水利工程中优化加强混凝土结构的相关策略设计

刘荣钊

(无棣县水利工程总公司，山东滨州251900)

水利工程中优化加强混凝土结构的相关策略设计

刘荣钊

(无棣县水利工程总公司，山东滨州251900)

文章根据水工混凝土结构材料，分析了水工混凝土结构设计的基础，指出水工混凝土结构的极限及水闸设计问题，并提出今后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，水工将能够为国民经济的发展带来更大的作用，发挥出更大的能力。

水利工程;优化加强;混凝土结构;水工混凝土;结构设计;安全监控

0 引言

水工建筑多是用于容纳水及调节水的一些设施，首先要有好的结构设计，才能更好的完成项目施工、验收。目前水工混凝土结构物数量需求越来越多，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［1］。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一些自身的特点。①它的结构尺寸大，跨度相对较小;②它所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［2］;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，我国的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［3］。

1 水工混凝土结构材料

目前工程应用中，水工建筑多采用的是混凝土，而混凝土结构则是主要包括碎石、砂、水泥等原材料。所以如果想选择使用合适的混凝土，就要首先对它进行适当的检验测试，当混凝土的性能参数达到设计与规范要求，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含有的有害物质超标，结果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配比进行检验测试，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。

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，多数结构都是受裂缝要求控制，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。要确定出容许裂缝的宽度，要根据当地的潮湿环境、荷载性质以及水压力的变化等参数来进行确定，综合考虑。一般而言，不同的安全等级的水工建筑，耐久性指标也会不同。

现代工程中，裂缝的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的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，混凝土与钢筋的极限状态来进行设计。

对于重要的工程而言，由于现行的规范中搞裂验算的可靠性不高，所以需要根据不同的情况进行处理双保证的问题几种裂缝公式计算结果见图1:

1)如M≤Mcr，则不必再进行限裂验算。

2)如Mcr＜ M≤ Mcrk，则要求wcrk≤［wcr］。

3)如Mk＜ Mcrk，则要求wcrk≤［wcr］。

以上不带K的为设计值，wcr为抗裂弯矩。

2.3 以水闸为例的伸缩缝预留

水闸结构相对简单，一般由水工结构与建筑结构两部分组成。首先关于闸板的伸缩性设计，水闸的结构分为上产的机房与桥头，在水闸设计规范中，对分段的长度有着一定的要求，土基的分估长度约30 m。

当建筑物较长时，为了因为气温原因导致的裂缝，需要在以下2种情况中使用:

1)建筑物长期不符合相应的标准。建筑结构类型发生了较大变化。

2)建筑平面丰富复杂。

从整体上看，下部的结构主要是为了上部的结构的可靠性，伸缩缝可以在下部与上部同时设置，当上部的结构长度不符合要求时，上部构件完全可以整体结构。

图1 几种裂缝公式计算结果

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，水闸使用多，它的排水与止水都将决定着水工建筑的使用寿命。所以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。

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。

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。

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，同时注意要在工作面外进行。为了避免止水片上出现针孔等问题导致止水缝发生渗漏的问题，在安装时，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的和易性，来保证与振捣密实相符合。止水伸缩缝渗漏以预防为主要，规范操作。

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。首先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;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;只按受力性态来确定出ρmin，使板和梁、墙和柱采用了同一值。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要的问题是温度场计算、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。混凝土的松驰系数见表1。

表1 混凝土的松驰系数表

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，要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。

7 结语

现代施工中，水利工程占比越来越多，加强水工建筑结构的设计非常有必要性，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，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，对于工程的使用都有重要的意义。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，水工将能够为国民经济的发展带来更大的作用，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):93-95.

［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):15-16.

［3］危朝扬.水工建筑结构设计关键问题探讨［J］.河南建材，2013(03):121-122.

TU375

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1007-7596(2014)07-0140-03

2013-10-11

刘荣钊(1973-)，男，山东无棣人，工程师。