水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題

石從浩，曹　庭，楊　柳

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

我國水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分重視水工建筑物的功能性和人文性。而安全性是水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要問題。因此，在水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)首先考慮水工建筑物結(jié)構(gòu)的安全性，在確保安全性的基礎(chǔ)上追求水工建筑物結(jié)構(gòu)的功能性和人文性。水工建筑的綜合性較強(qiáng)，需要運(yùn)用大量的跨學(xué)科知識(shí)，要求水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員具備充足的設(shè)計(jì)知識(shí)和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。然而現(xiàn)階段，受多種因素影響，很多水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中仍存在著工程勘探不到位、缺乏長遠(yuǎn)規(guī)劃、數(shù)據(jù)資料不健全等問題，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)人員要積極探索水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題及策略。研究水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題不僅能夠有效提高水工建筑物結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而且對(duì)水工建筑的發(fā)展意義深刻。

1　水工建筑物的特點(diǎn)

首先，水工建筑物受自然條件的影響較大，地質(zhì)、氣象、水文、地形等都會(huì)對(duì)水工建筑物的施工、選址、投資等產(chǎn)生巨大影響；其次，水工建筑物的工作條件比較復(fù)雜，需要承受較大的水壓力。同時(shí)，水滲透過程中產(chǎn)生的滲透壓會(huì)影響水工建筑物的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；再次，水工建筑物的施工難度較大，需要妥善安排施工截流、施工導(dǎo)流、工期度汛等工作。同時(shí)，水工建筑物的地基處理需要復(fù)雜的地下水工程施工技術(shù)和地下工程技術(shù)；最后，水工建筑物具有較高的安全要求，如果擋水建筑物失事將會(huì)導(dǎo)致下游的洪水災(zāi)害。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義

水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是水工建設(shè)的關(guān)鍵，直接影響著水工建筑物的建設(shè)質(zhì)量。在明確了水利工程自身對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中一系列專業(yè)設(shè)施的要求后，才能進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)的過程中堅(jiān)決貫徹落實(shí)國家對(duì)于水工建筑所頒布的相關(guān)明文規(guī)定與操作的規(guī)范[1]。因此，在水工建筑物建設(shè)之前需要設(shè)計(jì)人員對(duì)水工建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。并且，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要做好水工建筑物統(tǒng)籌工作，全面考慮水工建筑項(xiàng)目的環(huán)境情況和工程實(shí)際情況。只有確保完善的水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能夠有效提高施工質(zhì)量，降低水工建筑物施工成本。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題

3.1　工程勘探工作不到位

在水工建筑物施工之前需要詳細(xì)勘察水工建筑物的施工地點(diǎn)，找出施工準(zhǔn)備工作中存在的不足，并及時(shí)完善，優(yōu)化水工建筑物施工。然而，現(xiàn)階段很多建筑單位在水工建筑物施工的過程中缺乏對(duì)工程勘探的重視，沒有落實(shí)工程勘探工作。同時(shí)，我國的水工建筑勘探技術(shù)水平較低，勘探效果不明顯。還有一些水工建筑單位的勘探工作難以順利開展，無法有效控制工程成本預(yù)算，導(dǎo)致水工建筑物建設(shè)后期資金不足，嚴(yán)重影響水工建筑物施工。

3.2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不明確

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)直接影響著水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，過高或過低的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生不良影響。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)不符合水工建筑工程的實(shí)際要求，提高成本，造成資金和資源浪費(fèi)。如果設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過低，難以滿足水工建筑的實(shí)際需求，將嚴(yán)重影響水工建筑項(xiàng)目功效的發(fā)揮，工程質(zhì)量難以保障，甚至?xí){工程保護(hù)區(qū)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。另外，還有一些工程單位沒有按照水工建筑工程的規(guī)模、工程區(qū)域環(huán)境等資料信息實(shí)際確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不明確。

3.3　數(shù)據(jù)資料不健全

設(shè)計(jì)師在對(duì)水工建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前需要收集水工建筑物的地質(zhì)資料、氣候資料、水文資料等。只有充足的地質(zhì)、氣候和水文資料才能夠根據(jù)水工建筑物所在地的實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然而，有些水工建筑物的地理位置十分偏僻，氣候環(huán)境較差，資料搜集十分困難，無法搜集到全部資料，甚至?xí)鸭藉e(cuò)誤的資料，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。

3.4　缺乏長遠(yuǎn)規(guī)劃

水工建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)要求較高，需要建設(shè)單位和設(shè)計(jì)師進(jìn)行長遠(yuǎn)規(guī)劃。然而，有些建設(shè)單位在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中沒有對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行長遠(yuǎn)規(guī)劃，忽視了水工建筑物的遠(yuǎn)期使用，沒有長遠(yuǎn)規(guī)劃水工建筑物的經(jīng)濟(jì)性和安全性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量較差，嚴(yán)重影響水工建筑物的建設(shè)。

4　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題

4.1　整體設(shè)計(jì)

4.1.1總平面設(shè)計(jì)

總平面設(shè)計(jì)主要包括水工建筑物的配套設(shè)施設(shè)計(jì)和主體建筑物設(shè)計(jì)。其中，主體建筑物主要包括大壩、水閘等。配套設(shè)施主要包括管理用房、生活用房、工程綠化等。以泵站設(shè)計(jì)為例，泵站設(shè)計(jì)主要包括泵房、辦公樓、配電房、車庫、員工宿舍等建筑物設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅僅對(duì)工程位置圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏對(duì)工程環(huán)境和配套建筑的相關(guān)設(shè)計(jì)，忽視了對(duì)水工建筑物的全局布置。現(xiàn)代化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能夠有效滿足水利設(shè)備的功能需求，而且能夠合理搭配建筑物的功能，增強(qiáng)水工建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體性。

4.1.2建筑平面設(shè)計(jì)

建筑平面設(shè)計(jì)是水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，設(shè)計(jì)人員應(yīng)積極明確平面設(shè)計(jì)的形式，確保平面設(shè)計(jì)能夠滿足施工規(guī)范和總體布置。具體來講，水工建筑平面設(shè)計(jì)需要按照設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行，并對(duì)水工建筑的多方面要求進(jìn)行探討，得出最優(yōu)的布置方案。建筑藝術(shù)與水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是相互促進(jìn)、相互提高的過程，只有確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑藝術(shù)的協(xié)調(diào)性，才能夠優(yōu)化水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果，確保水工建筑質(zhì)量。

4.1.3造型設(shè)計(jì)

造型設(shè)計(jì)是水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，反映了水工建筑文化內(nèi)涵與建筑風(fēng)格。在實(shí)際造型設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)水工建筑的周邊環(huán)境進(jìn)行全面考察，并將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式與現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方式相結(jié)合。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)避免為追求時(shí)尚而造成低級(jí)趣味的設(shè)計(jì)。另外，水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注重個(gè)性的打造，避免千篇一律的建筑造型。

4.1.4建筑材料

建筑材料直接影響著水工建筑結(jié)構(gòu)的色彩與感官效果，在水工建筑過程中不能僅僅考慮建筑效果而忽視建筑質(zhì)量。水工建筑多處于空曠的位置，很容易受到風(fēng)沙的侵蝕而出現(xiàn)脫落、坑洼、干化等現(xiàn)象。水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要充分考慮水工建筑物的耐風(fēng)程度和耐水性，應(yīng)選擇耐風(fēng)性和耐水性較強(qiáng)的建筑材料。

4.2　混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1確定混凝土結(jié)構(gòu)極限

混凝土結(jié)構(gòu)極限主要包括正常使用和承載能力。承載能力主要指混凝土強(qiáng)度超過破壞的承載力。水工建筑物混凝土設(shè)計(jì)必須確保混凝土的承載力，根據(jù)混凝土的承載力來進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保建筑結(jié)構(gòu)壓力在混凝土承載范圍之內(nèi)，不能突破混凝土結(jié)構(gòu)的極限，否則，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重影響水工建筑物的質(zhì)量。

4.2.2控制裂縫

裂縫控制是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要問題，很多水工建筑物的裂縫是由于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)裂縫控制，杜絕裂縫產(chǎn)生的根源。具體來講，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮水工建筑的所處環(huán)境、混凝土的荷載性質(zhì)、建筑構(gòu)件受力性質(zhì)、鋼筋種類、混凝土結(jié)構(gòu)等。尤其是在冬季進(jìn)行混凝土施工時(shí)，如果環(huán)境氣溫不低于零度，做好混凝土的常規(guī)保溫即可；如在負(fù)溫下(最低溫度低于-5 ℃)的環(huán)境條件下進(jìn)行混凝土澆筑施工，應(yīng)重視混凝土的早期防凍防裂[2]。此外，不同安全等級(jí)的混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性指標(biāo)也不相同。現(xiàn)階段，水工建筑裂縫控制僅適用于彎拉構(gòu)件，然而很多水工建筑物的結(jié)構(gòu)都屬于非桿件系統(tǒng)，混凝土裂縫控制難度較大。

4.3　水閘設(shè)計(jì)

4.3.1消力池排水孔

消力池排水是水閘設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，為了降低消力池底部的滲透壓力，設(shè)計(jì)人員可以在消力池水平護(hù)坦設(shè)置垂直排水孔，這樣當(dāng)水流出水閘之后，會(huì)平穩(wěn)地流向消力池底板，減小消力池底板的滲透壓力。排水孔應(yīng)設(shè)計(jì)在底板的后半段，避免水流從排水孔中吸出而掏空底板。

4.3.2止水伸縮縫

在水工建筑使用過程中，止水伸縮縫會(huì)因?yàn)榻ㄖ┕ぁ⒔ㄖO(shè)計(jì)、建筑材料等因素的影響而出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。具體來講，施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)止水片上的油漬、水泥渣等污物沒有清理干凈的現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土與止水片結(jié)合不好而引發(fā)滲漏。針對(duì)這種現(xiàn)象，水工建筑施工人員應(yīng)在模板上涂抹脫模劑，徹底清理水晶片上的油漬、水泥渣等污物。另外，如果止水片上有針孔、砂眼等雜物會(huì)導(dǎo)致止水片與混凝土之間的接縫不牢固，伸縮縫滲漏。因此，在止水片采購過程中，采購人員應(yīng)嚴(yán)格控制止水片的質(zhì)量、性能、規(guī)格和品種，確保止水片能夠滿足工程要求。

5　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的策略

5.1　明確設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)積極明確設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)水工建筑物的規(guī)模、類別、效益等來對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)予以科學(xué)設(shè)定，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)符合水工建筑物的施工要求和質(zhì)量要求，降低水工建筑成本，節(jié)約水工建筑資源，在確保水工建筑物質(zhì)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5.2　完善圖紙審查

圖紙審查是確保水工建筑物質(zhì)量的重要手段，現(xiàn)階段，很多水工建筑單位的圖紙審查仍處于起步階段，圖紙審查技術(shù)水平較低，審查工作有待規(guī)范。針對(duì)這種情況，水工建筑單位應(yīng)積極完善圖紙審查工作，開展系統(tǒng)性、規(guī)范性的圖紙審查，確保圖紙質(zhì)量。水工建筑單位應(yīng)不斷積累圖紙審查經(jīng)驗(yàn)，提高圖紙審查技術(shù)水平，增強(qiáng)圖紙審查工作的科學(xué)性。

5.3　優(yōu)化水工建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)

節(jié)能設(shè)計(jì)是水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要發(fā)展趨勢(shì)，水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水工建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)，從用電設(shè)備、用電品種、工程設(shè)計(jì)等各方面進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，嚴(yán)格根據(jù)國家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范合理分析水工建筑的節(jié)能效果，確定水工建筑節(jié)能措施。

5.4　強(qiáng)化項(xiàng)目管理

項(xiàng)目管理直接影響著水工建筑物的實(shí)用性和安全性，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，工程管理人員應(yīng)做好項(xiàng)目管理工作，核實(shí)水工建筑的規(guī)模和資金預(yù)算，了解水工建筑物的類型、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行條件、建造標(biāo)準(zhǔn)、工程等級(jí)等，嚴(yán)格按照國家的規(guī)定進(jìn)行項(xiàng)目管理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。