水利工程中混凝土結構的優化設計

張志剛+鄧欽

摘 要：在大型水利工程中混凝土結構設計的難度比較大，特別是圍巖穩定性設計和襯砌設計優化上。本文主要談論水利工程中混凝土結構的優化設計的關鍵技術。

關鍵詞：水利工程 混凝土 優化設計

水利工程建設一般是用于調節水、容納水的一些設施建設，在建設的過程中要特別注意其結構設計的合理性。目前，我國的水利工程混凝土結構的數量越來越大，但是混凝土的結構設計方面依然還存在很多的問題，比如混凝土結構的耐用性、持久性不佳，影響水利施工的正常運行。在施工的過程中必須解決這些問題，確保水利工程混凝土結構設計的科學性、合理性，提高工程質量。

1.水利工程混凝土結構簡介

1.1水利工程內容及結構要求

水利工程指的是為了控制、利用以及保護地表和地下水資源，而修建的各種工程建筑。水利工程建筑的規模比較大，工期比較長，在建筑過程中可能會遇到很多問題。就拿近幾年應用比較廣泛的混凝土結構來說，它在水工建筑中起到很大的幫助，但是其結構設計是一項技術性要求很高的工作，不容易把控。

1.2水利工程混凝土的結構特點

在水利工程建筑中混凝土的結構尺寸比較大，跨度比較小，與其他建筑的混凝土結構設計所需要的配筋率相比取值比較小，但是數量比較大；大體積的水工混凝土結構水泥水熱化比較大，當外界溫度變化時，可能會產生裂縫，再設計時需要配置更多的溫度鋼筋；有些混凝土結構需要完全侵入水中，或者凍融，所以其耐久性不佳。目前，我國在水利工程建筑中仍然存在很多無法計算的因素，致使混凝土的結構設計不合理，影響工程質量。1.3混凝土的結構應用

隨著經濟的發展，鋼筋混凝土的應用越來越廣泛，比如三峽水電站、南水北調工程等大型水利建設。同時隨著技術的進步與工程難度的增加，混凝土的結構有許多需要優化升級的地方，特別是在一些地形比較復雜的地區，混凝土的穩定性易受到影響，容易出現開裂，從而影響水利工程的建筑質量，所以必須對水利工程的混凝土結構進行優化設計，確保工程質量。

2.水利工程混凝土結構設計中存在的問題

在水利工程建筑中，混凝土結構的優化設計是一項難度比較大的工作，除了考慮混凝土自身的一些問題以外，還需要考慮工程的地形地貌條件，制定出一套可行性方案，進而進行結構的優化布局，在結構優化的過程中要特別注意圍巖的穩定性等問題。2.1水工混凝土的材料問題

在水利工程建設中混凝土材料的配比是否合理可能會影響混凝土的質量，比如孔洞、麻面、氣泡等質量問題。混凝土的結構一般是由水泥、碎石、砂等材料構成，水泥的質量影響混凝土的結構強度。如果原材料的配比設計不合理，則在攪拌的過程中，混凝土拌和物嚴重離析，混凝土料干硬，入倉混凝土料架空或骨料集中，混凝土攤鋪料太厚，漏振等，混凝土就非常容易出現孔洞，進而影響混凝土結構的質量。2.2在工程建筑中準備工作不細致

水利工程建設是一項復雜的工作，在建設前，必須對結構區域內的水文條件、地址狀況等做充分的了解。在實際工作中，往往因為施工狀況復雜，工作人員在工作中不夠認真、細致，而出現很多問題。有些水利工程的洞壁圍巖應力和變形較大，巖體的不穩定比較突出，再加上混凝土結構岔管形態復雜，很容易出現地應力集中、襯砌開裂現象，而破壞混凝土結構。

2.3岔管設計不合理

在水利工程建設中，混凝土結構設計的岔管設計也是一向比較復雜的工程設計，對施工技術的要求比較高。一般情況下，岔管的結構比較多，在設計時要注重其合理性，盡量選擇合適的岔管方式和材料，以免造成水利工程的后期開裂與損壞。在岔管設計方面，雖然有比較可行的研究方案，但是復雜的實際狀況還是會影響混凝土結構變形和受理特征，影響計算的準確度，應加強施工期監測與信息反饋。

2.4混凝土襯砌滲漏問題

在水利工程中，混凝土的襯砌滲漏問題也非常突出，產生這種狀況的原因有很多，首先考慮基礎地基問題，如果地基不穩定，沒有按照工程要求進行設計，必然會造成襯砌裂縫滲漏，從而導致工程襯砌發生沉陷，渠道襯砌工程出現滲漏。

3.水利工程中混凝土結構的優化設計

水利工程建設中對混凝土的結構設計要求比較高，要求其有較好的抗滲性和整體性。在施工過程中注意結構設計中的關鍵性技術，防止混凝土結構質量問題的出現，確保工程建設的質量要求。

3.1混凝土裂縫的控制

在水利工程混凝土結構設計中，裂縫控制是其重要控制內容，在混凝土的結構設計中，除了要控制好混凝土的承載力以外，還要嚴格控制裂縫的出現，把裂縫控制在允許的范圍之內。而裂縫的控制需要根據工程環境情況、荷載性質、水壓力的變化情況等參數來確定。在現代水利工程中，裂縫的控制適合用于一些彎拉構件方面，而水工建筑中一般使用非常規的桿件，所以要特別注意控制好混凝土的裂縫寬度。裂縫的設定一般根據鋼筋混凝土構件的裂性評估進行，根據其斷面作用力變化情況，制定裂紋開度標準。另外還要考慮在實際使用中，鋼筋與混凝土的極限狀態。

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質量的關鍵步驟，合理的配置混凝土原料，能有效的防止混凝土氣泡、孔洞、麻面的出現。首先為了防止氣泡的出現，在施工的過程中可以采用細度模數2.0—3.0范圍的天然砂或人工砂，嚴格按照混凝土配合比施工，合理控制外加劑的摻入量，做好混凝土的攤鋪、振搗等，每層的混凝土鋪設厚度控制在30-50cm范圍內，振搗時注意緩慢拔出振搗幫，防止氣泡的生成；為了防止混凝土孔洞的出現，在進行混凝土的攪拌時，要注意均勻攪拌，混凝土的和易性好，分層攤鋪，振搗均勻，模板支撐要牢固。如果出現孔洞，要及時將孔洞部分的松散物處理干凈，用細石混凝土填塞處理；對于混凝土結構露筋現象的預防，在安裝鋼筋時要找準位置，焊接牢固，混凝土的保護層墊塊要均勻牢固，禁止隨意搬動、踩踏。如果出現露筋，要及時清除干凈外露鋼筋上的銹斑，抹平壓光，覆蓋養護，用澆灌技術把混凝土加厚處理。3.3圍巖結構穩定性的優化設計

在水利工程中，襯砌方式與布局的深度影響著混凝土結構的優劣，在設計混凝土襯砌時需要注意圍巖承擔水壓力的能力。所以，混凝土的結構優化，首先要解決圍巖水壓承載力問題。在圍巖結構中，首先要確定其最小覆蓋厚度，如果圍巖厚度不足，容易造成事故的發生，導致工程大量滲水。最小厚度的測量要根據平緩地表面和陡坡地表面上臺準則確定。圍巖只有具有足夠的承載力，才能采用不襯砌、限裂或非限裂混凝土襯砌的方法。

3.4襯砌設計的優化

襯砌方式的選擇要根據實際設計需求與圍巖承載壓力進行確定，在混凝土的結構設計中，襯砌的類型比較多，但從設計方面來說可以分為開裂襯砌與抗裂襯砌兩部分。根據具體的工程要求，比較分析不同的襯砌方案，選擇最為合適的方案進行施工。選擇好襯砌方式以后，對鋼筋混凝土襯砌與圍巖聯合作用進行模擬，形成一個二次應力場，在此基礎上進行鋼筋混凝土的支護，分析襯砌的變形、裂縫出現問題，進行岔管襯砌布局，盡量減少襯砌的配筋量，以便使其更好的應用于水利工程的建設中。3.5混凝土的濕溫度計算

現在很多水工建設中，都會有溫度裂縫的出現，現行的混凝土結構規范中對這一點的標準不是太具體，一些大體積的混凝土溫度計算問題是溫度場計算、應力計算、混凝土抗裂性驗算等。對于溫度場和應力的計算一般采用限元、差分法求解，在進行應力計算時，需要加入因為混凝土變化而引起的應力松弛條件。對于彈性溫度應力一般會折減35%。經過優化后的溫度計算已經適合與不同工程徐變計算公式，而且在不同的配比下通過試驗值與計算值比較松弛系數。

近幾年，水利工程建筑發展迅速，在施工過程中對混凝土的結構設計進行優化是保證工程質量的重要因素，直接影響著工程建筑的安全性、耐久性以及綜合性能的提高。所以在工程進程中要特別注意混凝土結構設計的優化，選擇合適的混凝土原料，注意裂縫的防范設計，選擇合適的溫度計算公式，合理規劃水工建設，確保水利工程建設保質保量的完成。

參考文獻：

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