水工建筑物結構設計中問題及對策

陳思源

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

0 引言

水工建筑在基礎設施建造過程中占有非常重要的地位，但是由于水利工程修建屬于非常復雜、涉及非常多內容的工程，為了更好的進行水利工程修建一定要充分分析建筑物結構設計中存在的問題，采取更加完善的規(guī)劃設計確保水工建筑結構設計的有效性，推動水利工程進一步發(fā)展。

1 水工建筑物結構設計存在的問題

1.1 水工建筑物結構設計等級標準不夠明確

對于水工建筑物來說，在結構設計過程中其等級標準會直接影響結構合理性，等級過高過低都產(chǎn)生不利影響，等級過高會浪費材料以及工程資金，等級過低容易引發(fā)工程的安全隱患，后續(xù)容易造成較大生命財產(chǎn)損失。在進行水工建筑物結構設計時一定要確保等級標準和工程具體需要的匹配性，要遵照工程施工現(xiàn)場的環(huán)境、工程規(guī)模、功能等來確定結構設計等級。

1.2 水工建筑物結構設計缺少足夠的數(shù)據(jù)資料

某些水工建筑物結構設計缺少足夠數(shù)據(jù)資料的支撐，從而造成結構設計缺少合理性和科學性。隨著近些年信息技術的快速發(fā)展，可以充分利用這些技術來獲取更加豐富的資料。但是對于很多較為偏遠并且氣候條件較為惡劣的區(qū)域來說，資料的獲取還是具有相應難度，對于水工建筑物結構設計的科學性以及合理性具有一定限制。

1.3 水工建筑工程勘探不足

想要有效提升水工建筑施工效果，一定要對水利情況進行勘探，利用有效的勘探能夠及時發(fā)現(xiàn)施工準備中的問題，有利于水利建筑結構設計。但是現(xiàn)階段某些水利工程施工前對于勘探工作沒有嚴格落實，勘探技術相對落后，很難得到準確的資料，無法對水工建筑結構設計提供參考。

2 水工建筑物結構設計分析

某水電站屬于大渡河干流梯級開發(fā)中的最后一級，壩址到上游已經(jīng)建設的電站大約40km，下游距離市區(qū)達到20km，左岸、右岸都是省道公路，具有非常便利的對外交通。電站采取的是混合式開發(fā)方式，主要任務包括發(fā)電、防洪、灌溉以及供水等。

2.1 水電站業(yè)主營地辦公樓和宿舍樓

（1）該水電站辦公樓屬于框架結構，為了確保其穩(wěn)定性，所以全場一定要實施填筑處理，整體填筑高度范圍控制在0.9～3.5m。由于該區(qū)域存在著大量粉土并且厚度變化較大，抗變形能力相對較差，如果采取直接填筑的方式就容易引發(fā)不均勻變形以及地震液化等問題，所以施工中一定要徹底清理場地內部地表耕植土、粉土以及粉砂層，可以通過天然級配的砂卵石分層夯實填筑。同時，要對填筑土層實施必要的碾壓試驗，以此來確保填筑料級配以及分層厚度等滿足地基強度要求。另外，通過多高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件PKPM 實施整體結構分析，同時利用地基基礎設計系統(tǒng)JCCAD 實施基礎計算。在辦公樓設計時需要遵照相應標準來進行，主要包括：《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》《建筑抗震設計規(guī)范》《建筑結構荷載規(guī)范》《混凝土結構設計規(guī)范》等，要對鋼筋混凝土的配筋等進行計算，同時也要實施恒載、活荷載、風力、地震力等方面的組合計算，確保建筑的穩(wěn)定性和安全性。

（2）宿舍建筑采取磚混結構，需要在電站建設完成之后按照運行過程中的實際功能實施改造。宿舍設計時一定要遵照《砌體結構設計規(guī)范》《混凝土結構設計規(guī)范》《建筑地基基礎設計規(guī)范》等規(guī)定，可以通過砌體設計軟件QITI 進行多種計算（包括：結構抗震計算、砌體受壓計算、局部承壓計算、墻體高厚比驗算等）以及施工圖設計。為了有效提升房屋的整體剛性，樓層的圈梁需要層層設置，和現(xiàn)澆板進行整體澆筑，從而提升樓板以及墻體的連接性能，能夠有效抵抗地基不均勻沉降問題。

2.2 水電站啟閉機房設計

在進行水電站啟閉機房結構設計過程中，由于鋼筋混凝土墻無論是在抗?jié)B性能、抗沖擊性能等方面都強于磚混墻體，所以一般在啟閉機房設計時采取的都是鋼筋混凝土墻，要確保符合功能需要。另外，啟閉機房往往都是設置在不連貫的閘墩之上，因此在啟閉機房設計過程中其框架結構常常會受到閘墩的影響，因此一定要嚴格遵照閘墩邊線對其實施設置。對于案例工程來說，要將啟閉機吊車梁設置在985.65m 高程位置，同時為了有效防止水流的沖擊可以順著全高設置混凝土剪力墻，要確保其連續(xù)性設置，并且要沿著閘墩邊線設置菱形的框架柱，以此來提高其抗沖擊力。另外，在進行啟閉機房結構設計過程中可以采取PKPM 系統(tǒng)來進行輔助性設計，但是在實際應用過程中在某些方面（例如吊車載荷定義和設置）還存在一定問題，例如網(wǎng)格線務必要設置柱節(jié)點、網(wǎng)格線的斷點一定要設置成為矩形等，因此還是無法嚴格按照具體情況實施建模。因此在具體結構設計過程中，某些特殊性區(qū)域還是無法利用PKPM 進行設計，需要通過解析式方式進行計算。

2.3 水電站中控室的設計

水工建筑中最為關鍵的部分之一就是水電站中控室，該處為整個水電站運行控制、監(jiān)控的核心所在。中控室的結構設計情況常常會受到水電站類型、廠房結構等方面的影響，因此要多方面考慮影響因素進行結構設計。正常情況下，為了能夠降低施工費用并且有利于管理，常常會將中控室平面設置在和主機以及發(fā)電機同個高層，同時也要避免控制室出現(xiàn)和升壓站連接距離過大。

首先，對于中控室平面來說最重要的內容之一就是控制盤的設置，在操作時要滿足如下規(guī)定：要按照屏盤的數(shù)量設置不同形式，其中屏盤數(shù)量<10 塊時，要按照直線型或者折線形進行設置；屏盤數(shù)量≥10 塊時，要按照L 型、II 型、弧形進行設置。不同形式具有自身的特點，例如直線型設置的占地面積較大，雖然安裝較方便但是視覺效果不好；折線型設置的占地面積較小，視覺條件較好；弧型設置雖然具有較好的視覺效果，但是安裝較為復雜。

其次，要根據(jù)水電站的規(guī)模情況來設定輔助間等部分，其中中小型水電站無需獨立設置中控室輔助間，可以通過簡單的隔斷設置出中控室即可，一般保持其面積在50m2左右。但是隨著現(xiàn)代技術的快速發(fā)展，中控制的自動化裝置和信息化設施逐漸增多，中控室的屏盤數(shù)量也在增加，所以中控室的面積也要根據(jù)實際情況調整。

最后，在進行中控室高度設置過程中一定要充分考量到整個工程成本控制，在設定中控室高度時需要充分參照相應指標（包括：高度、采暖、通風、采光照明、技術條件、室內空間比例等）來進行。在確保中控室正常功能的情況下要加強高寬比的控制，一般情況下中控室凈高設定為設備高度的1.5～2 倍，寬度設置在6.5～9m 范圍。

2.4 GIS 樓的設計

（1）GIS 樓地面不但存在變壓器基礎、設備桿件基礎等，同時也存在很多電纜溝，所以在地梁以及框架柱基礎設置時一定要避開這些內容。若是柱基設置在基巖之上，那么可以采取巖石錨桿基礎，提升基巖的承載力。如果GIS 樓和主副廠房僅僅相鄰，那么柱基大多處在廠房開挖回填面之上，此種情況下柱下獨立基礎由于和廠房基礎相鄰所以容易發(fā)生偏心問題，此種情況下可以采取柱下條形基礎，在保證基礎整體性的同時防止不均勻沉降，如圖1 所示。

圖1 GIS 樓基礎形式

（2）GIS 樓一般底層設置主變壓器、二層設置GIS 設備、三層屬于層面以及出線長。為了便于主變壓器的運輸和安裝，一般底層開間和層高都比較大。對于二層來說，受到GIS 設備的影響，需要通過吊車實施運輸以及安裝，所以此層中間無法設柱并且要求層高，一般梁的撓度<1/600L。所以GIS 樓大多采取橫向單跨、縱向多跨的框架結構，層高設置在8～12m 范圍內

（3）受到柱網(wǎng)尺寸以及載荷方面的影響，框架梁以及柱斷面的尺寸都比較大，一般情況下可以設置橫向主框架梁高度=1/8—1/9 跨度，同時要在梁端部加腋來減少支座鋼筋數(shù)量。主框架梁較高，為了避免梁發(fā)生開裂需要順著梁兩側間隔200mm 設置腰筋，一般情況下確保腰筋≥φ16mm。因為樓板存在較多的開孔，所以為了防止樓板過厚而開裂，可以采取樓板鋼筋的雙層雙向通長設置，孔洞邊板需要設置加強筋，對于較大的洞口來說需要設置次梁。

3 結束語

本文主要分析了水工建筑結構設計中存在的問題，在此基礎上針對水電站業(yè)主營地辦公樓和宿舍樓、水電站啟閉機房、水電站中控室、GIS 樓等設計內容進行了簡要闡述。通過本文的介紹能夠對水工建筑結構設計提供一定參考和幫助，對于推動水利工程發(fā)展具有現(xiàn)實意義。