关于水工混凝土结构优化设计分析

冯乐

摘要：本文以某水电站工程作为主要研究对象，针对结构特征、施工材料、止水闸等方面进行了细致的分析，同时提出了相应的问题解决方案，旨在提高该结构的应用水平，为工程发展奠定扎实的基础。

关键词：水工，混凝土结构；优化设计

中图分类号：TV33 文献标识码：A 文章编号：1674—3024（2016）11—172—02

前言

水工混凝土主要由特定的混凝土与钢筋制成，较为常用的混凝土结构主要分为3个类型，分别为素混凝土结构、预应力混凝土结构以及钢筋混凝土结构。由于地质条件、水文地质以及气象等因素的影响，水工建筑在设计的过程中时常会遇到一些问题，如果这些问题未得到有效处理，势必会对工程质量造成影响。为此，必须对水工混凝土结构的优化设计工作给予足够的重视，针对设计过程中存在的问题提出有效的处理方案。

1工程概况

某水电站工程总库容0.445×108 m3，正常高水位495m以下库容0.329×108m3，电站装机容量90MW，多年平均发电量3.357×108 kW·h，保证出力21.19MW，装机利用小时数3730 h，按照国家《防洪标准》（GB 50201—1994）以及国家经贸委颁发的《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180—2003）

的有关规定，本工程等别为三等，工程规模为中型。主要建筑物大坝、溢洪道、发电引水隧洞、厂房按3级建筑物设计，挡墙、交通洞、交通桥等次要建筑物按4级建筑物设计。

本工程所处地区地震基本烈度小于Vl度，设计中不考虑地震影响。

2水工混凝土材料

就目前而言，绝大多数水工建筑都运用混凝土结构，它是由碎石、砂土以及水泥等基本材料混合而成。如果施工建设中需运用此类混凝土，首先在使用之前应进行检验测试，在混凝土结构的各项性能切实满足设计要求后，再进行后续工作，以确结构质量。水泥材料出现水化反应的原因为碎石灰中的有害成分超过限度，使混凝土结构的硬化强度大幅下降，对骨料和其他材料的黏结性造成影响。若实际情况中发生水化反应，可向混合料中掺加适量早强剂，这样可以显著增加其流动性，缩减水化放热。

在对混凝土进行搅拌时，各基础材料的配合比至关重要。工作人员可依据工程需要对材料配合比的选择进行检测，必须确保配合比满足设计需求。砂土实际含水量可通过现场干炒等方法测出，根据其实际含水量调整材料配合比。

3水工混凝土结构优化设计基础

3.1水工混凝土结构极限

主要分为承载极限与正常使用极限。承载极限指的是混凝土结构实际受到的承载力已经超过其强度限制，导致混凝土结构出现形变、损坏等现象，无法继续使用。对于挡水结构物而言，结构受压极限是一项重要的设计参数依据。在对应力限值进行优化设计时，需将拉力最大值控制在此限值之内。由此可见，在对水工混凝土结构进行优化设计时，应把握好应力极限，明确结构中不连续点位，以此有效避免裂缝等问题的发生。

3.2结构裂缝预防

裂缝预防是优化设计工作中的重要阶段。在工程建设过程中，许多结构都需进行裂缝预防控制，在此基础上才可完成承载力等方面的控制。想要明确结构容许裂缝的规格，需对当地自然地理、荷载条件与水压等信息进行调查，并进行综合分析。通常情况下，安全等级有所不同的建筑物，其对耐久性的要求也会存在一定差异。在现阶段的工程建设中，混凝土结构裂缝防控一般主要运用在标准的弯拉型构件中，由于水工建筑大多使用特殊杆件，所以掌握适宜的裂缝容许宽度是十分重要的，实现起来也具有一定的难度。针对裂缝进行的优化设计需充分结合各个构件的裂性评价结果，根据断面处发生的形变程度之制定合理的设计标准。此外，在实际应用时还需结构的极限状态，各裂缝运算方法的结果对比见图1。

针对重点工程，由于规范中未对裂缝限制提出详细的要求，相关验算缺乏可靠性，因此应根据实际情况实行处理双保障：①若M≤Mcr，则无需对裂缝限制进行验算；②若M>Mcr，且M≤Mcrk，则Wcrk[Wcr]；③若Mk

上述公式中不含K值的为优化设计值，Wcr代表混凝土结构的抗裂弯矩。

3.3水闸伸缩缝预留

与其他结构相比，水闸的结构较为简单，通常由水工结构和建筑结构构成。在水闸结构的设计标准中，针对闸板伸缩性问题提出明确的要求，如果建筑结构长度较大，伸缩缝预留的使用需参考以下实际情况：①建筑结构长期未满足标准需求；②建筑结构的特点与类型出现了明显的改变；③建筑结构平面较为复杂。下层结构设置主要是为上层结构提供支撑，如果上层结构不满足设计要求，则上层结构可通过某种方法形成整体。

4水闸设计

水闸设计关系到水工建筑安全运行，是水工混凝土优化设计的重要组成部分。对于水利工程而言，水闸数量与排止水性能息息相关，并且还会关系到工程寿命。为此，在实际情况中，应针对消力池排水孔、伸缩缝与侧墙排水孔等方面进行研究。

4.1消力池排水孔优化设计

消力池中的排水孔设置问题会对水闸排水造成直接影响。设置排水孔的主要目的在于有效降低消力池渗透压，在排水孔的下方还需铺设一层过滤网。水流从水闸中流出，随之进入消力池，在消力池陡坡和低端平板处出现收缩水深现象，此时水流动能大幅上升。若在此处设置排水孔，借助细粒结构，在受到水流冲刷作用时，会将水流引出，长此以往，会将底板中的水全部排出。因此，为使底板压力保持平稳，应在适宜的位置设置排水孔，以达到降低渗透压的效果。

4.2侧墙排水孔优化设计

为有效排空渗透水，还需在侧墙和护坡等位置设置配水孔，并配备专用的反滤层。此外，为预防侧墙处出现渗漏，提高抗水湔中刷能力，应在进口侧墙一同设置排水孔，促使上游水流向墙后。

4.3止水伸缩缝优化设计

针对多空间水闸，应按照水流方向进行分段，并设置永久接缝，以此防止混凝土结构出现干缩、裂缝等问题。在水闸工程建设过程中，止水伸缩缝渗漏大多由施工方面的问题引发，因此必须加强施工管理，彻底清理水泥渣与油渍，确保所选混凝土满足设计要求。为防止止水片中出现孔眼造成不同程度的渗漏，在对止水片进行安装时，必须保证其性能与规格符合相关规范。此外，还需注意止水伸缩缝是否使用了与母材相匹配的施工材料，并确保焊接质量。若发生由于振捣不充分等问题造成的浇筑不良现象，会对工程整体质量造成较为严重的影响，因此应对振捣进行严格的控制，相关工作人员应切实具备足够的工作经验。由于混凝土结构具有很强的和易性，所以可以与振捣密实度要求相符合。止水伸缩缝的渗漏防治工作应以预防为主要思想，并确保各项施工操作准确、规范。

5温度、湿度计算

湿度、温度的计算有着显著的水工特点。就目前大多水工建筑而言，普遍存在不同程度的温度裂缝，但现行规范并未对此方面问题给出具体的规定。在优化设计工作中，应切实注意温度场计算与应力计算两方面内容。在实际计算时，可运用的计算方法有有限元法、差分法等，在计算时应融入由于徐变现象所带来的应力松弛。在现行规范当中，要求弹性温度应力的折减控制在35%左右。水工领域中的专家学者依据大量的试验数据，在综合优化后提出了可应用于各类型工程的运算公式，同时针对实际配合比，还提出了应力松弛系数的运算表格。对运用这种运算方法得到的结果和试验结果进行对比，实际误差低于10%。

6安全监控

水工工程在竣工之后，应对其重点建筑实施安全监控。监控时，应对各项数据实行分析比较，以此判断建筑所处状态。若在监控过程中发现问题，应尽快找到解决方法，以防止问题进一步恶化。监控过程由观测、分析和评估三方面组成。充分利用安全监控，对于建筑的安全性、可靠性评价有着十分重要的作用。

7结束语

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。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。