水利工程中混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張志剛+鄧欽

摘 要：在大型水利工程中混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度比較大，特別是圍巖穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和襯砌設(shè)計(jì)優(yōu)化上。本文主要談?wù)撍こ讨谢炷两Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：水利工程 混凝土 優(yōu)化設(shè)計(jì)

水利工程建設(shè)一般是用于調(diào)節(jié)水、容納水的一些設(shè)施建設(shè)，在建設(shè)的過程中要特別注意其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。目前，我國的水利工程混凝土結(jié)構(gòu)的數(shù)量越來越大，但是混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面依然還存在很多的問題，比如混凝土結(jié)構(gòu)的耐用性、持久性不佳，影響水利施工的正常運(yùn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性，提高工程質(zhì)量。

1.水利工程混凝土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介1.1水利工程內(nèi)容及結(jié)構(gòu)要求

水利工程指的是為了控制、利用以及保護(hù)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(guī)模比較大，工期比較長，在建筑過程中可能會(huì)遇到很多問題。就拿近幾年應(yīng)用比較廣泛的混凝土結(jié)構(gòu)來說，它在水工建筑中起到很大的幫助，但是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)技術(shù)性要求很高的工作，不容易把控。

1.2水利工程混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在水利工程建筑中混凝土的結(jié)構(gòu)尺寸比較大，跨度比較小，與其他建筑的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的配筋率相比取值比較小，但是數(shù)量比較大；大體積的水工混凝土結(jié)構(gòu)水泥水熱化比較大，當(dāng)外界溫度變化時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生裂縫，再設(shè)計(jì)時(shí)需要配置更多的溫度鋼筋；有些混凝土結(jié)構(gòu)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(jì)算的因素，致使混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，影響工程質(zhì)量。

1.3混凝土的結(jié)構(gòu)應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼筋混凝土的應(yīng)用越來越廣泛，比如三峽水電站、南水北調(diào)工程等大型水利建設(shè)。同時(shí)隨著技術(shù)的進(jìn)步與工程難度的增加，混凝土的結(jié)構(gòu)有許多需要優(yōu)化升級(jí)的地方，特別是在一些地形比較復(fù)雜的地區(qū)，混凝土的穩(wěn)定性易受到影響，容易出現(xiàn)開裂，從而影響水利工程的建筑質(zhì)量，所以必須對(duì)水利工程的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保工程質(zhì)量。

2.水利工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題

在水利工程建筑中，混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)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(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布局，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中要特別注意圍巖的穩(wěn)定性等問題。

2.1水工混凝土的材料問題

在水利工程建設(shè)中混凝土材料的配比是否合理可能會(huì)影響混凝土的質(zhì)量，比如孔洞、麻面、氣泡等質(zhì)量問題。混凝土的結(jié)構(gòu)一般是由水泥、碎石、砂等材料構(gòu)成，水泥的質(zhì)量影響混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。如果原材料的配比設(shè)計(jì)不合理，則在攪拌的過程中，混凝土拌和物嚴(yán)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(xiàn)孔洞，進(jìn)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

2.2在工程建筑中準(zhǔn)備工作不細(xì)致

水利工程建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，在建設(shè)前，必須對(duì)結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)的水文條件、地址狀況等做充分的了解。在實(shí)際工作中，往往因?yàn)槭┕顩r復(fù)雜，工作人員在工作中不夠認(rèn)真、細(xì)致，而出現(xiàn)很多問題。有些水利工程的洞壁圍巖應(yīng)力和變形較大，巖體的不穩(wěn)定比較突出，再加上混凝土結(jié)構(gòu)岔管形態(tài)復(fù)雜，很容易出現(xiàn)地應(yīng)力集中、襯砌開裂現(xiàn)象，而破壞混凝土結(jié)構(gòu)。

2.3岔管設(shè)計(jì)不合理

在水利工程建設(shè)中，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的岔管設(shè)計(jì)也是一向比較復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)，對(duì)施工技術(shù)的要求比較高。一般情況下，岔管的結(jié)構(gòu)比較多，在設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)方面，雖然有比較可行的研究方案，但是復(fù)雜的實(shí)際狀況還是會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)變形和受理特征，影響計(jì)算的準(zhǔn)確度，應(yīng)加強(qiáng)施工期監(jiān)測(cè)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(chǎn)生這種狀況的原因有很多，首先考慮基礎(chǔ)地基問題，如果地基不穩(wěn)定，沒有按照工程要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，必然會(huì)造成襯砌裂縫滲漏，從而導(dǎo)致工程襯砌發(fā)生沉陷，渠道襯砌工程出現(xiàn)滲漏。

3.水利工程中混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

水利工程建設(shè)中對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求比較高，要求其有較好的抗?jié)B性和整體性。在施工過程中注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性技術(shù)，防止混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題的出現(xiàn)，確保工程建設(shè)的質(zhì)量要求。

3.1混凝土裂縫的控制

在水利工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，裂縫控制是其重要控制內(nèi)容，在混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了要控制好混凝土的承載力以外，還要嚴(yán)格控制裂縫的出現(xiàn)，把裂縫控制在允許的范圍之內(nèi)。而裂縫的控制需要根據(jù)工程環(huán)境情況、荷載性質(zhì)、水壓力的變化情況等參數(shù)來確定。在現(xiàn)代水利工程中，裂縫的控制適合用于一些彎拉構(gòu)件方面，而水工建筑中一般使用非常規(guī)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(shè)定一般根據(jù)鋼筋混凝土構(gòu)件的裂性評(píng)估進(jìn)行，根據(jù)其斷面作用力變化情況，制定裂紋開度標(biāo)準(zhǔn)。另外還要考慮在實(shí)際使用中，鋼筋與混凝土的極限狀態(tài)。

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(zhì)量的關(guān)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(xiàn)。首先為了防止氣泡的出現(xiàn)，在施工的過程中可以采用細(xì)度模數(shù)2.0—3.0范圍的天然砂或人工砂，嚴(yán)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(shè)厚度控制在30-50cm范圍內(nèi)，振搗時(shí)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(xiàn)，在進(jìn)行混凝土的攪拌時(shí)，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(xiàn)孔洞，要及時(shí)將孔洞部分的松散物處理干凈，用細(xì)石混凝土填塞處理；對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)露筋現(xiàn)象的預(yù)防，在安裝鋼筋時(shí)要找準(zhǔn)位置，焊接牢固，混凝土的保護(hù)層墊塊要均勻牢固，禁止隨意搬動(dòng)、踩踏。如果出現(xiàn)露筋，要及時(shí)清除干凈外露鋼筋上的銹斑，抹平壓光，覆蓋養(yǎng)護(hù)，用澆灌技術(shù)把混凝土加厚處理。endprint

3.3圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在水利工程中，襯砌方式與布局的深度影響著混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，在設(shè)計(jì)混凝土襯砌時(shí)需要注意圍巖承擔(dān)水壓力的能力。所以，混凝土的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，首先要解決圍巖水壓承載力問題。在圍巖結(jié)構(gòu)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(fā)生，導(dǎo)致工程大量滲水。最小厚度的測(cè)量要根據(jù)平緩地表面和陡坡地表面上臺(tái)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的優(yōu)化

襯砌方式的選擇要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求與圍巖承載壓力進(jìn)行確定，在混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，襯砌的類型比較多，但從設(shè)計(jì)方面來說可以分為開裂襯砌與抗裂襯砌兩部分。根據(jù)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(jìn)行施工。選擇好襯砌方式以后，對(duì)鋼筋混凝土襯砌與圍巖聯(lián)合作用進(jìn)行模擬，形成一個(gè)二次應(yīng)力場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行鋼筋混凝土的支護(hù)，分析襯砌的變形、裂縫出現(xiàn)問題，進(jìn)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(yīng)用于水利工程的建設(shè)中。

3.5混凝土的濕溫度計(jì)算

現(xiàn)在很多水工建設(shè)中，都會(huì)有溫度裂縫的出現(xiàn)，現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范中對(duì)這一點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不是太具體，一些大體積的混凝土溫度計(jì)算問題是溫度場(chǎng)計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算、混凝土抗裂性驗(yàn)算等。對(duì)于溫度場(chǎng)和應(yīng)力的計(jì)算一般采用限元、差分法求解，在進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，需要加入因?yàn)榛炷磷兓鸬膽?yīng)力松弛條件。對(duì)于彈性溫度應(yīng)力一般會(huì)折減35%。經(jīng)過優(yōu)化后的溫度計(jì)算已經(jīng)適合與不同工程徐變計(jì)算公式，而且在不同的配比下通過試驗(yàn)值與計(jì)算值比較松弛系數(shù)。

近幾年，水利工程建筑發(fā)展迅速，在施工過程中對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化是保證工程質(zhì)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(jìn)程中要特別注意混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，選擇合適的混凝土原料，注意裂縫的防范設(shè)計(jì)，選擇合適的溫度計(jì)算公式，合理規(guī)劃水工建設(shè)，確保水利工程建設(shè)保質(zhì)保量的完成。

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