代玉華

(喀左縣農村人畜飲水辦公室，遼寧 喀左 122300)

水工混凝土結構設計是實現(xiàn)項目成本、安全、進度、質量等預期目標的關鍵，在很大程度上決定著工程的整體質量狀況，一般涉及建筑、機電、水利等多個專業(yè)[1]。然而，水工結構尚存在一些問題，如適用性差、耐久性低等，對水利工程的正常運行造成不利影響，必須采取有效的措施提升其質量。一般地，水工混凝土結構具有體積大、跨度較小、結構復雜、配筋率低、所需鋼筋數(shù)量多等特點[2]。水化過程中會釋放巨大的熱量，當外界溫度發(fā)生變化時會產生一些溫度裂縫，對此要適當增加溫度鋼筋的配置；部分結構處于承壓狀態(tài)或完全進入水中，對結構抗凍性和耐久性要求較高；水工結構作為一種非杠桿體系，在配筋計算和極限強度分析時涉及參數(shù)多，計算過程復雜。關于水工混凝土結構，國內外諸多學者利用有限元分析法開展了深入研究，但仍無法準確描述載荷效應、溫度作用等不確定因素，混凝土開裂后無法保證強度，水工結構設計時少筋混凝土理論不再適用[3-4]。

1 結構設計原則

1.1 原材料檢驗

水工混凝土主要包括水泥、砂、碎石、外加劑等原材料，為保證結構質量必須先檢測原材料性能，在確保各項參數(shù)符合設計規(guī)范要求時才能投入使用。粗細骨料中有害物質的存在使得水泥水化時膠體與骨料的黏結較差，降低混凝土強度，為減少水化熱以及提高混凝土的流動性大多摻入粉煤灰或早強劑。

此外，配合比設計是混凝土配置的重要環(huán)節(jié)，應結合現(xiàn)場實際需求由專業(yè)技術人員調試配合比，最終確定符合使用要求的原材料配比。實際工程中，一般利用現(xiàn)場干炒法測試砂子的含水率，并對混凝土配合比按照測定的含水率做適當?shù)膬?yōu)化調整。

1.2 極限承載力

水工混凝土極限承載力是指結構嚴重變形無法繼續(xù)承載或超出材料強度的最大承載力，一般以受壓破壞極限值作為擋水結構的設計依據(jù)，結構所承受的最大壓應力要低于設定的應力現(xiàn)值。因此，為有效控制水工混凝土裂縫，在結構設計時要對結構的不連續(xù)點進行測定，從而更加精準的判斷其極限應力狀態(tài)。

1.3 裂縫控制

水工混凝土結構設計對裂縫控制有明確的要求，為防止裂縫的出現(xiàn)必須保證結構的整體承載力，綜合考慮水壓力、荷載性質、地下水位等因素變化，合理確定容許裂縫寬度。一般地，安全級別不同的水工結構其裂縫控制指標也不同。

裂縫控制通常適用于現(xiàn)代工程中的標準彎拉構件，而大多數(shù)水工結構都屬非常規(guī)構件，因此水工結構設計的要點和難點是對裂縫寬度的合理控制。通過評估構件的裂性，科學地設定裂縫，并結合斷面作用力變化所引起的裂縫開度合理設定控制標準。裂縫控制時要注重鋼筋與混凝土極限狀態(tài)的合理設計。

現(xiàn)行規(guī)范對重要工程裂縫驗算的有關規(guī)定較少，因此要結合實際情況采取針對性的處理措施，具體如下：(1)M≤Mcr條件下，水工結構設計可以不實行限裂驗算；(2)M>Mcr且M≤Mcrk條件下，水工結構設計應符合Mcrk≤[Mcrk]要求；(3)Mk≤Mcrk條件下，水工結構設計應符合Mcrk≤[Mcrk]要求，其中Mcr、Mcrk、[Mcrk]為抗裂彎曲、抗裂彎矩設計值和允許抗裂彎矩。

2 水工混凝土結構設計常見問題

2.1 高強度鋼筋的替換問題

水工混凝土結構設計規(guī)范提出，為保證框架塑性鉸出現(xiàn)在梁內，不應該用高強度鋼筋替代原設計材料，若特殊條件下需要替代時，為了不影響其正常使用必須遵循拉應力設計值等效替換原則。此外，裂縫寬度對構件產生較大影響時，還要對替代鋼筋實行精準計算，確保其滿足搭接長度、最小直徑、錨固長度、設計間距等要求，從設計上滿足工程結構要求。因此，雖然在質量、力學性能方面高強度鋼筋較優(yōu)，但應結合實際情況考慮其是否滿足使用要求。

2.2 大直徑鋼筋的使用問題

有的部位受到結構形式限制而必須使用大直徑鋼筋，與普通材料不同的是單獨使用大直徑鋼筋難以充分發(fā)揮其效應，因此必須利用一定的方法使其相互連接。然而，混凝土保護層在連接處較薄，這對結構的安全性造成不利影響。此外，大直徑鋼筋會降低相鄰鋼筋的間距，導致混凝土振搗不密實，搭接處極易出現(xiàn)裂縫，進而加速鋼筋的銹蝕和混凝土開裂脫落等。因此，對大直徑鋼筋的使用要求較高，連接時通常選用對焊的方式，一般不用綁扎連接，若搭接不當會增大施工難度，建成后再處理搭接問題還會造成人力物力財力的極大浪費，處理不好甚至還會帶來安全隱患。

2.3 裂縫處理問題

一般地，對于已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的水工混凝土結構，若僅僅增加鋼筋用量并不能解決徹底裂縫問題，必須處理好結構內部情況。結合相關規(guī)定，可利用直徑較小的帶肋鋼筋縮小相互之間的間距，從而解決裂縫寬度超控制問題，提高結構的密實度和整體承載力。其中，以承載力計算所需縱向鋼筋面積的30%作為鋼筋截面面積增加的界限，若按以上要求處理后仍無法有效控制裂縫寬度，可以靈活應用其他措施加以彌補，綜合考慮各種因素合理采用多種手段處理裂縫問題，提高結構整體穩(wěn)固性。

2.4 高標號抗磨砼使用問題

水工混凝土主要有沖砂閘底板、泄洪、溢流壩面等過流面，受高速水流磨蝕、沖刷作用有壓泄洪隧洞等結構往往出現(xiàn)鋼筋外露、砼面磨損甚至斷裂或沖坑等問題，對水工結構的安全運行造成嚴重影響。結合工程實踐經(jīng)驗，有效提高砼抗磨能力的有效手段有適當添加外加劑、加強澆筑工藝控制、提高粗細骨料抗壓強度和砼標號等，水工混凝土交付使用時要有較好的韌性、較小的收縮量和和足夠的強度。

3 水工混凝土結構質量控制

3.1 嚴格執(zhí)行相關設計規(guī)范

針對以強度設計為主的傳統(tǒng)混凝土結構設計特點，水工混凝土結構設計既要考慮結構的強度設計，更要注重長期使用過程中水工結構受水下環(huán)境作用而引起的材料腐蝕，以及結構適用性和耐久性的影響，采取合理的設計方法最大程度的延長結構使用年限。

水工混凝土結構設計必須嚴格執(zhí)行現(xiàn)行的地方標準、行業(yè)規(guī)范及國家相關法律法規(guī)，全面考慮正常使用階段水工結構的維護管理和相關檢測要求，在水工混凝土結構設計時預留足夠的工作面，為后續(xù)運行維護和檢測提供可實時性。然而，使用過程中水工混凝土不可避免的還會遭受各種病害，應最大程度地降低各種不利因素的影響。所以，在水工混凝土結構設計時還要考慮材料受老化、環(huán)境侵蝕等因素的影響，即遭受病害后仍要保證水工構件或結構具有足夠的安全穩(wěn)定性。

3.2 加強結構變形控制

水工混凝土結構普遍存在裂縫質量問題，在結構設計過程中應加強變形控制，具體措施如下：(1)科學合理地設計水工結構構造，在確保結構整體性的情況下合理設置變形縫；結構受力計算分析時要開展斷面設計驗算，如施工維修、超載、應力情況和正常使用階段的抗裂驗算等。(2)加強半成品、原材料的質量控制，在保證所用水泥安定性符合要求的同時，選用級配良好、含石粉或泥土比例在允許范圍內的砂、石；通過試配試驗確定混凝土配合比，結合現(xiàn)場實際情況可適當?shù)恼{整、換算，水泥產品的水化熱要符合施工現(xiàn)場環(huán)境溫度變化要求。(3)強化施工管理，準確控制原材料配合比，配制過程中要拌和均勻、攪拌充分；大體積水工混凝土要應按照順序分層、分段、分區(qū)澆筑施工，澆筑速度、振搗方式、澆筑方法要科學合理，保證混凝土充分振搗密實以及模板與插入式振搗器的最小間距，防止因模板過度變形而引起漏漿漏水的情況，完成澆筑后要及時養(yǎng)護。(4)施工過程中，要注意環(huán)境濕度劇烈變化對水工混凝土造成的影響，防止出現(xiàn)較大地基變形引起的沉陷裂縫。

3.3 混凝土冬季施工控制

若混凝土冬季施工時的環(huán)境氣溫不低于0℃，常規(guī)保溫即可；若混凝土澆筑過程中的環(huán)境溫度最低低于-5℃，應采取相應的早期防凍措施。(1)合理應用防凍劑：能夠明顯降低拌合水冰點，有利于控制混凝土內部結構早期和塑性狀態(tài)的分水結冰膨脹，防止出現(xiàn)混凝土凍傷，一般條件下防凍劑對構件或結構的強度不會造成危害。(2)保溫處理：混凝土冬季澆筑時盡量選用具有一定保溫作用、密封性能較好的木板和膠合板等模板，在構件或結構表面再用泡沫保溫板或草簾等保溫材料覆蓋，從而加速混凝土強度的提升。冬季施工時，混凝土易選用普通型或早強型硅酸鹽水泥。

3.4 合理設計抗磨蝕方案

不同的水工建筑物運行方式，其選擇的抗沖磨設計方案和標準不盡相同。一般地，可以減少間歇性運行結構的壁面抗磨蝕材料厚度，這是由于足夠的檢修時間可以適當降低設計標準，從而節(jié)約投資成本。

對于流速較大、費用占比較高、結構相對重要的水工建筑物，采用水彈性模型試驗研究水流脈動壁壓作用，合理設計結構形態(tài)，從而實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境下水工結構共振的有效控制，從根本上解決流激振動所引起的破壞問題。此外，改進邊界的輪廓形態(tài)為防止過流邊壁發(fā)生沖磨最有效的措施?？紤]到水頭的影響作用，在水力計算和選擇建筑物形式時要考慮動水壓強沿程分布情況，通過限制測壓管水頭絕對值和負壓范圍實現(xiàn)水流空化數(shù)過小的間接控制。

4 結語

近年來，水利工程建設數(shù)量不斷增多，水工混凝土結構設計是保證工程建設質量的重要環(huán)節(jié)。然而，由于現(xiàn)有設計規(guī)范和工程技術體系還不夠完善，實際工程中還存在一些問題，為提高水工結構耐久性、安全性，必須綜合考慮各種不利因素，嚴格執(zhí)行相關設計規(guī)范，加強結構變形和混凝土冬季施工控制，合理設計抗沖磨方案等解決對策。隨著科技的不斷發(fā)展，還會有更多的途徑和方法解決水工混凝土結構現(xiàn)存問題，未來也將有更多的新型技術用于實際工程，為促進水利事業(yè)發(fā)展和促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮更大的作用。