝土的结构极限可以分为承载能力与正常使用两种极限状态。水工混凝土的承载力极限状态是指结构材料强度超过了破坏的最大承载力，或由于变形严重而导致的不能继续承载。在使用水工建筑作为挡水结构时，要将受压破坏极限值来作为设计根据。设定最低的应力限值，使最大的拉力要低于此值。所以在水工混凝土结构设计中要确定好应力约束极限状态，来测定混凝土的不连续点，减少裂缝的产生。

2.2 裂缝的控制

裂缝控制是水工混凝土结构设计中的重要环节。水利工程中，多数结构都是有裂缝控制要求，而不只是承载力的控制。要通过一些办法来减少裂缝的出现，确定容许裂缝的宽度，根据当地的潮湿环境、荷载性质以及水压力的变化等参数综合考虑来进行确定。一般而言，不同安全等级的水工建筑，耐久性指标也会不同[2]。

现代工程中，裂缝控制适用于一些标准弯拉构件上，在水工建筑结构中多数使用的是非常规的杆件，所以如何控制好裂缝宽度是水工混凝土结构设计中的难点与要点。对裂缝的设定要根据钢筋混凝土构件的裂性评估后下结论，根据断面的作用力变形情况所导致的裂纹开度制定相应的标准。另外要注意，在实际的使用中，根据混凝土与钢筋的极限状态进行设计[3]。如图1所示。

图1 几种裂缝公式计算结果

对于重要的工程而言，由于现行的规范中裂缝验算的可靠性不高，所以需要根据不同的情况进行处理：

1)如M≤Mcr，则不必再进行限裂验算。

2)如M>Mcr，而M≤Mcrk，则要求Wcrk≤[Wcr]。

3)如Mk

以上不带K的为设计值，Wcr为抗裂弯矩。

3 水闸设计问题

水闸工程设计在水工混凝土结构设计中也是非常重要的环节。在水利工程应用中，水闸使用较多，它的排水与止水都将决定着水工建筑的使用寿命。所以有比要对水工建筑的消力池排水孔、侧墙排水孔以及止水伸缩缝等问题进行细致研究[4]。

3.1 消力池排水孔设计

消力池底部的排水孔关系到水闸排水的问题。在水平护担的后半部设定排水孔的目的是将底部的渗透压力降低一定程度，排水孔下方应该铺设滤层。水流在流出闸后，会流入到消力池的底板上，将会在陡坡的末端与底板的交接处形成收缩水深，这时的动能与流速都会很大，如果在这样的位置设置排水孔，通过细粒结构在底部的作用，受到低压强与高流速的影响，有可能会从孔中吸出，长久下去，将会把底板底部完全掏空。

所以为了让底板下面的水量可以从垂直排水孔中排出，应该在后半段设置垂直排水孔，从而减少渗透压力作用。

经过对MAN B&W 6S35ME-B9型船用二冲程低速柴油机特征参数的采集分析和故障的诊断和排除，得出以下结论。

3.2 侧墙排水孔

为了排出渗水，要在单向的水流闸口下游的侧墙与护坡上设置排水孔，并配有反滤层。同时为了避免侧墙渗露，增强抗冲的能力，可以在进口侧墙的位置同时设置有排水孔。让上游的水直接通过孔渗到墙的后面[5]。

3.3 止水伸缩缝

对于多空间的闸室底板需要沿着垂直水流的方向分段，设置沿水流方面的永久缝，这些是为了避免混凝土的干缩、地基沉降以及温度引起的裂缝等对水工混凝土结构的影响。

在水利建筑水闸工程中，止水伸缩缝会因为材料、设计的原因出现渗漏的问题，这大多数是由于施工引起的问题。所以在现场施工过程中，要对水泥渣、油渍进行清理干净，否则将会导致与混凝土的结合达不到要求，出现渗漏的问题。所以要将模板上的脱模剂安排在模板安全的前面，同时注意要在库外进行。

为了避免水片上出现针孔等问题导致止水缝发生渗漏的问题，在施工时，要确保它的性能、规格满足设计要求。除此之外，需要注意的是止水缝如果采用与母材相似的材料进行焊接时，要保证焊接质量。

如果因为混凝土的振捣导致的混凝土浇筑不良，会对工程产生影响，所以需要谨慎进行振捣，操作人员要具有一定的经验。由于混凝土有着良好和和易性，来保证与振捣密实相符合。止水伸缩缝渗漏要以预防为主，按要求操作。

4 最小配筋率

最小配筋率同样是水工混凝土结构设计中的一大主要问题。水工中结构多采用最小配筋率来决定用钢量。

目前的水工规范中最小配筋率ρmin不尽理想：①规范中对截面尺寸由强度条件决定的结构，采用了不同的准则，但没有判定出具体的标准。②采用这种配筋率，构件尺寸越大，配筋越多，这种情况非常不合理。③只按受力形态来确定出ρmin，使板和梁与墙与柱采用了同一值。有一些理论中提出，不采用Mcr=Mu的原则和固定的ρmin值，而是采用一个随设计与截面极限内力之比而不断发生变化的最小配筋率。这一理论有可能会使最小配筋的问题顺利得到解决，而不再使用少筋混凝土理论。

5 温湿度计算

温湿度计算具有明显的水工特色。在现代不少水工中，都会有温度裂缝的出现，但目前的规范中并没有相关具体规定，对于大体积的混凝土温度计算主要是温度场计算、应力计算，混凝土抗裂性验算与当不满足抗裂时，配筋以及限制裂缝宽度。

对于温度场与应力的计算可以采用有限元、差分法进行求解，在应力计算时需要加入由于混凝土徐变而引起的应力松驰。在目前的规范中将弹性温度应力一般折减35%，稍显粗略。水工专家综合了多组大型水工混凝土的徐变试验数据，在优化后，已经提出适合于不同工程的徐变计算公式，并在不同的配比下，松驰系数的实用表格，通过对计算值与试验值进行比较，二者的误差在10%以内[6]，如表1所示。

6 安全监控

施工后，要对大型、重要的水工建筑进行监控，水工建筑在发生破坏时，提前会有一定的征兆，所以需要在平时的监测过程中，对数据进行多次分析，准确判定状态。对于发现的问题需要及时解决，避免小问题成为大问题。水工建筑的监控可以分为原型观测、监控分析与工作状态评估。采用安全监控，对水工建筑的使用状态以及评估有着重要的现实意义。

表1 混凝土的松驰系数表

7 结 语

现代施工中，水利工程比重越来越大，加强水工建筑结构的设计非常有必要，它的质量影响到整个工程的质量。由于该技术发展还不够完善，所以还面临着一些问题，只有把这些问题进行处理，综合考虑，才能提高安全性、耐久性。选择合适的混凝土原料，加强止水闸与裂缝的防范设计，提出安全监测，对于工程的使用都非常重要。随着工程技术的发展，会有更多的方法与途径可以解决目前在水工混凝土结构设计中的问题，相信在未来的工程应用中，水利工程将能够为国民经济的发展带来更大的效益，发挥出更大的能力。

[1]王建伟.不同规范的钢筋混凝土梁钢筋用量对比分析[J].人民黄河,2011，33(03)：93.

[2]贾明川.水工混凝土结构设计若干问题探讨[J].内蒙古水利,2012(04)：15.

[3]马磊磊.基于光纤光栅传感的水工混凝土结构健康监控系统研究[D].郑州：郑州大学,2012.

[4]危朝扬.水工建筑结构设计关键问题探讨[J].河南：河南建材,2013(03)：121.

[5]安新正.腐蚀环境下再生混凝土结构耐久性试验研究[D].北京：中国矿业大学,2012.

[6]武海荣.混凝土结构耐久性环境区划与耐久性设计方法[D].杭州：浙江大学,2012.

1007-7596(2014)03-0122-03

2013-08-27

邹战军(1982-)，男，四川金堂人，助理工程师，从事水利水电工程及水工结构设计工作。

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