水利工程中混凝土結構的優化設計

呂婷婷 呂 靖

（吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021）

0 引言

水利工程是結合地理條件的水工建筑工程，其主要作用是有效地控制和調節水資源，避免出現自然災害，同時在干旱季節能夠為人們生活生產提供水源。水利工程的建設，不僅能夠為人們的生活提供便利，還能夠促進社會的健康發展[1]，是維護國計民生的重點工程。在水利工程中，混凝土結構是主要組成部分，因此，應重視混凝土結構的設計及施工質量[2]。本文就水利工程中混凝土結構的優化設計進行分析，為提高水利工程建設水平提供幫助。

1 水利工程混凝土結構的要求及特點

1.1 水利工程混凝土結構的要求

由于水利工程具有功能性、長期性的特點，需要滿足可持續性發展的戰略要求，因此保證其建設質量具有極為重要的現實意義，而混凝土結構是保障工程質量的基礎。如果要提升水利工程質量，就必須高度關注水利工程中的混凝土結構，確保混凝土結構設計合理，滿足相應要求。

（1）穩定性要求。水利工程壽命周期一般較長，對國民經濟影響大，保證混凝土結構的穩定性，充分發揮其作用，利及千秋萬代，意義重大。

（2）耐久性要求。水利工程一般位于河道、山谷等自然環境中，長時間受到各種自然因素的侵蝕，因此要求其耐久性能應當更為良好，才能抵御各種侵蝕。

（3）整體性要求。水利工程一般是采取修建堤壩、水閘和溝渠等水工建筑物，調節自然環境中水資源，防止洪澇干旱等自然災害發生，因此要求其具備優良的整體性能，防止水的透漏是重中之重。

1.2 水利工程混凝土結構的特點

水利工程中的混凝土結構和其他建筑混凝土結構有著較大區別，主要有以下特點。

（1）混凝土結構相對其他工程體積較大，對于一些大中型的水利水電工程項目而言，通常混凝土的使用量在幾十萬甚至幾百萬立方米之間，混凝土的施工過程貫穿于整個工程項目的始終。水利工程混凝土結構大體積的特點導致表面系數比較小，水泥水化熱釋放比較集中，內部升溫比較快，混凝土結構內外出現較大溫差變化時，其開裂的幾率增加，所以在混凝土結構設計過程中，需要對溫度作用進行充分考慮[3]。

（2）水利工程往往建設在水資源豐富的地方，混凝土結構分布于地上和水下。就水下混凝土結構而言，要受到水的長期浸泡以及水中雜質的侵蝕，對水下混凝土的使用壽命造成影響。

（3）水利工程對混凝土結構及其設計要求較高

當前，我國水利工程的規模越來越大，許多大型工程陸續建設[4]，例如，三峽水電站是，合理利用混凝土結構的典型案例。水利工程建設過程中，涉及的環境問題和地貌問題越來越復雜，這對工程的整體質量提出了更高要求，尤其是水利工程在復雜地形或惡劣環境中建設時，對混凝土結構的要求較高[5]。而水利工程的質量關系到國計民生，所以必須保證工程質量，因此需要優化混凝土結構設計，從而保證其作用得到最大化地發揮。

2 水利工程混凝土結構應用中存在的問題

混凝土結構是水利工程建設的重要基礎，然而工程的特殊性使設計混凝土結構時存在較大的難度，主要體現在混凝土材料性能和工程的建設地點以及環境適應性問題。水利工程混凝土結構設計中主要存在以下幾方面的問題。

2.1 氣泡和孔洞問題

混凝土的主要成分有水泥、砂、碎石和外加劑等，若混凝土配合比設計不合理，水灰比過大會導致結構表面產生大量氣泡和孔洞，這主要是因為混凝土中水分達到飽和后，多余水分就會從混凝土中游離出來并依附于結構表面產生氣泡，隨著水分被蒸發結構表面會留下孔洞。混凝土攪拌方案設計不合理也會導致氣泡和孔洞產生，這是因為混凝土在攪拌過程中，如果攪拌不均勻，在外加劑多的地方會產生大量氣泡，過分的攪拌也會使大量空氣夾帶進混凝土中，產生更多氣泡和孔洞。混凝土結構內部存在氣泡和孔洞，導致混凝土結構內部不密實，會降低結構的強度，表面存在大量氣泡和孔洞，嚴重影響混凝土結構的外觀質量。因此，要對材料質量進行嚴格檢測，保證各項材料質量符合要求。然后再對幾種材料進行科學配比，并合理地進行攪拌，以保證混凝土結構的強度符合工程要求。

2.2 岔管設計的問題

在水利工程施工過程中，地下管網的合理布置是重要的工程環節，岔管的設置會使混凝土結構更為復雜，施工中對混凝土強度有更高的要求，需要設計過程中加強重視。雖然岔管設計是水利工程的重要環節，但我國在這方面尚未明確統一的設計規范，一旦岔管設計不合理，那么混凝土結構的質量就會受到影響，從而導致整體工程質量下降，無法保障混凝土結構的安全性。

2.3 襯砌滲漏問題

在水利工程中混凝土結構應用時，常見的問題有混凝土襯砌滲漏，這也是混凝土結構設計過程中解決難度較大的問題之一。襯砌滲漏的主要原因是混凝土結構裂縫。而導致混凝土結構裂縫的原因有以下幾點：（1）在混凝土設計過程中未能按照相關的規范要求進行設計；（2）未能根據施工地點的具體情況進行合理設計，導致沉降問題發生，從而導致裂縫發生；（3）設計過程中，未能根據工程要求合理地選擇原材料，導致施工設計要求與混凝土強度之間存在差異；（4）混凝土配比完成后，運輸時間過長，導致混凝土流動性降低，混凝土初凝和終凝時間無法確定，使得混凝土養護時間無法確定，如果在混凝土應用前充分地振搗混合，就會導致骨料出現離析的可能。

3 水利工程混凝土結構優化設計對策

3.1 重視組件設計及溫度控制，防止裂縫產生

裂縫問題是混凝土結構常見的問題之一，導致該問題發生的因素較多，重要影響因素為應力和溫度。混凝土澆筑是施工的重要環節，完成澆筑后需要對混凝土進行養護，由于水利工程中混凝土結構的體積較大，需要合理地控制溫度，避免不同區域出現較大溫差，從而出現開裂情況。如果混凝土結構出現應力問題，也極易發生斷裂。

針對水利工程混凝土結構的特點，對裂縫的控制主要從力學因素和化學因素兩方面進行。一是在設計過程中要重視受彎拉和扭轉作用力的混凝土組件設計，深入了解混凝土性能和鋼材的性能，從而進行合理配筋設計，實現良好的抗裂性能。另外，在設計過程中還需要對混凝土整體結構的抗裂性能進行評估，并考慮各個組件應力，從而合理地進行設計。二是設計過程中要重點關注混凝土水化反應導致的熱量集中釋放對大體積混凝土結構裂縫的影響。溫度裂縫是水利工程中常見的混凝土結構問題，因此要對混凝土結構的溫度場和應力進行計算，并驗算混凝土結構的抗裂性，以此進行優化設計并有效控制裂縫的產生，從而提高混凝土結構的整體性，保障水利工程的整體質量。

3.2 合理進行材料配比，控制孔洞的發生

混凝土制備過程中，為了有效減少混凝土結構出現氣泡或孔洞的問題，要根據相關要求合理地選擇材料，并采用科學的方法進行配置。混凝土的材料主要為水泥和砂，因此，要重視水泥的強度及質量要符合相關規范要求，選擇砂則以高細度砂天然砂為主，也可以應用人造砂，但必須保證其細度符合工程標準。另外合理地應用添加劑，并控制好其劑量。振搗和攪拌是混凝土生產的重要環節，必需控制好振搗和攪拌的速度、強度和頻率。如果水利工程施工過程中出現孔洞，則需要對孔洞進行清理并填充。

3.3 優化圍巖結構設計，保證其穩定性

在設計的過程中，需要充分地對周圍巖石的厚度及壓力進行測算，對圍巖結構的承載力進行合理設計。如果壁厚不能滿足條件，就會對工程質量造成影響，進而導致混凝土結構出現滲漏。在明確巖石厚度時，需要合理地控制斜坡的角度，并對其表面進行控制，時根據要求合理地設置圍巖的承載力。

3.4 合理選擇襯砌方法，防止裂縫及變形

襯砌方法是混凝土結構應用過程中的重要環節，需要根據設計內容并結合圍巖的承載力合理地選擇。結合設計需求，襯砌方法可分為兩種形式：一種是抗裂襯砌，另一種是防裂襯砌。合理地選擇襯砌方法后，需要充分地考慮圍巖作用和聯合鋼筋混凝土襯砌的作用，構建一個二次應力場進行模擬試驗，通過實驗結果反饋，在對裂縫和變形分析后，合理設計支管襯砌的布置形式，減少鋼筋數量并合理布置，可以提高襯砌在水利工程中的適用性。

4 結束語

混凝土結構質量是保證水利工程整體質量的重要基礎，在設計環節應結合實際情況進行合理地規劃，對水利工程混凝土結構的要求、特點以及應用中存在的問題進行了梳理總結，并提出水利工程中混凝土結構優化設計的對策，對于保障水利工程的質量穩定以及使用性能，延長其使用壽命，具有重要意義。