水工混凝土結構設計若干問題探討

鄒戰軍

(杭州開瑞建筑規劃設計有限公司，杭州 310015)

水工混凝土結構設計若干問題探討

鄒戰軍

(杭州開瑞建筑規劃設計有限公司，杭州 310015)

水工混凝土結構主要用于保護水利設施，其結構設計直接影響到使用安全。現代水工混凝土結構建筑數量正在不斷增多，在設計階段面臨著一些問題。文章結合水工混凝土結構的特點、材料以及裂縫、止水閘等相關的問題進行探討，并針對這些問題提出一定的解決方案，通過監控達到有效提高水工混凝土結構質量的目的。

水工混凝土；結構設計；裂縫控制；安全監控

0 引 言

水工建筑多是用于容納水的一些設施，首先要有結構設計，才能完成施工驗收。由于水工建筑物都是由專業的水利、土木工程師來設計，所以它的結果還是相對穩定的。

目前水工混凝土結構的建筑數量需求越來越多，但在某些方面存在著一些矛盾。

在水工混凝土結構的設計階段還存在著一定的問題，比如耐久性差、適用性不佳等問題，這些問題的存在嚴重影響到了生產的正常進行，因此提高質量勢在必行。

以下針對水利工程結構設計的一些問題進行討論。

水工混凝土結構具有以下5個特點：

1)結構尺寸大，跨度相對較小。

2)需要的配筋率會小于一般的混凝土結構設計中的最小值，不過數量仍然很大。

3)由于大體積的混凝土結構水泥水化熱大，當外界有溫度變化時，會發生一些溫度裂縫，需要配置較多的溫度鋼筋。

4)有的結構需要完全浸入水中，或者處于承壓的狀態，甚至凍融等，它的耐久性相對差一些。

5)非桿件體系不利于進行極限強度理論配筋分析計算。

為了解決大體積的特殊問題，我國專家已經做過此方面的研究，比如有限元分析等。水工結構有很多目前仍然無法計算出的因素，所以溫度作用、載荷效應不準確等因素影響到工程的質量。混凝土開裂后，強度無法保證，少筋混凝土理論將會失去效果。

1 水工混凝土結構材料

目前工程應用中，水工建筑物多采用的是混凝土，而混凝土結構的原材料主要包括碎石、砂、水泥等。所以若想使用合適的混凝土，首先要對它進行適當的檢驗測試，當混凝土的性能參數達到設計規范要求時才能使用，從而保證了水工混凝土結構的質量。

水泥的水化反應主要是由于碎石灰中有害物質超標，使混凝土的結構強度下降，影響到骨科與水泥膠體的黏結。這個時候可以加入早強劑或是粉煤灰，來提高混凝土的流動性，從而減少水化熱。

在混凝土的攪拌過程中，原材料的配比非常重要，這時需要質量管理人員根據現場需求對這一比例進行檢驗測試，符合實際要求的配比才是最適合的。對于砂子中的含水率可以采用現場干炒法來進行，根據得出的含水率及時對混凝土的配合比進行調整[1]。

2 水工混凝土結構設計基礎

2.1 水工混凝土結構極限

水工混凝土的結構極限可以分為承載能力與正常使用兩種極限狀態。水工混凝土的承載力極限狀態是指結構材料強度超過了破壞的最大承載力，或由于變形嚴重而導致的不能繼續承載。在使用水工建筑作為擋水結構時，要將受壓破壞極限值來作為設計根據。設定最低的應力限值，使最大的拉力要低于此值。所以在水工混凝土結構設計中要確定好應力約束極限狀態，來測定混凝土的不連續點，減少裂縫的產生。

2.2 裂縫的控制

裂縫控制是水工混凝土結構設計中的重要環節。水利工程中，多數結構都是有裂縫控制要求，而不只是承載力的控制。要通過一些辦法來減少裂縫的出現，確定容許裂縫的寬度，根據當地的潮濕環境、荷載性質以及水壓力的變化等參數綜合考慮來進行確定。一般而言，不同安全等級的水工建筑，耐久性指標也會不同[2]。

現代工程中，裂縫控制適用于一些標準彎拉構件上，在水工建筑結構中多數使用的是非常規的桿件，所以如何控制好裂縫寬度是水工混凝土結構設計中的難點與要點。對裂縫的設定要根據鋼筋混凝土構件的裂性評估后下結論，根據斷面的作用力變形情況所導致的裂紋開度制定相應的標準。另外要注意，在實際的使用中，根據混凝土與鋼筋的極限狀態進行設計[3]。如圖1所示。

圖1 幾種裂縫公式計算結果

對于重要的工程而言，由于現行的規范中裂縫驗算的可靠性不高，所以需要根據不同的情況進行處理：

1)如M≤Mcr，則不必再進行限裂驗算。

2)如M>Mcr，而M≤Mcrk，則要求Wcrk≤[Wcr]。

3)如Mk

以上不帶K的為設計值，Wcr為抗裂彎矩。

3 水閘設計問題

水閘工程設計在水工混凝土結構設計中也是非常重要的環節。在水利工程應用中，水閘使用較多，它的排水與止水都將決定著水工建筑的使用壽命。所以有比要對水工建筑的消力池排水孔、側墻排水孔以及止水伸縮縫等問題進行細致研究[4]。

3.1 消力池排水孔設計

消力池底部的排水孔關系到水閘排水的問題。在水平護擔的后半部設定排水孔的目的是將底部的滲透壓力降低一定程度，排水孔下方應該鋪設濾層。水流在流出閘后，會流入到消力池的底板上，將會在陡坡的末端與底板的交接處形成收縮水深，這時的動能與流速都會很大，如果在這樣的位置設置排水孔，通過細粒結構在底部的作用，受到低壓強與高流速的影響，有可能會從孔中吸出，長久下去，將會把底板底部完全掏空。

所以為了讓底板下面的水量可以從垂直排水孔中排出，應該在后半段設置垂直排水孔，從而減少滲透壓力作用。

經過對MAN B&W 6S35ME-B9型船用二沖程低速柴油機特征參數的采集分析和故障的診斷和排除，得出以下結論。

3.2 側墻排水孔

為了排出滲水，要在單向的水流閘口下游的側墻與護坡上設置排水孔，并配有反濾層。同時為了避免側墻滲露，增強抗沖的能力，可以在進口側墻的位置同時設置有排水孔。讓上游的水直接通過孔滲到墻的后面[5]。

3.3 止水伸縮縫

對于多空間的閘室底板需要沿著垂直水流的方向分段，設置沿水流方面的永久縫，這些是為了避免混凝土的干縮、地基沉降以及溫度引起的裂縫等對水工混凝土結構的影響。

在水利建筑水閘工程中，止水伸縮縫會因為材料、設計的原因出現滲漏的問題，這大多數是由于施工引起的問題。所以在現場施工過程中，要對水泥渣、油漬進行清理干凈，否則將會導致與混凝土的結合達不到要求，出現滲漏的問題。所以要將模板上的脫模劑安排在模板安全的前面，同時注意要在庫外進行。

為了避免水片上出現針孔等問題導致止水縫發生滲漏的問題，在施工時，要確保它的性能、規格滿足設計要求。除此之外，需要注意的是止水縫如果采用與母材相似的材料進行焊接時，要保證焊接質量。

如果因為混凝土的振搗導致的混凝土澆筑不良，會對工程產生影響，所以需要謹慎進行振搗，操作人員要具有一定的經驗。由于混凝土有著良好和和易性，來保證與振搗密實相符合。止水伸縮縫滲漏要以預防為主，按要求操作。

4 最小配筋率

最小配筋率同樣是水工混凝土結構設計中的一大主要問題。水工中結構多采用最小配筋率來決定用鋼量。

目前的水工規范中最小配筋率ρmin不盡理想：①規范中對截面尺寸由強度條件決定的結構，采用了不同的準則，但沒有判定出具體的標準。②采用這種配筋率，構件尺寸越大，配筋越多，這種情況非常不合理。③只按受力形態來確定出ρmin，使板和梁與墻與柱采用了同一值。有一些理論中提出，不采用Mcr=Mu的原則和固定的ρmin值，而是采用一個隨設計與截面極限內力之比而不斷發生變化的最小配筋率。這一理論有可能會使最小配筋的問題順利得到解決，而不再使用少筋混凝土理論。

5 溫濕度計算

溫濕度計算具有明顯的水工特色。在現代不少水工中，都會有溫度裂縫的出現，但目前的規范中并沒有相關具體規定，對于大體積的混凝土溫度計算主要是溫度場計算、應力計算，混凝土抗裂性驗算與當不滿足抗裂時，配筋以及限制裂縫寬度。

對于溫度場與應力的計算可以采用有限元、差分法進行求解，在應力計算時需要加入由于混凝土徐變而引起的應力松馳。在目前的規范中將彈性溫度應力一般折減35%，稍顯粗略。水工專家綜合了多組大型水工混凝土的徐變試驗數據，在優化后，已經提出適合于不同工程的徐變計算公式，并在不同的配比下，松馳系數的實用表格，通過對計算值與試驗值進行比較，二者的誤差在10%以內[6]，如表1所示。

6 安全監控

施工后，要對大型、重要的水工建筑進行監控，水工建筑在發生破壞時，提前會有一定的征兆，所以需要在平時的監測過程中，對數據進行多次分析，準確判定狀態。對于發現的問題需要及時解決，避免小問題成為大問題。水工建筑的監控可以分為原型觀測、監控分析與工作狀態評估。采用安全監控，對水工建筑的使用狀態以及評估有著重要的現實意義。

表1 混凝土的松馳系數表

7 結 語

現代施工中，水利工程比重越來越大，加強水工建筑結構的設計非常有必要，它的質量影響到整個工程的質量。由于該技術發展還不夠完善，所以還面臨著一些問題，只有把這些問題進行處理，綜合考慮，才能提高安全性、耐久性。選擇合適的混凝土原料，加強止水閘與裂縫的防范設計，提出安全監測，對于工程的使用都非常重要。隨著工程技術的發展，會有更多的方法與途徑可以解決目前在水工混凝土結構設計中的問題，相信在未來的工程應用中，水利工程將能夠為國民經濟的發展帶來更大的效益，發揮出更大的能力。

[1]王建偉.不同規范的鋼筋混凝土梁鋼筋用量對比分析[J].人民黃河,2011，33(03)：93.

[2]賈明川.水工混凝土結構設計若干問題探討[J].內蒙古水利,2012(04)：15.

[3]馬磊磊.基于光纖光柵傳感的水工混凝土結構健康監控系統研究[D].鄭州：鄭州大學,2012.

[4]危朝揚.水工建筑結構設計關鍵問題探討[J].河南：河南建材,2013(03)：121.

[5]安新正.腐蝕環境下再生混凝土結構耐久性試驗研究[D].北京：中國礦業大學,2012.

[6]武海榮.混凝土結構耐久性環境區劃與耐久性設計方法[D].杭州：浙江大學,2012.

1007-7596(2014)03-0122-03

2013-08-27

鄒戰軍(1982-)，男，四川金堂人，助理工程師，從事水利水電工程及水工結構設計工作。

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