水工建筑物结构设计关键问题初探

□胥毕远（毕节市七星关区水利局）

0.引言

水工建筑是一门跨专业的学科，是建筑业的分支，其设计主要用于容纳和保护水利设施设备，工程的结构设计通常由水利工程师来进行，因此，在水工建筑物结构的功能设计上还是比较稳定的。虽然水利工程目前呈现总体上升趋势，但是也有局部矛盾存在。工程师在水工建筑的造型设计上缺乏艺术感观，对建设周边的环境缺乏一定的了解，此外，在部分结构设计上还存在一定的缺陷，对此必须合理布局、合理规划、合理分析，提高结构质量控制，以保证满足水利发展的需求。

1.水工建筑整体设计

1.1 总平面设计

水工建筑的总平面设计包括主体建筑物和其配套设施，主体设施包括闸、坝等，配套设施包括生活用房、管理用房和绿化等。现将以泵站为例，泵站枢纽通常所含的建筑物主要有泵房、配电房、办公楼及食堂、员工宿舍、车库等附属建筑物。在传统的设计中，只对水工工程的位置图进行设计，缺少配套建筑和环境全局的总体规划设计，从而忽略了建筑的合理布局。通过现代调整后的设计模式来看，对于水利建筑的设计不仅仅满足了必要的水利设备，更提升了水工建筑的艺术感观，建立了建筑物之间良好的距离感和互通感，不仅有利于建筑物各功能之间的搭配，更强调了建筑的整体性和更好的使用内容。

1.2 建筑平面设计

水工建筑的设计通常要提出专业设备布置要求，之后才能确定平面布置形式，以满足在总图布置中与交通的关系和规范的需求。水工建筑的结构布局都是按设计规范来进行操作，在专业配合上要多方面商讨才可实施。从近几年来看，水工结构与建筑艺术的配合过程是一种相互促进、相互协调、相互提高的过程，这样的配合过程为水工景观设计及现代化品质的水工建设打下了坚实的基础。

1.3 造型设计

水工建筑设计通过对风格的选择和协调，反映了当代技术的应用及文化的内涵。在实际建造过程中，必须考虑周边的环境需求，并将传统与现代相结合来达到设计的整体协调。但是应该避免一味的追求时尚所带来的低级趣味的建筑设计。建筑物应该具有一定的个性，不能完全一样，例如泵房的平面一般都是简单的矩形，高度高，体量大，对于此类建筑，就必须在设计中做到粗中有细，通过开窗方式、墙面与柱子的关系来丰富细化，使其在感观上不显得单调。

1.4 建筑材料

水工建筑结构设计的外部结构所体现的感观效果与色彩的运用和材质有关，但是不能单单只考虑美观好看，水工建筑一般处于环境空旷的位置，受到风沙侵蚀所带来的清洁问题较为明显。同时，由于风侵蚀表面会带来坑洼、脱落和干化的现象，还必须考虑耐风程度，而在雨天又会受到冲洗，所以耐水性能也要很好。在对水工建筑选材上，设计者会带有一定主观性，必须避免其因为对材质色彩的偏好进行的有限选择。

2.水工建筑混凝土结构设计

2.1 确定水工混凝土结构极限

极限状态分为承载能力和正常使用两种。承载力极限状态的主要标准是指结构材料强度超过破坏的极限承载力，或因为过度变形不应继续承载，在水工重力坝挡水结构中应将受压破坏的极限承载状态作为设计依据，对最大拉应力要限制其不大于规定的某一较低的应力限值。因而在此类水工结构中，应该增设一个应力约束极限状态，从而测定混凝土的不连续点，尽量控制裂缝产生。

2.2 裂缝的控制

在水工混凝土结构设计中，裂缝控制是最为重要的问题之一。水利工程中有许多结构是受到裂缝宽度控制而不是受控于承载力，所以必须采取根本性的解决办法来控制裂缝产生。通过对所处的环境条件、荷载性质、钢筋种类、构件受力性质以及结构使用年限来进行综合考虑，区分耐久性对裂缝宽度的不同要求，确定出容许裂缝的宽度，从理论上说，安全等级不同的结构，正常使用的耐久性指标也就不同。目前，裂缝控制仅仅适用于一些标准的弯拉构件，但是水工建设的结构大多是非杆件系统，如何控制裂缝宽度是水工混凝土裂缝控制的又一大问题。对钢筋混凝土构件抗裂性进行评估和计算，根据断面的作用力变形所导致的裂纹形成的开度而制定设计标准，以及考虑混凝土和钢筋在实际工作中的极限状态来进行设计。

3.水闸设计问题分析

水闸工程设计对于水工建筑排水和止水来说是相当重要的。在水利工程中，水闸的应用较为广泛，水闸工程的排水和止水问题决定了建筑物的使用寿命。因此，必须对水闸工程的消力池排水孔、翼墙排水孔和止水伸缩缝的问题进行深入分析及研究。

3.1 消力池排水孔

消力池的底板排水是水闸排水问题之一。为了将护坦底部的渗透压力降低，可以在水平护坦的后半部设置垂直排水孔，并铺设滤层于孔下。水流出闸后，会通过平稳整流及陡坡段流向消力池水平底板，同时在陡坡段末端和底板水平位置的交接处形成收缩水深，此处的动能和流速水头最大，压强水头最小。如果在此处设置垂直排水孔，通过高流速和低压强或垂直排水孔下的细粒结构在底部大压力的作用下，很有可能从孔中吸出，时间过长就会掏空底板。因此，为了使底板身下的水量可以从消力池的垂直排水孔排出，应在消力池底板的后半段设置垂直排水孔，从而达到减小消力池底板渗透压力的作用。

3.2 翼墙排水孔

在单向水头的水闸下游翼墙和护坡设置排水孔，且将反滤层设置在挡土墙一侧的孔口处，以达到排出渗水的目的。同时，为了可以降低翼墙防渗、抗冲的强度，也可在进口翼墙位置同时设置水孔，增加渗径，使上游的水流直接从孔中渗入到墙后。相反，要想绕渗垂直流入到插入河岸墙后，就必须减少渗径，增加渗流。

3.3 止水伸缩缝

在水利建筑水闸工程中，止水伸缩缝会因设计、施工和材料的原因而发生渗漏的现象，此类问题大部分由施工引起。在施工过程中，由于止水片上的水泥渣、油渍等污物没有得到干净的清理，造成与混凝土结合不好，导致渗漏。对此，必须将模板上脱模剂安排在模板安全之前，且应在仓外进行。由于止水片有砂眼、针孔，或者接缝不牢固而导致止水伸缩缝发生渗漏，在采购止水片材料时，应做到严格把关，其规格、品种和性能要满足规范设计的要求，对于不合格的材料应及时更换。另外，金属片接缝必须采用与母材相似的材料焊接，保证焊缝质量和牢固。在止水片处混凝土浇筑所造成不密实导致渗漏的问题中，应谨慎振捣止水处混凝土，振捣工要有熟练的技术，既不能欠振，也不能烂振，此外，混凝土要有良好的和易性，以保证易于振捣密实。止水伸缩缝渗漏，必须要以预防为主，严格规范操作，从而保证水闸设计的质量要求。

4.结语

水利工程建筑应该从单一的水利建设功能向全面功能的方向发展，利用适宜的地理位置和自然环境为其自身谋得经济利益，关注水工建筑物结构上存在的一些问题，采取相应的控制措施，提高设计标准，促进水利工程的实用功能。此外，还必须考虑到水工建筑物的外观设计，进一步利用环境资源，优化外观，达到休闲观赏的目的，保证对水利事业功能转换新的思维方式，建立市场化模式，适应市场化方向，以达到使用功能和美化环境的共同目标。