水利工程中混凝土结构的优化设计

吕婷婷 吕 靖

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021）

0 引言

水利工程是结合地理条件的水工建筑工程，其主要作用是有效地控制和调节水资源，避免出现自然灾害，同时在干旱季节能够为人们生活生产提供水源。水利工程的建设，不仅能够为人们的生活提供便利，还能够促进社会的健康发展[1]，是维护国计民生的重点工程。在水利工程中，混凝土结构是主要组成部分，因此，应重视混凝土结构的设计及施工质量[2]。本文就水利工程中混凝土结构的优化设计进行分析，为提高水利工程建设水平提供帮助。

1 水利工程混凝土结构的要求及特点

1.1 水利工程混凝土结构的要求

由于水利工程具有功能性、长期性的特点，需要满足可持续性发展的战略要求，因此保证其建设质量具有极为重要的现实意义，而混凝土结构是保障工程质量的基础。如果要提升水利工程质量，就必须高度关注水利工程中的混凝土结构，确保混凝土结构设计合理，满足相应要求。

（1）稳定性要求。水利工程寿命周期一般较长，对国民经济影响大，保证混凝土结构的稳定性，充分发挥其作用，利及千秋万代，意义重大。

（2）耐久性要求。水利工程一般位于河道、山谷等自然环境中，长时间受到各种自然因素的侵蚀，因此要求其耐久性能应当更为良好，才能抵御各种侵蚀。

（3）整体性要求。水利工程一般是采取修建堤坝、水闸和沟渠等水工建筑物，调节自然环境中水资源，防止洪涝干旱等自然灾害发生，因此要求其具备优良的整体性能，防止水的透漏是重中之重。

1.2 水利工程混凝土结构的特点

水利工程中的混凝土结构和其他建筑混凝土结构有着较大区别，主要有以下特点。

（1）混凝土结构相对其他工程体积较大，对于一些大中型的水利水电工程项目而言，通常混凝土的使用量在几十万甚至几百万立方米之间，混凝土的施工过程贯穿于整个工程项目的始终。水利工程混凝土结构大体积的特点导致表面系数比较小，水泥水化热释放比较集中，内部升温比较快，混凝土结构内外出现较大温差变化时，其开裂的几率增加，所以在混凝土结构设计过程中，需要对温度作用进行充分考虑[3]。

（2）水利工程往往建设在水资源丰富的地方，混凝土结构分布于地上和水下。就水下混凝土结构而言，要受到水的长期浸泡以及水中杂质的侵蚀，对水下混凝土的使用寿命造成影响。

（3）水利工程对混凝土结构及其设计要求较高

当前，我国水利工程的规模越来越大，许多大型工程陆续建设[4]，例如，三峡水电站是，合理利用混凝土结构的典型案例。水利工程建设过程中，涉及的环境问题和地貌问题越来越复杂，这对工程的整体质量提出了更高要求，尤其是水利工程在复杂地形或恶劣环境中建设时，对混凝土结构的要求较高[5]。而水利工程的质量关系到国计民生，所以必须保证工程质量，因此需要优化混凝土结构设计，从而保证其作用得到最大化地发挥。

2 水利工程混凝土结构应用中存在的问题

混凝土结构是水利工程建设的重要基础，然而工程的特殊性使设计混凝土结构时存在较大的难度，主要体现在混凝土材料性能和工程的建设地点以及环境适应性问题。水利工程混凝土结构设计中主要存在以下几方面的问题。

2.1 气泡和孔洞问题

混凝土的主要成分有水泥、砂、碎石和外加剂等，若混凝土配合比设计不合理，水灰比过大会导致结构表面产生大量气泡和孔洞，这主要是因为混凝土中水分达到饱和后，多余水分就会从混凝土中游离出来并依附于结构表面产生气泡，随着水分被蒸发结构表面会留下孔洞。混凝土搅拌方案设计不合理也会导致气泡和孔洞产生，这是因为混凝土在搅拌过程中，如果搅拌不均匀，在外加剂多的地方会产生大量气泡，过分的搅拌也会使大量空气夹带进混凝土中，产生更多气泡和孔洞。混凝土结构内部存在气泡和孔洞，导致混凝土结构内部不密实，会降低结构的强度，表面存在大量气泡和孔洞，严重影响混凝土结构的外观质量。因此，要对材料质量进行严格检测，保证各项材料质量符合要求。然后再对几种材料进行科学配比，并合理地进行搅拌，以保证混凝土结构的强度符合工程要求。

2.2 岔管设计的问题

在水利工程施工过程中，地下管网的合理布置是重要的工程环节，岔管的设置会使混凝土结构更为复杂，施工中对混凝土强度有更高的要求，需要设计过程中加强重视。虽然岔管设计是水利工程的重要环节，但我国在这方面尚未明确统一的设计规范，一旦岔管设计不合理，那么混凝土结构的质量就会受到影响，从而导致整体工程质量下降，无法保障混凝土结构的安全性。

2.3 衬砌渗漏问题

在水利工程中混凝土结构应用时，常见的问题有混凝土衬砌渗漏，这也是混凝土结构设计过程中解决难度较大的问题之一。衬砌渗漏的主要原因是混凝土结构裂缝。而导致混凝土结构裂缝的原因有以下几点：（1）在混凝土设计过程中未能按照相关的规范要求进行设计；（2）未能根据施工地点的具体情况进行合理设计，导致沉降问题发生，从而导致裂缝发生；（3）设计过程中，未能根据工程要求合理地选择原材料，导致施工设计要求与混凝土强度之间存在差异；（4）混凝土配比完成后，运输时间过长，导致混凝土流动性降低，混凝土初凝和终凝时间无法确定，使得混凝土养护时间无法确定，如果在混凝土应用前充分地振捣混合，就会导致骨料出现离析的可能。

3 水利工程混凝土结构优化设计对策

3.1 重视组件设计及温度控制，防止裂缝产生

裂缝问题是混凝土结构常见的问题之一，导致该问题发生的因素较多，重要影响因素为应力和温度。混凝土浇筑是施工的重要环节，完成浇筑后需要对混凝土进行养护，由于水利工程中混凝土结构的体积较大，需要合理地控制温度，避免不同区域出现较大温差，从而出现开裂情况。如果混凝土结构出现应力问题，也极易发生断裂。

针对水利工程混凝土结构的特点，对裂缝的控制主要从力学因素和化学因素两方面进行。一是在设计过程中要重视受弯拉和扭转作用力的混凝土组件设计，深入了解混凝土性能和钢材的性能，从而进行合理配筋设计，实现良好的抗裂性能。另外，在设计过程中还需要对混凝土整体结构的抗裂性能进行评估，并考虑各个组件应力，从而合理地进行设计。二是设计过程中要重点关注混凝土水化反应导致的热量集中释放对大体积混凝土结构裂缝的影响。温度裂缝是水利工程中常见的混凝土结构问题，因此要对混凝土结构的温度场和应力进行计算，并验算混凝土结构的抗裂性，以此进行优化设计并有效控制裂缝的产生，从而提高混凝土结构的整体性，保障水利工程的整体质量。

3.2 合理进行材料配比，控制孔洞的发生

混凝土制备过程中，为了有效减少混凝土结构出现气泡或孔洞的问题，要根据相关要求合理地选择材料，并采用科学的方法进行配置。混凝土的材料主要为水泥和砂，因此，要重视水泥的强度及质量要符合相关规范要求，选择砂则以高细度砂天然砂为主，也可以应用人造砂，但必须保证其细度符合工程标准。另外合理地应用添加剂，并控制好其剂量。振捣和搅拌是混凝土生产的重要环节，必需控制好振捣和搅拌的速度、强度和频率。如果水利工程施工过程中出现孔洞，则需要对孔洞进行清理并填充。

3.3 优化围岩结构设计，保证其稳定性

在设计的过程中，需要充分地对周围岩石的厚度及压力进行测算，对围岩结构的承载力进行合理设计。如果壁厚不能满足条件，就会对工程质量造成影响，进而导致混凝土结构出现渗漏。在明确岩石厚度时，需要合理地控制斜坡的角度，并对其表面进行控制，时根据要求合理地设置围岩的承载力。

3.4 合理选择衬砌方法，防止裂缝及变形

衬砌方法是混凝土结构应用过程中的重要环节，需要根据设计内容并结合围岩的承载力合理地选择。结合设计需求，衬砌方法可分为两种形式：一种是抗裂衬砌，另一种是防裂衬砌。合理地选择衬砌方法后，需要充分地考虑围岩作用和联合钢筋混凝土衬砌的作用，构建一个二次应力场进行模拟试验，通过实验结果反馈，在对裂缝和变形分析后，合理设计支管衬砌的布置形式，减少钢筋数量并合理布置，可以提高衬砌在水利工程中的适用性。

4 结束语

混凝土结构质量是保证水利工程整体质量的重要基础，在设计环节应结合实际情况进行合理地规划，对水利工程混凝土结构的要求、特点以及应用中存在的问题进行了梳理总结，并提出水利工程中混凝土结构优化设计的对策，对于保障水利工程的质量稳定以及使用性能，延长其使用寿命，具有重要意义。