水利工程中混凝土结构的优化设计

张志刚+邓钦

摘 要：在大型水利工程中混凝土结构设计的难度比较大，特别是围岩稳定性设计和衬砌设计优化上。本文主要谈论水利工程中混凝土结构的优化设计的关键技术。

关键词：水利工程 混凝土 优化设计

水利工程建设一般是用于调节水、容纳水的一些设施建设，在建设的过程中要特别注意其结构设计的合理性。目前，我国的水利工程混凝土结构的数量越来越大，但是混凝土的结构设计方面依然还存在很多的问题，比如混凝土结构的耐用性、持久性不佳，影响水利施工的正常运行。在施工的过程中必须解决这些问题，确保水利工程混凝土结构设计的科学性、合理性，提高工程质量。

1.水利工程混凝土结构简介

1.1水利工程内容及结构要求

水利工程指的是为了控制、利用以及保护地表和地下水资源，而修建的各种工程建筑。水利工程建筑的规模比较大，工期比较长，在建筑过程中可能会遇到很多问题。就拿近几年应用比较广泛的混凝土结构来说，它在水工建筑中起到很大的帮助，但是其结构设计是一项技术性要求很高的工作，不容易把控。

1.2水利工程混凝土的结构特点

在水利工程建筑中混凝土的结构尺寸比较大，跨度比较小，与其他建筑的混凝土结构设计所需要的配筋率相比取值比较小，但是数量比较大；大体积的水工混凝土结构水泥水热化比较大，当外界温度变化时，可能会产生裂缝，再设计时需要配置更多的温度钢筋；有些混凝土结构需要完全侵入水中，或者冻融，所以其耐久性不佳。目前，我国在水利工程建筑中仍然存在很多无法计算的因素，致使混凝土的结构设计不合理，影响工程质量。1.3混凝土的结构应用

随着经济的发展，钢筋混凝土的应用越来越广泛，比如三峡水电站、南水北调工程等大型水利建设。同时随着技术的进步与工程难度的增加，混凝土的结构有许多需要优化升级的地方，特别是在一些地形比较复杂的地区，混凝土的稳定性易受到影响，容易出现开裂，从而影响水利工程的建筑质量，所以必须对水利工程的混凝土结构进行优化设计，确保工程质量。

2.水利工程混凝土结构设计中存在的问题

在水利工程建筑中，混凝土结构的优化设计是一项难度比较大的工作，除了考虑混凝土自身的一些问题以外，还需要考虑工程的地形地貌条件，制定出一套可行性方案，进而进行结构的优化布局，在结构优化的过程中要特别注意围岩的稳定性等问题。2.1水工混凝土的材料问题

在水利工程建设中混凝土材料的配比是否合理可能会影响混凝土的质量，比如孔洞、麻面、气泡等质量问题。混凝土的结构一般是由水泥、碎石、砂等材料构成，水泥的质量影响混凝土的结构强度。如果原材料的配比设计不合理，则在搅拌的过程中，混凝土拌和物严重离析，混凝土料干硬，入仓混凝土料架空或骨料集中，混凝土摊铺料太厚，漏振等，混凝土就非常容易出现孔洞，进而影响混凝土结构的质量。2.2在工程建筑中准备工作不细致

水利工程建设是一项复杂的工作，在建设前，必须对结构区域内的水文条件、地址状况等做充分的了解。在实际工作中，往往因为施工状况复杂，工作人员在工作中不够认真、细致，而出现很多问题。有些水利工程的洞壁围岩应力和变形较大，岩体的不稳定比较突出，再加上混凝土结构岔管形态复杂，很容易出现地应力集中、衬砌开裂现象，而破坏混凝土结构。

2.3岔管设计不合理

在水利工程建设中，混凝土结构设计的岔管设计也是一向比较复杂的工程设计，对施工技术的要求比较高。一般情况下，岔管的结构比较多，在设计时要注重其合理性，尽量选择合适的岔管方式和材料，以免造成水利工程的后期开裂与损坏。在岔管设计方面，虽然有比较可行的研究方案，但是复杂的实际状况还是会影响混凝土结构变形和受理特征，影响计算的准确度，应加强施工期监测与信息反馈。

2.4混凝土衬砌渗漏问题

在水利工程中，混凝土的衬砌渗漏问题也非常突出，产生这种状况的原因有很多，首先考虑基础地基问题，如果地基不稳定，没有按照工程要求进行设计，必然会造成衬砌裂缝渗漏，从而导致工程衬砌发生沉陷，渠道衬砌工程出现渗漏。

3.水利工程中混凝土结构的优化设计

水利工程建设中对混凝土的结构设计要求比较高，要求其有较好的抗渗性和整体性。在施工过程中注意结构设计中的关键性技术，防止混凝土结构质量问题的出现，确保工程建设的质量要求。

3.1混凝土裂缝的控制

在水利工程混凝土结构设计中，裂缝控制是其重要控制内容，在混凝土的结构设计中，除了要控制好混凝土的承载力以外，还要严格控制裂缝的出现，把裂缝控制在允许的范围之内。而裂缝的控制需要根据工程环境情况、荷载性质、水压力的变化情况等参数来确定。在现代水利工程中，裂缝的控制适合用于一些弯拉构件方面，而水工建筑中一般使用非常规的杆件，所以要特别注意控制好混凝土的裂缝宽度。裂缝的设定一般根据钢筋混凝土构件的裂性评估进行，根据其断面作用力变化情况，制定裂纹开度标准。另外还要考虑在实际使用中，钢筋与混凝土的极限状态。

3.2合理配置混凝土原料

混凝土的原料配置是保障混凝土质量的关键步骤，合理的配置混凝土原料，能有效的防止混凝土气泡、孔洞、麻面的出现。首先为了防止气泡的出现，在施工的过程中可以采用细度模数2.0—3.0范围的天然砂或人工砂，严格按照混凝土配合比施工，合理控制外加剂的掺入量，做好混凝土的摊铺、振捣等，每层的混凝土铺设厚度控制在30-50cm范围内，振捣时注意缓慢拔出振捣帮，防止气泡的生成；为了防止混凝土孔洞的出现，在进行混凝土的搅拌时，要注意均匀搅拌，混凝土的和易性好，分层摊铺，振捣均匀，模板支撑要牢固。如果出现孔洞，要及时将孔洞部分的松散物处理干净，用细石混凝土填塞处理；对于混凝土结构露筋现象的预防，在安装钢筋时要找准位置，焊接牢固，混凝土的保护层垫块要均匀牢固，禁止随意搬动、踩踏。如果出现露筋，要及时清除干净外露钢筋上的锈斑，抹平压光，覆盖养护，用浇灌技术把混凝土加厚处理。3.3围岩结构稳定性的优化设计

在水利工程中，衬砌方式与布局的深度影响着混凝土结构的优劣，在设计混凝土衬砌时需要注意围岩承担水压力的能力。所以，混凝土的结构优化，首先要解决围岩水压承载力问题。在围岩结构中，首先要确定其最小覆盖厚度，如果围岩厚度不足，容易造成事故的发生，导致工程大量渗水。最小厚度的测量要根据平缓地表面和陡坡地表面上台准则确定。围岩只有具有足够的承载力，才能采用不衬砌、限裂或非限裂混凝土衬砌的方法。

3.4衬砌设计的优化

衬砌方式的选择要根据实际设计需求与围岩承载压力进行确定，在混凝土的结构设计中，衬砌的类型比较多，但从设计方面来说可以分为开裂衬砌与抗裂衬砌两部分。根据具体的工程要求，比较分析不同的衬砌方案，选择最为合适的方案进行施工。选择好衬砌方式以后，对钢筋混凝土衬砌与围岩联合作用进行模拟，形成一个二次应力场，在此基础上进行钢筋混凝土的支护，分析衬砌的变形、裂缝出现问题，进行岔管衬砌布局，尽量减少衬砌的配筋量，以便使其更好的应用于水利工程的建设中。3.5混凝土的湿温度计算

现在很多水工建设中，都会有温度裂缝的出现，现行的混凝土结构规范中对这一点的标准不是太具体，一些大体积的混凝土温度计算问题是温度场计算、应力计算、混凝土抗裂性验算等。对于温度场和应力的计算一般采用限元、差分法求解，在进行应力计算时，需要加入因为混凝土变化而引起的应力松弛条件。对于弹性温度应力一般会折减35%。经过优化后的温度计算已经适合与不同工程徐变计算公式，而且在不同的配比下通过试验值与计算值比较松弛系数。

近几年，水利工程建筑发展迅速，在施工过程中对混凝土的结构设计进行优化是保证工程质量的重要因素，直接影响着工程建筑的安全性、耐久性以及综合性能的提高。所以在工程进程中要特别注意混凝土结构设计的优化，选择合适的混凝土原料，注意裂缝的防范设计，选择合适的温度计算公式，合理规划水工建设，确保水利工程建设保质保量的完成。

参考文献：

[1]王珺，徐勤.钢筋混凝土框架结构优化设计探讨[J].工程与建设2010，24（6）：769-770.

[2]晏彦.水利工程大型地下钢筋混凝土结构设计优化[J].分析大科技2014（4）：144-145.endprint