關于水工混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計分析

馮樂

摘要：本文以某水電站工程作為主要研究對象，針對結(jié)構(gòu)特征、施工材料、止水閘等方面進行了細致的分析，同時提出了相應的問題解決方案，旨在提高該結(jié)構(gòu)的應用水平，為工程發(fā)展奠定扎實的基礎。

關鍵詞：水工，混凝土結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設計

中圖分類號：TV33 文獻標識碼：A 文章編號：1674—3024（2016）11—172—02

前言

水工混凝土主要由特定的混凝土與鋼筋制成，較為常用的混凝土結(jié)構(gòu)主要分為3個類型，分別為素混凝土結(jié)構(gòu)、預應力混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于地質(zhì)條件、水文地質(zhì)以及氣象等因素的影響，水工建筑在設計的過程中時常會遇到一些問題，如果這些問題未得到有效處理，勢必會對工程質(zhì)量造成影響。為此，必須對水工混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計工作給予足夠的重視，針對設計過程中存在的問題提出有效的處理方案。

1工程概況

某水電站工程總庫容0.445×108 m3，正常高水位495m以下庫容0.329×108m3，電站裝機容量90MW，多年平均發(fā)電量3.357×108 kW·h，保證出力21.19MW，裝機利用小時數(shù)3730 h，按照國家《防洪標準》（GB 50201—1994）以及國家經(jīng)貿(mào)委頒發(fā)的《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》（DL5180—2003）

的有關規(guī)定，本工程等別為三等，工程規(guī)模為中型。主要建筑物大壩、溢洪道、發(fā)電引水隧洞、廠房按3級建筑物設計，擋墻、交通洞、交通橋等次要建筑物按4級建筑物設計。

本工程所處地區(qū)地震基本烈度小于Vl度，設計中不考慮地震影響。

2水工混凝土材料

就目前而言，絕大多數(shù)水工建筑都運用混凝土結(jié)構(gòu)，它是由碎石、砂土以及水泥等基本材料混合而成。如果施工建設中需運用此類混凝土，首先在使用之前應進行檢驗測試，在混凝土結(jié)構(gòu)的各項性能切實滿足設計要求后，再進行后續(xù)工作，以確結(jié)構(gòu)質(zhì)量。水泥材料出現(xiàn)水化反應的原因為碎石灰中的有害成分超過限度，使混凝土結(jié)構(gòu)的硬化強度大幅下降，對骨料和其他材料的黏結(jié)性造成影響。若實際情況中發(fā)生水化反應，可向混合料中摻加適量早強劑，這樣可以顯著增加其流動性，縮減水化放熱。

在對混凝土進行攪拌時，各基礎材料的配合比至關重要。工作人員可依據(jù)工程需要對材料配合比的選擇進行檢測，必須確保配合比滿足設計需求。砂土實際含水量可通過現(xiàn)場干炒等方法測出，根據(jù)其實際含水量調(diào)整材料配合比。

3水工混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計基礎

3.1水工混凝土結(jié)構(gòu)極限

主要分為承載極限與正常使用極限。承載極限指的是混凝土結(jié)構(gòu)實際受到的承載力已經(jīng)超過其強度限制，導致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)形變、損壞等現(xiàn)象，無法繼續(xù)使用。對于擋水結(jié)構(gòu)物而言，結(jié)構(gòu)受壓極限是一項重要的設計參數(shù)依據(jù)。在對應力限值進行優(yōu)化設計時，需將拉力最大值控制在此限值之內(nèi)。由此可見，在對水工混凝土結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計時，應把握好應力極限，明確結(jié)構(gòu)中不連續(xù)點位，以此有效避免裂縫等問題的發(fā)生。

3.2結(jié)構(gòu)裂縫預防

裂縫預防是優(yōu)化設計工作中的重要階段。在工程建設過程中，許多結(jié)構(gòu)都需進行裂縫預防控制，在此基礎上才可完成承載力等方面的控制。想要明確結(jié)構(gòu)容許裂縫的規(guī)格，需對當?shù)刈匀坏乩怼⒑奢d條件與水壓等信息進行調(diào)查，并進行綜合分析。通常情況下，安全等級有所不同的建筑物，其對耐久性的要求也會存在一定差異。在現(xiàn)階段的工程建設中，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫防控一般主要運用在標準的彎拉型構(gòu)件中，由于水工建筑大多使用特殊桿件，所以掌握適宜的裂縫容許寬度是十分重要的，實現(xiàn)起來也具有一定的難度。針對裂縫進行的優(yōu)化設計需充分結(jié)合各個構(gòu)件的裂性評價結(jié)果，根據(jù)斷面處發(fā)生的形變程度之制定合理的設計標準。此外，在實際應用時還需結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，各裂縫運算方法的結(jié)果對比見圖1。

針對重點工程，由于規(guī)范中未對裂縫限制提出詳細的要求，相關驗算缺乏可靠性，因此應根據(jù)實際情況實行處理雙保障：①若M≤Mcr，則無需對裂縫限制進行驗算；②若M>Mcr，且M≤Mcrk，則Wcrk[Wcr]；③若Mk

上述公式中不含K值的為優(yōu)化設計值，Wcr代表混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂彎矩。

3.3水閘伸縮縫預留

與其他結(jié)構(gòu)相比，水閘的結(jié)構(gòu)較為簡單，通常由水工結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在水閘結(jié)構(gòu)的設計標準中，針對閘板伸縮性問題提出明確的要求，如果建筑結(jié)構(gòu)長度較大，伸縮縫預留的使用需參考以下實際情況：①建筑結(jié)構(gòu)長期未滿足標準需求；②建筑結(jié)構(gòu)的特點與類型出現(xiàn)了明顯的改變；③建筑結(jié)構(gòu)平面較為復雜。下層結(jié)構(gòu)設置主要是為上層結(jié)構(gòu)提供支撐，如果上層結(jié)構(gòu)不滿足設計要求，則上層結(jié)構(gòu)可通過某種方法形成整體。

4水閘設計

水閘設計關系到水工建筑安全運行，是水工混凝土優(yōu)化設計的重要組成部分。對于水利工程而言，水閘數(shù)量與排止水性能息息相關，并且還會關系到工程壽命。為此，在實際情況中，應針對消力池排水孔、伸縮縫與側(cè)墻排水孔等方面進行研究。

4.1消力池排水孔優(yōu)化設計

消力池中的排水孔設置問題會對水閘排水造成直接影響。設置排水孔的主要目的在于有效降低消力池滲透壓，在排水孔的下方還需鋪設一層過濾網(wǎng)。水流從水閘中流出，隨之進入消力池，在消力池陡坡和低端平板處出現(xiàn)收縮水深現(xiàn)象，此時水流動能大幅上升。若在此處設置排水孔，借助細粒結(jié)構(gòu)，在受到水流沖刷作用時，會將水流引出，長此以往，會將底板中的水全部排出。因此，為使底板壓力保持平穩(wěn)，應在適宜的位置設置排水孔，以達到降低滲透壓的效果。

4.2側(cè)墻排水孔優(yōu)化設計

為有效排空滲透水，還需在側(cè)墻和護坡等位置設置配水孔，并配備專用的反濾層。此外，為預防側(cè)墻處出現(xiàn)滲漏，提高抗水湔中刷能力，應在進口側(cè)墻一同設置排水孔，促使上游水流向墻后。

4.3止水伸縮縫優(yōu)化設計

針對多空間水閘，應按照水流方向進行分段，并設置永久接縫，以此防止混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)干縮、裂縫等問題。在水閘工程建設過程中，止水伸縮縫滲漏大多由施工方面的問題引發(fā)，因此必須加強施工管理，徹底清理水泥渣與油漬，確保所選混凝土滿足設計要求。為防止止水片中出現(xiàn)孔眼造成不同程度的滲漏，在對止水片進行安裝時，必須保證其性能與規(guī)格符合相關規(guī)范。此外，還需注意止水伸縮縫是否使用了與母材相匹配的施工材料，并確保焊接質(zhì)量。若發(fā)生由于振搗不充分等問題造成的澆筑不良現(xiàn)象，會對工程整體質(zhì)量造成較為嚴重的影響，因此應對振搗進行嚴格的控制，相關工作人員應切實具備足夠的工作經(jīng)驗。由于混凝土結(jié)構(gòu)具有很強的和易性，所以可以與振搗密實度要求相符合。止水伸縮縫的滲漏防治工作應以預防為主要思想，并確保各項施工操作準確、規(guī)范。

5溫度、濕度計算

濕度、溫度的計算有著顯著的水工特點。就目前大多水工建筑而言，普遍存在不同程度的溫度裂縫，但現(xiàn)行規(guī)范并未對此方面問題給出具體的規(guī)定。在優(yōu)化設計工作中，應切實注意溫度場計算與應力計算兩方面內(nèi)容。在實際計算時，可運用的計算方法有有限元法、差分法等，在計算時應融入由于徐變現(xiàn)象所帶來的應力松弛。在現(xiàn)行規(guī)范當中，要求彈性溫度應力的折減控制在35%左右。水工領域中的專家學者依據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)，在綜合優(yōu)化后提出了可應用于各類型工程的運算公式，同時針對實際配合比，還提出了應力松弛系數(shù)的運算表格。對運用這種運算方法得到的結(jié)果和試驗結(jié)果進行對比，實際誤差低于10%。

6安全監(jiān)控

水工工程在竣工之后，應對其重點建筑實施安全監(jiān)控。監(jiān)控時，應對各項數(shù)據(jù)實行分析比較，以此判斷建筑所處狀態(tài)。若在監(jiān)控過程中發(fā)現(xiàn)問題，應盡快找到解決方法，以防止問題進一步惡化。監(jiān)控過程由觀測、分析和評估三方面組成。充分利用安全監(jiān)控，對于建筑的安全性、可靠性評價有著十分重要的作用。

7結(jié)束語

現(xiàn)代施工中，水利工程比重越來越大，加強水工建筑結(jié)構(gòu)的設計非常有必要，它的質(zhì)量影響到整個工程的質(zhì)量。在工程進程中要特別注意混凝土結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)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(guī)劃水工建設，確保水利工程建設保質(zhì)保量的完成。