水工建筑物結構設計關鍵問題初探

□胥畢遠（畢節市七星關區水利局）

0.引言

水工建筑是一門跨專業的學科，是建筑業的分支，其設計主要用于容納和保護水利設施設備，工程的結構設計通常由水利工程師來進行，因此，在水工建筑物結構的功能設計上還是比較穩定的。雖然水利工程目前呈現總體上升趨勢，但是也有局部矛盾存在。工程師在水工建筑的造型設計上缺乏藝術感觀，對建設周邊的環境缺乏一定的了解，此外，在部分結構設計上還存在一定的缺陷，對此必須合理布局、合理規劃、合理分析，提高結構質量控制，以保證滿足水利發展的需求。

1.水工建筑整體設計

1.1 總平面設計

水工建筑的總平面設計包括主體建筑物和其配套設施，主體設施包括閘、壩等，配套設施包括生活用房、管理用房和綠化等。現將以泵站為例，泵站樞紐通常所含的建筑物主要有泵房、配電房、辦公樓及食堂、員工宿舍、車庫等附屬建筑物。在傳統的設計中，只對水工工程的位置圖進行設計，缺少配套建筑和環境全局的總體規劃設計，從而忽略了建筑的合理布局。通過現代調整后的設計模式來看，對于水利建筑的設計不僅僅滿足了必要的水利設備，更提升了水工建筑的藝術感觀，建立了建筑物之間良好的距離感和互通感，不僅有利于建筑物各功能之間的搭配，更強調了建筑的整體性和更好的使用內容。

1.2 建筑平面設計

水工建筑的設計通常要提出專業設備布置要求，之后才能確定平面布置形式，以滿足在總圖布置中與交通的關系和規范的需求。水工建筑的結構布局都是按設計規范來進行操作，在專業配合上要多方面商討才可實施。從近幾年來看，水工結構與建筑藝術的配合過程是一種相互促進、相互協調、相互提高的過程，這樣的配合過程為水工景觀設計及現代化品質的水工建設打下了堅實的基礎。

1.3 造型設計

水工建筑設計通過對風格的選擇和協調，反映了當代技術的應用及文化的內涵。在實際建造過程中，必須考慮周邊的環境需求，并將傳統與現代相結合來達到設計的整體協調。但是應該避免一味的追求時尚所帶來的低級趣味的建筑設計。建筑物應該具有一定的個性，不能完全一樣，例如泵房的平面一般都是簡單的矩形，高度高，體量大，對于此類建筑，就必須在設計中做到粗中有細，通過開窗方式、墻面與柱子的關系來豐富細化，使其在感觀上不顯得單調。

1.4 建筑材料

水工建筑結構設計的外部結構所體現的感觀效果與色彩的運用和材質有關，但是不能單單只考慮美觀好看，水工建筑一般處于環境空曠的位置，受到風沙侵蝕所帶來的清潔問題較為明顯。同時，由于風侵蝕表面會帶來坑洼、脫落和干化的現象，還必須考慮耐風程度，而在雨天又會受到沖洗，所以耐水性能也要很好。在對水工建筑選材上，設計者會帶有一定主觀性，必須避免其因為對材質色彩的偏好進行的有限選擇。

2.水工建筑混凝土結構設計

2.1 確定水工混凝土結構極限

極限狀態分為承載能力和正常使用兩種。承載力極限狀態的主要標準是指結構材料強度超過破壞的極限承載力，或因為過度變形不應繼續承載，在水工重力壩擋水結構中應將受壓破壞的極限承載狀態作為設計依據，對最大拉應力要限制其不大于規定的某一較低的應力限值。因而在此類水工結構中，應該增設一個應力約束極限狀態，從而測定混凝土的不連續點，盡量控制裂縫產生。

2.2 裂縫的控制

在水工混凝土結構設計中，裂縫控制是最為重要的問題之一。水利工程中有許多結構是受到裂縫寬度控制而不是受控于承載力，所以必須采取根本性的解決辦法來控制裂縫產生。通過對所處的環境條件、荷載性質、鋼筋種類、構件受力性質以及結構使用年限來進行綜合考慮，區分耐久性對裂縫寬度的不同要求，確定出容許裂縫的寬度，從理論上說，安全等級不同的結構，正常使用的耐久性指標也就不同。目前，裂縫控制僅僅適用于一些標準的彎拉構件，但是水工建設的結構大多是非桿件系統，如何控制裂縫寬度是水工混凝土裂縫控制的又一大問題。對鋼筋混凝土構件抗裂性進行評估和計算，根據斷面的作用力變形所導致的裂紋形成的開度而制定設計標準，以及考慮混凝土和鋼筋在實際工作中的極限狀態來進行設計。

3.水閘設計問題分析

水閘工程設計對于水工建筑排水和止水來說是相當重要的。在水利工程中，水閘的應用較為廣泛，水閘工程的排水和止水問題決定了建筑物的使用壽命。因此，必須對水閘工程的消力池排水孔、翼墻排水孔和止水伸縮縫的問題進行深入分析及研究。

3.1 消力池排水孔

消力池的底板排水是水閘排水問題之一。為了將護坦底部的滲透壓力降低，可以在水平護坦的后半部設置垂直排水孔，并鋪設濾層于孔下。水流出閘后，會通過平穩整流及陡坡段流向消力池水平底板，同時在陡坡段末端和底板水平位置的交接處形成收縮水深，此處的動能和流速水頭最大，壓強水頭最小。如果在此處設置垂直排水孔，通過高流速和低壓強或垂直排水孔下的細粒結構在底部大壓力的作用下，很有可能從孔中吸出，時間過長就會掏空底板。因此，為了使底板身下的水量可以從消力池的垂直排水孔排出，應在消力池底板的后半段設置垂直排水孔，從而達到減小消力池底板滲透壓力的作用。

3.2 翼墻排水孔

在單向水頭的水閘下游翼墻和護坡設置排水孔，且將反濾層設置在擋土墻一側的孔口處，以達到排出滲水的目的。同時，為了可以降低翼墻防滲、抗沖的強度，也可在進口翼墻位置同時設置水孔，增加滲徑，使上游的水流直接從孔中滲入到墻后。相反，要想繞滲垂直流入到插入河岸墻后，就必須減少滲徑，增加滲流。

3.3 止水伸縮縫

在水利建筑水閘工程中，止水伸縮縫會因設計、施工和材料的原因而發生滲漏的現象，此類問題大部分由施工引起。在施工過程中，由于止水片上的水泥渣、油漬等污物沒有得到干凈的清理，造成與混凝土結合不好，導致滲漏。對此，必須將模板上脫模劑安排在模板安全之前，且應在倉外進行。由于止水片有砂眼、針孔，或者接縫不牢固而導致止水伸縮縫發生滲漏，在采購止水片材料時，應做到嚴格把關，其規格、品種和性能要滿足規范設計的要求，對于不合格的材料應及時更換。另外，金屬片接縫必須采用與母材相似的材料焊接，保證焊縫質量和牢固。在止水片處混凝土澆筑所造成不密實導致滲漏的問題中，應謹慎振搗止水處混凝土，振搗工要有熟練的技術，既不能欠振，也不能爛振，此外，混凝土要有良好的和易性，以保證易于振搗密實。止水伸縮縫滲漏，必須要以預防為主，嚴格規范操作，從而保證水閘設計的質量要求。

4.結語

水利工程建筑應該從單一的水利建設功能向全面功能的方向發展，利用適宜的地理位置和自然環境為其自身謀得經濟利益，關注水工建筑物結構上存在的一些問題，采取相應的控制措施，提高設計標準，促進水利工程的實用功能。此外，還必須考慮到水工建筑物的外觀設計，進一步利用環境資源，優化外觀，達到休閑觀賞的目的，保證對水利事業功能轉換新的思維方式，建立市場化模式，適應市場化方向，以達到使用功能和美化環境的共同目標。