水利工程中混凝土結構的優化設計策略研究

李朝輝

摘要：本文對水利工程中混凝土結構的優化設計有效方法進行論述，發現水利工程中混凝土結構需要優化的位置很多，如材料籌備、準備工作、岔管設計等方面，由于復雜的影響因素種類較多，且混凝土結構的覆蓋范圍較大，因此設計人員必須擁有超高的技術水準，結合實際對應出適宜的解決方法。

Abstract： This paper discusses the effective design method of concrete structure in hydraulic engineering. It is found that the concrete structure needs to be optimized in water conservancy projects， such as material preparation， preparation work， manifold design， etc. And the coverage of the concrete structure is large， so the designer must have a super high technical level， and the corresponding solution is combined with the actual situation.

關鍵詞：水利工程;混凝土結構;優化設計;策略

Key words： hydraulic engineering;concrete structure;optimization design;strategy

中圖分類號：TV33 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）23-0183-03

0 引言

隨著時代的發展與進步，水利工程建設項目數量與日俱增，建設規模也在不斷擴大，因此這些變化的存在給設計人員的工作提出了更多難題，尤其混凝土結構層面的設計，其結構的耐用性、持久性等方面指標存在不達標的情況，加上裂縫問題的影響，結構的設計方案合理性必須得到保證。

1 ?水利工程混凝土結構設計中存在的問題

1.1 水利工程混凝土材料配比不合理

水利工程混凝土材料使用中的配比方面比較容易出現問題，因此材料配比上的合理性直接影響著混凝土的質量，其中的孔洞、氣泡、麻面等問題的出現大多是因為混凝土配比不夠合理，不能讓建筑工程的使用部位要求得到滿足。一般情況下，混凝土結構主要由水泥、碎石、砂等基本材料構成。水泥的質量直接對混凝土的強度產生作用，因此原料的配比設計如果存在問題，那么執行攪拌環節時，就可能出現問題，如混凝土拌合物出現較為嚴重的離析，混凝土土料出現干硬問題等，最終可能導致入倉混凝土料或是骨料過于集中。混凝土攤鋪料也可能出現攤鋪的過厚、漏振等問題，此時混凝土結構就會比較容易出現孔洞、麻面等質量問題。

1.2 水熱化、應力過于集中，出現裂縫

混凝土的結構中比較容易出現結構裂縫，而導致裂縫出現的原因是多種多樣的，但是其中最為常見的兩個原因是溫度與應力。混凝土澆筑操作環節結束以后，需要給混凝土結構足夠的養護時間，整個過程需要對大體積混凝土的溫度進行水平維持，盡量不要出現溫差過大的情況，導致混凝土結構的內外溫差過大，形成裂縫，養護的溫度最好控制在平均25℃左右。

結構應力也容易導致裂縫出現，混凝土結構中的某個部位如果受到的應力超出了結構的承受極限就可能導致裂縫。

1.3 岔管設計不夠合理

水利工程建設中，混凝土結構設計中的岔管部分較為重要，同時擁有較大的難度，需要設計人員具備較強的技能素質，讓結構的合理性得到滿足。設計人員最好根據實際情況進行岔管的形式與材料進行確定，盡量可以通過人為設計減少后期開裂問題出現的概率，讓岔管設計方法的作用可以全面發揮。但是需要注意的是混凝土結構的變形與受力特征還是會受到復雜的實際狀況影響，因此，計算工作的精確度必須滿足相應要求，同時注意對施工工期的監測與信息反饋工作監控，保證工程建設的質量水準可以滿足實際需要。

2 ?水利工程中的混凝土結構優化設計路徑

2.1 混凝土原料設計的科學配置

對混凝土原料進行的科學配置是保證工程建設的質量水平達到相應標準的重要因素之一，因此此項工作必須得到專業人員的重視。保障混凝土原料得到科學、合理配置，可以有效減少起泡、孔洞、麻面等問題的出現，不僅可以較少后期調整維護的操作，還可以節省大量的成本投入。當然預防這些問題出現的步驟也較為復雜，每個問題的預防都需對應不同的技術操作：

首先，預防氣泡出現。施工技術人員需要選擇細度模數在2.0-3.0范圍之內的天然砂、人工砂，并根據混凝土的配合比進行劑量控制，并酌情控制外加劑的摻入量，讓混凝土的攤鋪、振搗等操作可以順利展開;對于混凝土的攤鋪厚度，也要進行科學控制，最好在30-50cm的范圍之內，同時注意振搗時要將振搗幫緩慢的拔出，這些操作都可以有效避免氣泡的出現，混凝土結構氣泡示意圖如圖1所示。

其次，孔洞出現的預防策略。混凝土攪拌步驟比較容易出現孔洞，因此攪拌的均勻性一定要達到相應標準。混凝土的和易性較好，因此技術人員需要采用分層攤鋪的方式開展工作，并保證振搗操作的均勻，并保證模板支撐操作的牢固性。如果發現不可避免的出現了孔洞，應對空洞部分的松散物進行處理，清除干凈后可以使用細石混凝土進行填塞處理。再次是混凝土的露筋問題，在混凝土施工中也較為常見，處理的科學方法是首先要在安裝鋼筋的時候注重位置上的精確確定，然后保證焊接操作的質量，同時注意混凝土保護層墊快的均勻性、牢固性達到要求，防止出現位移、踩踏等情況，如果已經出現露筋的問題，那么要先對外露鋼筋上的銹斑進行清理，配合抹平與壓光措施，讓鋼筋獲得更好的護理，然后全部準備工作落實好后，使用澆灌技術將混凝土進行加厚，圖2為混凝土孔洞示意圖。

2.2 混凝土裂縫的控

混凝土結構施工設計方案上裂縫是較為常見的問題，因此設計工作往往會對此部分內容進行重視，配合科學的預防與治理措施，控制裂縫數量與產生部位。首先，工作人員要在混凝土結構設計中對混凝土的承載力進行科學控制，防止出現裂縫。如果裂縫不可避免，那么也需要通過一定的方法，讓裂縫的范圍得到控制。一般情況下，可以根據工程施工的基礎環境對荷載性質、水壓力變化等因素科學操控。尤其是現代水利工程建設過程中，彎拉構件上的一些裂縫控制較為棘手，給控制工作的效果獲取帶來了很多的難度。例如一些水工建筑中的非常規桿件，尤其要對裂縫的寬度進行嚴格控制，裂縫的寬度設置可以根據混凝土構件的裂性評估進行設定，同時依據次構件的斷面作用力變化指數對裂紋的開度進行標準設置。同時，需要注意的一點是在實際應用的過程中要對鋼筋、混凝土的極限承受力進行測定，然后讓裂縫的尺度控制更為專業、科學，保證裂縫不會對工程項目的主體結構產生影響，結構主體產生的裂縫形式如圖3所示。

2.3 優化圍巖結構的穩定性設計

襯砌方式與布局深度是影響混凝土結構的優劣的兩個重要因素。在對混凝土襯砌進行設計時，要對圍巖承擔的水壓力能力指標，盡量不要超出指標承受范圍。混凝土的結構優化上應先要將圍巖水壓力承載問題進行處理，首先，讓圍巖結構中的最小覆蓋厚度得到確定，因為圍巖厚度如果不能達到標準的話，可能導致工程出現大量滲水問題的出現，最終導致出現安全事故。

其次，最小厚度的測量工作應依據平緩地表面與陡坡表面上臺準則進行確定，如此可以讓圍巖的承載力得到保證，進而在采用不襯砌、限裂或非限裂混凝土襯砌的方法進行方案擬定時，可以獲得較好的施工效果。

2.4 襯砌設計的優化

襯砌的技術方案選擇上，必須要注意滿足實際設計需求，同時對圍巖承載壓力進行重點考慮，科學確定。混凝土結構設計層面，襯砌方法可以有多種選擇，但是如果直接從設計方面上看，可以直接將其分為開裂與抗裂襯砌兩種，然后對水利工程的實際需求進行襯砌方案上科學選擇，比較方案應用上的合理性。確定好襯砌方式以后，要對鋼筋混凝土的襯砌與圍巖之間產生的聯合作用進行試驗模擬，組織出一個二次應力場，并在這個基礎上進行鋼筋混凝土的二次應力場的支護，讓襯砌操作中的變形、裂縫問題得到科學處理。然后要對襯砌的配筋量進行縮減，目的是可以在水利工程建設中獲得更好的建設效果。

2.5 計算混凝土溫度與濕度

水利工程建設中，溫度裂縫較為常見，這些溫度裂縫的出現影響可大可小，主要看其所處的位置。混凝土結構建設標準規范中對其進行的設定不夠清晰，因此技術人員主要通過溫度場計算、應力計算、混凝土抗裂性驗算等方式對溫度裂縫的影響力進行計算。溫度場、應力計算等操作主要依靠采用限元、差分法求解等方法進行解析，同時在開展應力計算工作時，要注意加入混凝土變化過程中產生的應力松弛條件，保證計算的結果具備較強的可參考性。彈性溫度應力折減的比例在35%左右。同時，需要注意的一點是經過優化后的溫度計算與不同工程徐變計算公式的結果具備一致性，同時不同的配比下，試驗值與計算值之間的比較松弛系數可以得到更為科學的確定。

從當前的水利工程建設現狀上看，其發展的速度越來越快，加上水利工程建設項目的逐漸擴大，因此混凝土結構的設計優化工作對工程質量的保證作用逐漸增強，使用的范圍也在逐漸擴大，故如果可以通過一定的方法對混凝土結構進行優化可讓工程建設的效率得到增強，同時保證工程建設的質量水平達到相應水平。混凝土結構設計的優化中要對混凝土原料、裂縫預防設計、合適的溫度計算公式確定等步驟進行重視，通過科學合理的規劃，促進水利工程項目的建設發展不但前進。

3 ?結語

綜上所述，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，故水利工程中混凝土結構的優化設計工作落實時必須秉承科學、嚴謹的原則，并根據工程項目建設的實際進行設計方案實施，盡量保證結構建設工作因為獲得科學的設計方案加持，質量水平更高，并可以保證水利工程的壽命更長。

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