水工混凝土结构设计研究

水工混凝土结构设计研究

余旭鹏

惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司广东惠州516003

摘要：在水利工程中，混凝土的应用十分广泛。水利水电工程一般涉及的专业较多，结构种类多样，不仅包括水工建筑物还有建筑结构和桥梁结构等建筑物，设计从业人员的专业方向也涉及水工、建筑结构和桥梁结构等方面。由于专业方向的不同，对规范理解的角度不一，水工混凝土结构专业经常出现规范混用、利用现有结构建筑的软件设计水工混凝土结构的现象，这样会导致水工混凝土从设计上出现工程浪费。本文总结水工混凝土结构设计的特点和规律，以水闸、水工隧洞、涵洞与圆管涵结构的设计为例研究设计的重点和注意事项为相关项目提供可靠的依据弥补相关设计的不足。

关键词：水工；混凝土；水闸；结构设计

引言

水工建筑是指水利水电工程中受水的作用，通过控制和调节水流达到防治水灾，开发利用水资源的建筑物。水工建筑物在设计的过程中受到外界条件的限制非常多，地形、气象、水文和地质等自然条件对选址、建筑物的选型、工程造价等有直接的影响。根据建筑物的使用年限可以将水工建筑分为永久性和临时性两种。临时性水工建筑物是指仅在施工期间内发挥作用的建筑物比如：导流明渠、围堰等。永久性水工建筑物可以分为通用性水工建筑物和专门性水工建筑物两大类。

1水利工程混凝土结构存在的主要问题

①材料配比缺乏稳定性。混凝土是由胶凝材料，粗细骨料，水及其他外加剂按照适量的比例配制而成的人工石材。因此，在进行施工的时候，如果材料的配比存在问题，很容易造成混凝土的强度等级有所下降。在实际施工的过程，会导致其表面出现麻面以及气孔等问题，同时也会对混凝土内部结构带来严重影响。例如，如果在实际搅拌的时候，发现砂石材料占有的比例过高，很容易造成混凝土在搅拌中因为骨料过于集中，而使拌和物出现离析以及混凝土料变干甚至硬化的情况，进而对其牢固性带来严重影响。②其他构件的设计缺乏合理性。在目前的水利工程之中处理地下管网时，通常主要采用“一洞多机”的布局方案。然而在进行岔管设置时，其对混凝土原本的机构设计有着非常高的要求，同时当前也没有形成相对较为完善以及实际的混凝土岔管设计准则。基于这一情况施工人员自然很难对混凝土岔管设计中的承压能力进行了解，并且在较为复杂的地貌中以及计算过程中，造成设计不合理的情况发生。如此一来，混凝土本身结构的安全性会受到严重影响。③衬砌很容易出现渗漏。现阶段，我国的水利工程在实际施工的时候，混凝土结构设计存在较为明显的问题，也就是在进行衬砌的过程中，由于设计缺乏合理性，从而造成渗漏情况出现，对渠道工程的安全性带来诸多影响。总体而言，在进行衬砌施工的时候，之所以会出现渗漏，其主要是因为混凝土结构出现裂缝，而造成混凝土产生裂缝的原因主要包括四个方面：第一，在对混凝土模板进行设计的时候，缺乏足够的合理性；第二，在开展通道施工的时候，具体位置的选择存在较大的问题，岩土工程上方一旦有沉降情况出现，很容易对衬砌带来巨大压力，造成裂缝产生；第三，混凝土本身原材料存在问题，质量没有达到预期水平；第四，在进行混凝土运输以及搅拌的时候，并没有按照规定要求对其进行养护。

2水工混凝土结构设计

2.1水闸地基稳定分析

对于小型水闸设计或在大中型水闸在工程规划和可行性研究阶段，闸基防渗长度可按《水闸设计规范》中的渗经系数法计算。大中型水闸设计需要按照《水闸设计规范》附录C中改进阻力系数法计算渗流稳定。考虑到实际工程的可操作性，以上两种方法在确定防渗段指定位置渗透压力的时候，需要采用直线比例法计算渗压水头，进一步验证闸室稳定、挡土墙稳定。水闸地基稳定分析包括：基底应力分析、地基处理、地基沉降计算3部分。（1）基底应力分析包括：地基稳定分析工况分析、挡土墙突降工况分析。（2）地基处理：在平原地区地基的处理一般选用水泥土深层搅拌桩法，该方法可以明显提高地基的承载力、减小沉降、增大抗震动液化能力，最大加固厚度约为0.3米。具有施工的成本低、速度快、污染小等优点。在设计单桩承载力时应充分考虑到桩体的强度与承载力相协调的问题。若地基下有卵石层，要使用高压旋喷桩地基处理。设计时，单桩承载力不要提太大，设计主要控制参数为复合地基承载力。地基处理注意褥垫层、人工凿除段、截渗墙处理。（3）地基沉降：计算包括压缩曲线和附加应力两方面。对于扩大重建工程中软土地基上的水闸项目最好采用e-P压缩曲线。对于重要的大型工程可以采用e-lgP压缩曲线。附加应力，根据《水闸设计规范》矩形基础的长宽比小于10，条形基础的长宽比大于10，通过规范附表可以得到地基上计算点的附加应力系数，从而得到相应的附加应力。

2.2水工隧洞结构设计

水工隧洞结构设计包括水封结构设计、排水结构设计。在水密结构设计中，应注意常压下水洞的抗渗性能。在设计中，有必要完善水密结构传感器的设计，并使用铜或石英来实现水带的检测。在排水结构的设计中，有必要调整洪峰的入口和出口，没有积水，因此有必要在设计过程中加强地形和地形的数据分析和计算，以便为以后的维护打开安全通道。水工隧洞灌浆设计结合不同灌浆方式可分为固结灌浆设计和回填灌浆设计。根据上述水工隧洞的设计原则，加强了围岩的处理和分析，确定了固结灌浆隧洞的参数。在隧洞体灌浆中，每排保证8个以上的灌浆孔，孔间距约2－3m，灌浆压力高于隧洞施工压力。在回填灌浆设计中，桩孔完工后应注意在孔顶弧顶90°－110°范围内回填灌浆材料，灌浆压力一般应控制在3－7个大气压。

2.3涵洞与圆管涵结构计算

在单个水闸的设计中一般不会同时采用涵洞与圆管涵，设计的时候应该选择合适的结构计算。（1）涵洞结构计算。对涵洞结构的计算可以利用“百图软件”中涵洞模块实现快速和准确的结构设计。参照《涵洞》中的方法计算涵洞的各项荷载，通过编制EXCEL表格建立系统计算。（2）圆管涵结构计算。圆管涵的施工普遍采用厂家预制完成的序列产品不在使用现浇的结构，设计时应根据工程环境、项目需求、荷载等选择合适的圆管涵，可以不需要单独的结构设计。在选择预制涵管时，首先计算出涵管上线性荷载值，通过对比《混凝土和钢筋混凝土排水管》（GB/T11836-2009）中涵管的最大线性荷载值，最后选择适用的涵管类别和级别。

2.4做好裂缝控制工作

设计人员需要对裂缝的优化控制设计方面予以重视。通常而言，需要将工程本身运行的环境、水文的压力以及地势存在的压力等要素全部考虑进来，以此思考混凝土结构本身的承受能力，在此基础上选择与之相匹配的钢筋和混凝土。除此之外，还需要做好水利工程弯拉构建的质量控制，尽可能选一些满足其条件的杆件，并对施工过程中的裂缝宽度予以全面控制。

结束语

综上所述，对于水工建筑其混凝土结构的设计是达到工程目的最关键的因素之一，科学、合理的设计是水工建筑安全、高效运行的保证。适当的利用建筑结构的软件进行结构设计和校审是一种简单、可行的办法，同时大体积混凝土结构的温度应力问题和裂缝问题是下一步设计计算和施工技术上研究的重点。对非杆系结构的混凝土有限元分析在分析方法、软件、评判方式方面都需要进一步的研究，在水工混凝土结构的概念设计和细部构造方面仍需要进行大量的研究工作。

参考文献

[1]朱应强.研究水工隧洞设计方法[J].建材与装饰，2018(28):285－286.

[2]蔡奇鹏.基于施工扰动—雨水渗透耦合的水工隧洞洞口段稳定性研究[D].重庆:重庆交通大学，2018.

[3]舒恒.水工压力隧洞结构设计若干关键问题分析[J].工程建设与设计，2018(10):149－150.