研究水利工程建筑物結構設計關鍵問題

許江蓮

（貴州省思南縣水務局，貴州 銅仁 565100）

0 引言

近年來，水利工程建設投資力度不斷增強。2022 年全國累計落實水利建設投資11564 億元；全國完成水利建設投資達到10893 億元，比2021 年增長44%，首次突破1 萬億元關口。下一步，水利部將加快構建高質量現代化水利基礎設施體系。此背景下，深入分析水利工程建筑物結構設計方法，有著重要的意義。

1 水利工程建筑物結構設計要求

建筑物結構設計需要結合水利工程所處的環境條件，做好深度分析，結合實際情況開展設計。結構設計力求實現以下要求：①安全。水利工程建筑物結構設計必須要保證安全性，避免結構設計不合理影響引發安全隱患和問題。②質量。認真分析不同結構形式的應用效果，以保證建筑物質量為前提，優選具有經濟性的結構設計方案，指導相關工作的開展。

2 水利工程建筑物結構設計實例分析

2.1 案例概述

以某水利工程項目為例，水庫總供水量為350.8 萬m3，下放生態用水60.3 萬m3。建筑物工程主要包括大壩、溢洪道以及輸水管道等，臨時建筑物包括導流建筑物與圍堰等。本次工程為小型水利工程項目，按照4 級建筑物開展設計。碾壓混凝土重力壩為4 級、溢洪道為4級、取水兼放空管道為4 級、消能防沖建筑物為4 級、混凝土面板壩為4 級、溢洪道為4 級、取水兼放空隧洞為4 級、輸水管道為4 級、水池為4 級、壩址導流建筑物為5 級、其他臨時建筑物為5 級。

2.2 大壩結構設計

本次工程設計中，大壩結構設計主要遵循《防洪標準》（GB 50201—2014）等，結合勘察調查的資料，進行結構的設計。在具體設計方面，提出以下方案。

2.2.1 壩頂

水利工程建設后，大壩壩體并不是重要交通通道，但是壩頂的寬度要求適宜，保證工程施工期間混凝土填筑作業的需求得到滿足，并且還要具備閘門安裝和大壩運行觀測等條件。通過綜合分析，結合現場的條件，壩頂寬度設計為6.0m。大壩工程設計為碾壓混凝土重力壩，壩軸線方位角為N81.81°W，壩頂、壩底分別為1395.00m、1341.00m，最大壩高為54.00m，壩軸線長度為162.076m。

本次大壩壩頂的上游位置，還建設了混凝土防浪墻；下游位置建設了欄桿，設計高度為1.2m。從具體布置的角度分析，右岸和永久上壩公路進行連接，左岸和料場上壩公路進行連接。根據大壩基礎灌漿和大壩監測的相關要求，綜合考慮各類外界因素，包括壩體碾壓層厚和時間安排等，優化設計方案。在1347.00m 高程位置建設廊道，當作基礎灌漿廊道，右岸沿著壩體基面上升到1377.0m 高程，左岸沿著壩基面上升到1378.0m高程。設計的廊道為城門洞形狀，寬×高尺寸大小為3m×3.5m，帷幕灌漿設計為垂直灌漿孔。

按照設計的標準，本次大壩確定為4 級建筑物，重力壩按照30 年一遇洪水設計以及200 年一遇洪水校核的控制工況，結合水利工程現場的情況確定壩頂高程。設計的方案中，根據調洪計算結果進行分析，最終確定大壩設計洪水位和校核洪水位分別為1393.86m、1394.50m，正常蓄水位為1392.0m，壩頂高程設計為1349.24m。

2.2.2 壩體

從水利工程建設實際分析，大壩的排水系統組成，主要為壩身排水孔與壩基排水孔。本次項目中，壩基排水孔選擇的位置為1347.00mm 高程大壩帷幕下游側以及廊道下游側，采取的布置方案為沿著排水溝設置，鉆孔深度設計為帷幕深度的0.5 倍，鉆孔傾向下游，傾角為10°。在具體施工時，對于排水孔的布置要求間距控制為3m，孔徑大小設置為100mm。壩身排水引入1347.00m 高程廊道內，實現對水的匯集處理，集中到水井內利用水泵抽排，排放到下游河道。工程施工環節，完成固結灌漿與帷幕灌漿等施工內容后，開展排水孔鉆孔作業，要求做好整個操作過程的控制，不可以使得水泥漿和其他雜物進入排水孔內部，影響到排水通道的運行效果。結束作業后，做好排水鉆孔出口位置的清理，確保排水通道正常運行[1]。

2.2.3 大壩標準剖面

從工程建設實際分析，嚴格遵循《混凝土重力壩設計規范》（SL 319—2016）開展設計。對于壩體斷面的設計，采用的是材料力學法，以及剛體極限平衡法。為保證斷面的有效性，要求保證壩體和壩基的穩定性和應力，都達到相應的條件。經過綜合分析，本次大壩設計中壩體基本斷面設計為三角形。對于壩體的上游壩坡優化范圍設定為0~0.20；下游壩坡的優化區間設定為0.6~0.8。為保證斷面設計方案的科學合理性，還根據壩坡的結構特點，合理選擇斷面優化參數，精準計算獲得壩坡的高程數值，同時還需要結合單位寬度，獲得相對準確的設計參數。經過綜合分析后，將壩體基本斷面的設計參數確定為以下內容：①上游面。對于1370.00m高程以下位置，坡度設計為1:0.2；1370.00m 高程位置以上位置，設計為鉛直面。②下游壩坡1:0.8，起坡點高程設計為1388.57m。

2.2.4 壩體分縫與止水設計

從水利工程建筑物的設計實際分析，大壩的混凝土分縫應該結合壩基的條件，以及結構布置和施工澆筑條件等，進行綜合分析后確定，進而為建筑物建設提供依據支持。經過綜合分析后，壩體選擇為碾壓混凝土壩，不設置縱縫。對于誘導縫與橫縫，需結合碾壓混凝土的特點，經過綜合分析后設計。根據以往的工程經驗，本次工程設置的壩體分縫主要如下。

（1）壩0+033.414。

（2）壩0+063.414。

（3）壩0+073.414。

（4）壩0+088.914。

（5）壩0+107.914。

（6）壩0+127.914。

整個壩體總計分為7 個壩段，長度大約為20~35m。在具體施工中，誘導縫設計為切縫機切縫作業，要求保證切縫面積是縫面面積的2 或3 倍。大壩選擇橫縫位置，分為左右兩個倉面通倉開展碾壓作業。本次工程設計的壩體上游面積很大，極易受到天氣因素的影響，如寒潮等，給混凝土澆注作業質量帶來影響，使得混凝土降溫收縮，產生相應的拉應力，進而產生混凝土裂縫，影響到大壩的使用性能，因此要做好保溫保濕[2]。

水利工程建筑物的上游壩面橫縫內部，總計設置了2 道“U”型紫銅片止水。在具體設計中，第一道止水要求和上游壩面距離保持為1m，并且設置的止水片距離控制為0.75m。此外，選擇溢流壩下游溢流面橫縫內部設置一道，將止水片和壩面的距離控制為1m。對于穿過溢流壩中部施工橫縫的廊道周圍，要求設置塑料止水，進而保障建設的質量[3]。

3 水利工程建筑物結構設計的策略

3.1 注重前期資料的調查

水利工程建筑物結構設計中，為保證結構設計的科學合理性，需做好前期的勘察調查，掌握完整的資料信息，助力結構設計工作的開展。根據結構設計的需求，編制科學合理的勘察調查作業方案，組織專門的工作人員，負責開展水利工程建筑物施工現場的調查，掌握地勢地形與氣候條件等基本資料，并且積極搜集同類型的水利工程資料，保障建筑物結構設計信息的完整性，為水利建設提供支持。設計人員要充分利用勘察調查資料，進行深度分析，識別建筑物建設可能遇到的挑戰和難題，提出設計優化的措施，為相關工作的開展提供支持，保障建筑物結構設計的科學合理性，避免出現設計不合理的情況[4]。

3.2 提高結構設計的重視度

水利工程建筑物結構設計工作的質量高低，關系到結構建設的質量，且會影響到后期的安全穩定運行，因此要注重結構設計方案科學合理性的把握。作為設計人員要充分認識到此項工作的重要性，并且要做好設計規范和標準的分析，精準把握設計要求，結合建筑物的設計實際情況，提出科學合理的結構設計方案，指導水利工程建筑物高質量建設，保障建筑結構的性能。一般來說，建筑混凝土結構中，極限承載力為強度值，其與破壞混凝土結構相接近[5]。如果出現結構變形，那么會直接影響到水利工程建筑物整體的穩定性和安全性。在進行結構設計時，保證結構極限設計的合理性，可有效處理建筑物極限承載力，進而保護結構的安全性。在進行設計時，結合極限承載力的數據信息，限制最大拉應力，進而達到極限狀態，實現對結構性能的控制。除此之外，還要注重裂縫的有效防范和應對，綜合包括環境條件和鋼筋類型等，做好綜合分析，保證結構的安全性，延長建筑物使用壽命[6]。

3.3 使用現代化軟件輔助設計

水利工程建筑物結構設計實踐中，利用現代化軟件輔助設計工作的開展，可提高設計的質量和水平。例如，對于梁板柱等桿系結構，傳統的設計模式下，可以將復雜的三維空間結構離散化，以單體結構的形式，使用建筑物結構工具箱或者工具，輔助結構設計工作的開展，可以簡化計算流程，可以滿足一定的設計規范需求，但是無法全面反映結構的實際受力情況，且結構設計工作的效率不高。此外，使用的部分計算工具，缺少開發部分參數的設置，僅僅是可以提供粗略的計算模型，很容易出現水利工程建筑物結構設計不合理的問題，帶來一定的安全隱患。計算機技術的快速發展應用，涌現出很多軟硬件，使用結構分析軟件，輔助水利工程建筑物結構設計計算，成為主流趨勢。為了滿足水利基礎設計的需求，涌現出很多新的設計產品，如PKPM 和YJK 等，能夠為設計工作的開展提供支持，提高水利工程建筑物結構設計的效率和質量。充分利用三維設計模型，輔助水利工程建筑物結構設計，可以實現數據信息的精準計算，還能夠全面提高設計的水平，支持設計成果的可視化，助力相關工作的開展，避免各類問題的出現。例如，利用BIM 技術。水利工程在應用傳統設計的過程中，主要通過平面圖、立面圖、剖面圖等進行工作，采用BIM 設計，可以將主要的工作放在三維模型內容上，利用水利工程三維模型，開展水利工程結構設計，可提高整個布置的合理性。需要注意的是，為有效發揮BIM 技術的應用價值，設計人員必須要清楚地表達自己的設計意圖和關注的內容，設計完成后還需要由專業的校審工作人員進行批注，批注后設計師在根據批注的意見進行修改，合格后才能進行后續的工作[7]。設計人員要結合水利工程建筑物結構設計內容和特點，選擇適合的設計工具，輔助設計工作的高質量開展，優化結構設計方案。為保證設計軟件的使用效果，設計人員需要積極主動學習相關方法，掌握各類工具的使用流程和要點，助力水利工程建筑物結構設計的高質量開展，避免相關問題的出現。

3.4 注重結構設計的優化

水利工程建筑物結構設計實踐中，要求注重結構設計的優化，全面提高設計方案的質量，指導建筑物高質量建設，全面提高建筑物的建造水平[8]。對提出的結構方案，圍繞可行性、經濟性等多個方面，做好全面嚴格的分析，保障結構設計方案的質量，優選設計方案，助力建筑物高質量建設，防范設計問題的出現影響到水利工程建筑物建設質量。為保障水利工程建筑物建造的質量，完成水利工程建筑物結構設計后，還要做好設計方案的技術交底，促使施工人員可以精準把握結構設計方案的意圖和內容，高質量推進建筑物建設，避免各類質量問題的出現。在進行建筑物施工時，嚴格按照設計圖紙和要求，組織開展建筑物施工作業，避免出現施工錯誤，影響到工程的效益[9]。通過采取全面嚴格的控制措施，最大程度上保證水利建筑物的建造質量，防范各類問題的出現，高質量推進各項工作。加強對工程施工的質量控制，打造精品水利工程建筑，有效發揮水利工程的作用。

4 結語

綜上所述，水利工程建筑物結構設計工作的開展，需做好事前的勘察調查，掌握完整的資料，按照設計標準和規范，采用適宜的設計軟件，輔助結構設計分析，形成高質量的設計方案，指導建筑建設工作的開展。文中結合實例，對水利工程建筑物結構設計內容進行分析，提出了結構設計的方法，以期為相關人員提供參考借鑒。