許江蓮

（貴州省思南縣水務(wù)局，貴州 銅仁 565100）

0 引言

近年來，水利工程建設(shè)投資力度不斷增強。2022 年全國累計落實水利建設(shè)投資11564 億元；全國完成水利建設(shè)投資達(dá)到10893 億元，比2021 年增長44%，首次突破1 萬億元關(guān)口。下一步，水利部將加快構(gòu)建高質(zhì)量現(xiàn)代化水利基礎(chǔ)設(shè)施體系。此背景下，深入分析水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，有著重要的意義。

1 水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計需要結(jié)合水利工程所處的環(huán)境條件，做好深度分析，結(jié)合實際情況開展設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計力求實現(xiàn)以下要求：①安全。水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要保證安全性，避免結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理影響引發(fā)安全隱患和問題。②質(zhì)量。認(rèn)真分析不同結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用效果，以保證建筑物質(zhì)量為前提，優(yōu)選具有經(jīng)濟性的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，指導(dǎo)相關(guān)工作的開展。

2 水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計實例分析

2.1 案例概述

以某水利工程項目為例，水庫總供水量為350.8 萬m3，下放生態(tài)用水60.3 萬m3。建筑物工程主要包括大壩、溢洪道以及輸水管道等，臨時建筑物包括導(dǎo)流建筑物與圍堰等。本次工程為小型水利工程項目，按照4 級建筑物開展設(shè)計。碾壓混凝土重力壩為4 級、溢洪道為4級、取水兼放空管道為4 級、消能防沖建筑物為4 級、混凝土面板壩為4 級、溢洪道為4 級、取水兼放空隧洞為4 級、輸水管道為4 級、水池為4 級、壩址導(dǎo)流建筑物為5 級、其他臨時建筑物為5 級。

2.2 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次工程設(shè)計中，大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計主要遵循《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201—2014）等，結(jié)合勘察調(diào)查的資料，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在具體設(shè)計方面，提出以下方案。

2.2.1 壩頂

水利工程建設(shè)后，大壩壩體并不是重要交通通道，但是壩頂?shù)膶挾纫筮m宜，保證工程施工期間混凝土填筑作業(yè)的需求得到滿足，并且還要具備閘門安裝和大壩運行觀測等條件。通過綜合分析，結(jié)合現(xiàn)場的條件，壩頂寬度設(shè)計為6.0m。大壩工程設(shè)計為碾壓混凝土重力壩，壩軸線方位角為N81.81°W，壩頂、壩底分別為1395.00m、1341.00m，最大壩高為54.00m，壩軸線長度為162.076m。

本次大壩壩頂?shù)纳嫌挝恢?，還建設(shè)了混凝土防浪墻；下游位置建設(shè)了欄桿，設(shè)計高度為1.2m。從具體布置的角度分析，右岸和永久上壩公路進(jìn)行連接，左岸和料場上壩公路進(jìn)行連接。根據(jù)大壩基礎(chǔ)灌漿和大壩監(jiān)測的相關(guān)要求，綜合考慮各類外界因素，包括壩體碾壓層厚和時間安排等，優(yōu)化設(shè)計方案。在1347.00m 高程位置建設(shè)廊道，當(dāng)作基礎(chǔ)灌漿廊道，右岸沿著壩體基面上升到1377.0m 高程，左岸沿著壩基面上升到1378.0m高程。設(shè)計的廊道為城門洞形狀，寬×高尺寸大小為3m×3.5m，帷幕灌漿設(shè)計為垂直灌漿孔。

按照設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，本次大壩確定為4 級建筑物，重力壩按照30 年一遇洪水設(shè)計以及200 年一遇洪水校核的控制工況，結(jié)合水利工程現(xiàn)場的情況確定壩頂高程。設(shè)計的方案中，根據(jù)調(diào)洪計算結(jié)果進(jìn)行分析，最終確定大壩設(shè)計洪水位和校核洪水位分別為1393.86m、1394.50m，正常蓄水位為1392.0m，壩頂高程設(shè)計為1349.24m。

2.2.2 壩體

從水利工程建設(shè)實際分析，大壩的排水系統(tǒng)組成，主要為壩身排水孔與壩基排水孔。本次項目中，壩基排水孔選擇的位置為1347.00mm 高程大壩帷幕下游側(cè)以及廊道下游側(cè)，采取的布置方案為沿著排水溝設(shè)置，鉆孔深度設(shè)計為帷幕深度的0.5 倍，鉆孔傾向下游，傾角為10°。在具體施工時，對于排水孔的布置要求間距控制為3m，孔徑大小設(shè)置為100mm。壩身排水引入1347.00m 高程廊道內(nèi)，實現(xiàn)對水的匯集處理，集中到水井內(nèi)利用水泵抽排，排放到下游河道。工程施工環(huán)節(jié)，完成固結(jié)灌漿與帷幕灌漿等施工內(nèi)容后，開展排水孔鉆孔作業(yè)，要求做好整個操作過程的控制，不可以使得水泥漿和其他雜物進(jìn)入排水孔內(nèi)部，影響到排水通道的運行效果。結(jié)束作業(yè)后，做好排水鉆孔出口位置的清理，確保排水通道正常運行[1]。

2.2.3 大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面

從工程建設(shè)實際分析，嚴(yán)格遵循《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL 319—2016）開展設(shè)計。對于壩體斷面的設(shè)計，采用的是材料力學(xué)法，以及剛體極限平衡法。為保證斷面的有效性，要求保證壩體和壩基的穩(wěn)定性和應(yīng)力，都達(dá)到相應(yīng)的條件。經(jīng)過綜合分析，本次大壩設(shè)計中壩體基本斷面設(shè)計為三角形。對于壩體的上游壩坡優(yōu)化范圍設(shè)定為0~0.20；下游壩坡的優(yōu)化區(qū)間設(shè)定為0.6~0.8。為保證斷面設(shè)計方案的科學(xué)合理性，還根據(jù)壩坡的結(jié)構(gòu)特點，合理選擇斷面優(yōu)化參數(shù)，精準(zhǔn)計算獲得壩坡的高程數(shù)值，同時還需要結(jié)合單位寬度，獲得相對準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)。經(jīng)過綜合分析后，將壩體基本斷面的設(shè)計參數(shù)確定為以下內(nèi)容：①上游面。對于1370.00m高程以下位置，坡度設(shè)計為1:0.2；1370.00m 高程位置以上位置，設(shè)計為鉛直面。②下游壩坡1:0.8，起坡點高程設(shè)計為1388.57m。

2.2.4 壩體分縫與止水設(shè)計

從水利工程建筑物的設(shè)計實際分析，大壩的混凝土分縫應(yīng)該結(jié)合壩基的條件，以及結(jié)構(gòu)布置和施工澆筑條件等，進(jìn)行綜合分析后確定，進(jìn)而為建筑物建設(shè)提供依據(jù)支持。經(jīng)過綜合分析后，壩體選擇為碾壓混凝土壩，不設(shè)置縱縫。對于誘導(dǎo)縫與橫縫，需結(jié)合碾壓混凝土的特點，經(jīng)過綜合分析后設(shè)計。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，本次工程設(shè)置的壩體分縫主要如下。

（1）壩0+033.414。

（2）壩0+063.414。

（3）壩0+073.414。

（4）壩0+088.914。

（5）壩0+107.914。

（6）壩0+127.914。

整個壩體總計分為7 個壩段，長度大約為20~35m。在具體施工中，誘導(dǎo)縫設(shè)計為切縫機切縫作業(yè)，要求保證切縫面積是縫面面積的2 或3 倍。大壩選擇橫縫位置，分為左右兩個倉面通倉開展碾壓作業(yè)。本次工程設(shè)計的壩體上游面積很大，極易受到天氣因素的影響，如寒潮等，給混凝土澆注作業(yè)質(zhì)量帶來影響，使得混凝土降溫收縮，產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生混凝土裂縫，影響到大壩的使用性能，因此要做好保溫保濕[2]。

水利工程建筑物的上游壩面橫縫內(nèi)部，總計設(shè)置了2 道“U”型紫銅片止水。在具體設(shè)計中，第一道止水要求和上游壩面距離保持為1m，并且設(shè)置的止水片距離控制為0.75m。此外，選擇溢流壩下游溢流面橫縫內(nèi)部設(shè)置一道，將止水片和壩面的距離控制為1m。對于穿過溢流壩中部施工橫縫的廊道周圍，要求設(shè)置塑料止水，進(jìn)而保障建設(shè)的質(zhì)量[3]。

3 水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的策略

3.1 注重前期資料的調(diào)查

水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)合理性，需做好前期的勘察調(diào)查，掌握完整的資料信息，助力結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的開展。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求，編制科學(xué)合理的勘察調(diào)查作業(yè)方案，組織專門的工作人員，負(fù)責(zé)開展水利工程建筑物施工現(xiàn)場的調(diào)查，掌握地勢地形與氣候條件等基本資料，并且積極搜集同類型的水利工程資料，保障建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計信息的完整性，為水利建設(shè)提供支持。設(shè)計人員要充分利用勘察調(diào)查資料，進(jìn)行深度分析，識別建筑物建設(shè)可能遇到的挑戰(zhàn)和難題，提出設(shè)計優(yōu)化的措施，為相關(guān)工作的開展提供支持，保障建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)合理性，避免出現(xiàn)設(shè)計不合理的情況[4]。

3.2 提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的重視度

水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的質(zhì)量高低，關(guān)系到結(jié)構(gòu)建設(shè)的質(zhì)量，且會影響到后期的安全穩(wěn)定運行，因此要注重結(jié)構(gòu)設(shè)計方案科學(xué)合理性的把握。作為設(shè)計人員要充分認(rèn)識到此項工作的重要性，并且要做好設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的分析，精準(zhǔn)把握設(shè)計要求，結(jié)合建筑物的設(shè)計實際情況，提出科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，指導(dǎo)水利工程建筑物高質(zhì)量建設(shè)，保障建筑結(jié)構(gòu)的性能。一般來說，建筑混凝土結(jié)構(gòu)中，極限承載力為強度值，其與破壞混凝土結(jié)構(gòu)相接近[5]。如果出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形，那么會直接影響到水利工程建筑物整體的穩(wěn)定性和安全性。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，保證結(jié)構(gòu)極限設(shè)計的合理性，可有效處理建筑物極限承載力，進(jìn)而保護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。在進(jìn)行設(shè)計時，結(jié)合極限承載力的數(shù)據(jù)信息，限制最大拉應(yīng)力，進(jìn)而達(dá)到極限狀態(tài)，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)性能的控制。除此之外，還要注重裂縫的有效防范和應(yīng)對，綜合包括環(huán)境條件和鋼筋類型等，做好綜合分析，保證結(jié)構(gòu)的安全性，延長建筑物使用壽命[6]。

3.3 使用現(xiàn)代化軟件輔助設(shè)計

水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中，利用現(xiàn)代化軟件輔助設(shè)計工作的開展，可提高設(shè)計的質(zhì)量和水平。例如，對于梁板柱等桿系結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的設(shè)計模式下，可以將復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)離散化，以單體結(jié)構(gòu)的形式，使用建筑物結(jié)構(gòu)工具箱或者工具，輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的開展，可以簡化計算流程，可以滿足一定的設(shè)計規(guī)范需求，但是無法全面反映結(jié)構(gòu)的實際受力情況，且結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的效率不高。此外，使用的部分計算工具，缺少開發(fā)部分參數(shù)的設(shè)置，僅僅是可以提供粗略的計算模型，很容易出現(xiàn)水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理的問題，帶來一定的安全隱患。計算機技術(shù)的快速發(fā)展應(yīng)用，涌現(xiàn)出很多軟硬件，使用結(jié)構(gòu)分析軟件，輔助水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，成為主流趨勢。為了滿足水利基礎(chǔ)設(shè)計的需求，涌現(xiàn)出很多新的設(shè)計產(chǎn)品，如PKPM 和YJK 等，能夠為設(shè)計工作的開展提供支持，提高水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和質(zhì)量。充分利用三維設(shè)計模型，輔助水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)計算，還能夠全面提高設(shè)計的水平，支持設(shè)計成果的可視化，助力相關(guān)工作的開展，避免各類問題的出現(xiàn)。例如，利用BIM 技術(shù)。水利工程在應(yīng)用傳統(tǒng)設(shè)計的過程中，主要通過平面圖、立面圖、剖面圖等進(jìn)行工作，采用BIM 設(shè)計，可以將主要的工作放在三維模型內(nèi)容上，利用水利工程三維模型，開展水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，可提高整個布置的合理性。需要注意的是，為有效發(fā)揮BIM 技術(shù)的應(yīng)用價值，設(shè)計人員必須要清楚地表達(dá)自己的設(shè)計意圖和關(guān)注的內(nèi)容，設(shè)計完成后還需要由專業(yè)的校審工作人員進(jìn)行批注，批注后設(shè)計師在根據(jù)批注的意見進(jìn)行修改，合格后才能進(jìn)行后續(xù)的工作[7]。設(shè)計人員要結(jié)合水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容和特點，選擇適合的設(shè)計工具，輔助設(shè)計工作的高質(zhì)量開展，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。為保證設(shè)計軟件的使用效果，設(shè)計人員需要積極主動學(xué)習(xí)相關(guān)方法，掌握各類工具的使用流程和要點，助力水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的高質(zhì)量開展，避免相關(guān)問題的出現(xiàn)。

3.4 注重結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化

水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中，要求注重結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，全面提高設(shè)計方案的質(zhì)量，指導(dǎo)建筑物高質(zhì)量建設(shè)，全面提高建筑物的建造水平[8]。對提出的結(jié)構(gòu)方案，圍繞可行性、經(jīng)濟性等多個方面，做好全面嚴(yán)格的分析，保障結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的質(zhì)量，優(yōu)選設(shè)計方案，助力建筑物高質(zhì)量建設(shè)，防范設(shè)計問題的出現(xiàn)影響到水利工程建筑物建設(shè)質(zhì)量。為保障水利工程建筑物建造的質(zhì)量，完成水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計后，還要做好設(shè)計方案的技術(shù)交底，促使施工人員可以精準(zhǔn)把握結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的意圖和內(nèi)容，高質(zhì)量推進(jìn)建筑物建設(shè)，避免各類質(zhì)量問題的出現(xiàn)。在進(jìn)行建筑物施工時，嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙和要求，組織開展建筑物施工作業(yè)，避免出現(xiàn)施工錯誤，影響到工程的效益[9]。通過采取全面嚴(yán)格的控制措施，最大程度上保證水利建筑物的建造質(zhì)量，防范各類問題的出現(xiàn)，高質(zhì)量推進(jìn)各項工作。加強對工程施工的質(zhì)量控制，打造精品水利工程建筑，有效發(fā)揮水利工程的作用。

4 結(jié)語

綜上所述，水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的開展，需做好事前的勘察調(diào)查，掌握完整的資料，按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，采用適宜的設(shè)計軟件，輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，形成高質(zhì)量的設(shè)計方案，指導(dǎo)建筑建設(shè)工作的開展。文中結(jié)合實例，對水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行分析，提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，以期為相關(guān)人員提供參考借鑒。