關于水工混凝土結構優化設計分析

馮樂

摘要：本文以某水電站工程作為主要研究對象，針對結構特征、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，旨在提高該結構的應用水平，為工程發展奠定扎實的基礎。

關鍵詞：水工，混凝土結構；優化設計

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構主要分為3個類型，分別為素混凝土結構、預應力混凝土結構以及鋼筋混凝土結構。由于地質條件、水文地質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，勢必會對工程質量造成影響。為此，必須對水工混凝土結構的優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，多年平均發電量3.357×108 kW·h，保證出力21.19MW，裝機利用小時數3730 h，按照國家《防洪標準》（GB 50201—1994）以及國家經貿委頒發的《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》（DL5180—2003）

的有關規定，本工程等別為三等，工程規模為中型。主要建筑物大壩、溢洪道、發電引水隧洞、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，絕大多數水工建筑都運用混凝土結構，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，在混凝土結構的各項性能切實滿足設計要求后，再進行后續工作，以確結構質量。水泥材料出現水化反應的原因為碎石灰中的有害成分超過限度，使混凝土結構的硬化強度大幅下降，對骨料和其他材料的黏結性造成影響。若實際情況中發生水化反應，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場干炒等方法測出，根據其實際含水量調整材料配合比。

3水工混凝土結構優化設計基礎

3.1水工混凝土結構極限

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構實際受到的承載力已經超過其強度限制，導致混凝土結構出現形變、損壞等現象，無法繼續使用。對于擋水結構物而言，結構受壓極限是一項重要的設計參數依據。在對應力限值進行優化設計時，需將拉力最大值控制在此限值之內。由此可見，在對水工混凝土結構進行優化設計時，應把握好應力極限，明確結構中不連續點位，以此有效避免裂縫等問題的發生。

3.2結構裂縫預防

裂縫預防是優化設計工作中的重要階段。在工程建設過程中，許多結構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。想要明確結構容許裂縫的規格，需對當地自然地理、荷載條件與水壓等信息進行調查，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。在現階段的工程建設中，混凝土結構裂縫防控一般主要運用在標準的彎拉型構件中，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，實現起來也具有一定的難度。針對裂縫進行的優化設計需充分結合各個構件的裂性評價結果，根據斷面處發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構的極限狀態，各裂縫運算方法的結果對比見圖1。

針對重點工程，由于規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值的為優化設計值，Wcr代表混凝土結構的抗裂彎矩。

3.3水閘伸縮縫預留

與其他結構相比，水閘的結構較為簡單，通常由水工結構和建筑結構構成。在水閘結構的設計標準中，針對閘板伸縮性問題提出明確的要求，如果建筑結構長度較大，伸縮縫預留的使用需參考以下實際情況：①建筑結構長期未滿足標準需求；②建筑結構的特點與類型出現了明顯的改變；③建筑結構平面較為復雜。下層結構設置主要是為上層結構提供支撐，如果上層結構不滿足設計要求，則上層結構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，是水工混凝土優化設計的重要組成部分。對于水利工程而言，水閘數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、伸縮縫與側墻排水孔等方面進行研究。

4.1消力池排水孔優化設計

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。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收縮水深現象，此時水流動能大幅上升。若在此處設置排水孔，借助細粒結構，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，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側墻排水孔優化設計

為有效排空滲透水，還需在側墻和護坡等位置設置配水孔，并配備專用的反濾層。此外，為預防側墻處出現滲漏，提高抗水湔中刷能力，應在進口側墻一同設置排水孔，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，以此防止混凝土結構出現干縮、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，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格符合相關規范。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，并確保焊接質量。若發生由于振搗不充分等問題造成的澆筑不良現象，會對工程整體質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驗。由于混凝土結構具有很強的和易性，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，但現行規范并未對此方面問題給出具體的規定。在優化設計工作中，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象所帶來的應力松弛。在現行規范當中，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大量的試驗數據，在綜合優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的運算表格。對運用這種運算方法得到的結果和試驗結果進行對比，實際誤差低于10%。

6安全監控

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

7結束語

現代施工中，水利工程比重越來越大，加強水工建筑結構的設計非常有必要，它的質量影響到整個工程的質量。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。