水利工程中混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

呂婷婷 呂 靖

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

0 引言

水利工程是結(jié)合地理?xiàng)l件的水工建筑工程，其主要作用是有效地控制和調(diào)節(jié)水資源，避免出現(xiàn)自然災(zāi)害，同時(shí)在干旱季節(jié)能夠?yàn)槿藗兩钌a(chǎn)提供水源。水利工程的建設(shè)，不僅能夠?yàn)槿藗兊纳钐峁┍憷?，還能夠促進(jìn)社會(huì)的健康發(fā)展[1]，是維護(hù)國(guó)計(jì)民生的重點(diǎn)工程。在水利工程中，混凝土結(jié)構(gòu)是主要組成部分，因此，應(yīng)重視混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量[2]。本文就水利工程中混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，為提高水利工程建設(shè)水平提供幫助。

1 水利工程混凝土結(jié)構(gòu)的要求及特點(diǎn)

1.1 水利工程混凝土結(jié)構(gòu)的要求

由于水利工程具有功能性、長(zhǎng)期性的特點(diǎn)，需要滿足可持續(xù)性發(fā)展的戰(zhàn)略要求，因此保證其建設(shè)質(zhì)量具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義，而混凝土結(jié)構(gòu)是保障工程質(zhì)量的基礎(chǔ)。如果要提升水利工程質(zhì)量，就必須高度關(guān)注水利工程中的混凝土結(jié)構(gòu)，確?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足相應(yīng)要求。

（1）穩(wěn)定性要求。水利工程壽命周期一般較長(zhǎng)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)影響大，保證混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮其作用，利及千秋萬(wàn)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(huán)境中，長(zhǎng)時(shí)間受到各種自然因素的侵蝕，因此要求其耐久性能應(yīng)當(dāng)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(diào)節(jié)自然環(huán)境中水資源，防止洪澇干旱等自然災(zāi)害發(fā)生，因此要求其具備優(yōu)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(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

水利工程中的混凝土結(jié)構(gòu)和其他建筑混凝土結(jié)構(gòu)有著較大區(qū)別，主要有以下特點(diǎn)。

（1）混凝土結(jié)構(gòu)相對(duì)其他工程體積較大，對(duì)于一些大中型的水利水電工程項(xiàng)目而言，通?；炷恋氖褂昧吭趲资f(wàn)甚至幾百萬(wàn)立方米之間，混凝土的施工過(guò)程貫穿于整個(gè)工程項(xiàng)目的始終。水利工程混凝土結(jié)構(gòu)大體積的特點(diǎn)導(dǎo)致表面系數(shù)比較小，水泥水化熱釋放比較集中，內(nèi)部升溫比較快，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外出現(xiàn)較大溫差變化時(shí)，其開(kāi)裂的幾率增加，所以在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)溫度作用進(jìn)行充分考慮[3]。

（2）水利工程往往建設(shè)在水資源豐富的地方，混凝土結(jié)構(gòu)分布于地上和水下。就水下混凝土結(jié)構(gòu)而言，要受到水的長(zhǎng)期浸泡以及水中雜質(zhì)的侵蝕，對(duì)水下混凝土的使用壽命造成影響。

（3）水利工程對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)要求較高

當(dāng)前，我國(guó)水利工程的規(guī)模越來(lái)越大，許多大型工程陸續(xù)建設(shè)[4]，例如，三峽水電站是，合理利用混凝土結(jié)構(gòu)的典型案例。水利工程建設(shè)過(guò)程中，涉及的環(huán)境問(wèn)題和地貌問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，這對(duì)工程的整體質(zhì)量提出了更高要求，尤其是水利工程在復(fù)雜地形或惡劣環(huán)境中建設(shè)時(shí)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的要求較高[5]。而水利工程的質(zhì)量關(guān)系到國(guó)計(jì)民生，所以必須保證工程質(zhì)量，因此需要優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而保證其作用得到最大化地發(fā)揮。

2 水利工程混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用中存在的問(wèn)題

混凝土結(jié)構(gòu)是水利工程建設(shè)的重要基礎(chǔ)，然而工程的特殊性使設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)存在較大的難度，主要體現(xiàn)在混凝土材料性能和工程的建設(shè)地點(diǎn)以及環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題。水利工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要存在以下幾方面的問(wèn)題。

2.1 氣泡和孔洞問(wèn)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(shè)計(jì)不合理，水灰比過(guò)大會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生大量氣泡和孔洞，這主要是因?yàn)榛炷林兴诌_(dá)到飽和后，多余水分就會(huì)從混凝土中游離出來(lái)并依附于結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生氣泡，隨著水分被蒸發(fā)結(jié)構(gòu)表面會(huì)留下孔洞?；炷翑嚢璺桨冈O(shè)計(jì)不合理也會(huì)導(dǎo)致氣泡和孔洞產(chǎn)生，這是因?yàn)榛炷猎跀嚢柽^(guò)程中，如果攪拌不均勻，在外加劑多的地方會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，過(guò)分的攪拌也會(huì)使大量空氣夾帶進(jìn)混凝土中，產(chǎn)生更多氣泡和孔洞?；炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)部存在氣泡和孔洞，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部不密實(shí)，會(huì)降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，表面存在大量氣泡和孔洞，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的外觀質(zhì)量。因此，要對(duì)材料質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，保證各項(xiàng)材料質(zhì)量符合要求。然后再對(duì)幾種材料進(jìn)行科學(xué)配比，并合理地進(jìn)行攪拌，以保證混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合工程要求。

2.2 岔管設(shè)計(jì)的問(wèn)題

在水利工程施工過(guò)程中，地下管網(wǎng)的合理布置是重要的工程環(huán)節(jié)，岔管的設(shè)置會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，施工中對(duì)混凝土強(qiáng)度有更高的要求，需要設(shè)計(jì)過(guò)程中加強(qiáng)重視。雖然岔管設(shè)計(jì)是水利工程的重要環(huán)節(jié)，但我國(guó)在這方面尚未明確統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范，一旦岔管設(shè)計(jì)不合理，那么混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量就會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致整體工程質(zhì)量下降，無(wú)法保障混凝土結(jié)構(gòu)的安全性。

2.3 襯砌滲漏問(wèn)題

在水利工程中混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用時(shí)，常見(jiàn)的問(wèn)題有混凝土襯砌滲漏，這也是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中解決難度較大的問(wèn)題之一。襯砌滲漏的主要原因是混凝土結(jié)構(gòu)裂縫。而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的原因有以下幾點(diǎn)：（1）在混凝土設(shè)計(jì)過(guò)程中未能按照相關(guān)的規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)；（2）未能根據(jù)施工地點(diǎn)的具體情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，導(dǎo)致沉降問(wèn)題發(fā)生，從而導(dǎo)致裂縫發(fā)生；（3）設(shè)計(jì)過(guò)程中，未能根據(jù)工程要求合理地選擇原材料，導(dǎo)致施工設(shè)計(jì)要求與混凝土強(qiáng)度之間存在差異；（4）混凝土配比完成后，運(yùn)輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性降低，混凝土初凝和終凝時(shí)間無(wú)法確定，使得混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間無(wú)法確定，如果在混凝土應(yīng)用前充分地振搗混合，就會(huì)導(dǎo)致骨料出現(xiàn)離析的可能。

3 水利工程混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)策

3.1 重視組件設(shè)計(jì)及溫度控制，防止裂縫產(chǎn)生

裂縫問(wèn)題是混凝土結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的問(wèn)題之一，導(dǎo)致該問(wèn)題發(fā)生的因素較多，重要影響因素為應(yīng)力和溫度?；炷翝仓鞘┕さ闹匾h(huán)節(jié)，完成澆筑后需要對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，由于水利工程中混凝土結(jié)構(gòu)的體積較大，需要合理地控制溫度，避免不同區(qū)域出現(xiàn)較大溫差，從而出現(xiàn)開(kāi)裂情況。如果混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力問(wèn)題，也極易發(fā)生斷裂。

針對(duì)水利工程混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)裂縫的控制主要從力學(xué)因素和化學(xué)因素兩方面進(jìn)行。一是在設(shè)計(jì)過(guò)程中要重視受彎拉和扭轉(zhuǎn)作用力的混凝土組件設(shè)計(jì)，深入了解混凝土性能和鋼材的性能，從而進(jìn)行合理配筋設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)良好的抗裂性能。另外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要對(duì)混凝土整體結(jié)構(gòu)的抗裂性能進(jìn)行評(píng)估，并考慮各個(gè)組件應(yīng)力，從而合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)。二是設(shè)計(jì)過(guò)程中要重點(diǎn)關(guān)注混凝土水化反應(yīng)導(dǎo)致的熱量集中釋放對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的影響。溫度裂縫是水利工程中常見(jiàn)的混凝土結(jié)構(gòu)問(wèn)題，因此要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并驗(yàn)算混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性，以此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并有效控制裂縫的產(chǎn)生，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，保障水利工程的整體質(zhì)量。

3.2 合理進(jìn)行材料配比，控制孔洞的發(fā)生

混凝土制備過(guò)程中，為了有效減少混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)氣泡或孔洞的問(wèn)題，要根據(jù)相關(guān)要求合理地選擇材料，并采用科學(xué)的方法進(jìn)行配置?；炷恋牟牧现饕獮樗嗪蜕?，因此，要重視水泥的強(qiáng)度及質(zhì)量要符合相關(guān)規(guī)范要求，選擇砂則以高細(xì)度砂天然砂為主，也可以應(yīng)用人造砂，但必須保證其細(xì)度符合工程標(biāo)準(zhǔn)。另外合理地應(yīng)用添加劑，并控制好其劑量。振搗和攪拌是混凝土生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，必需控制好振搗和攪拌的速度、強(qiáng)度和頻率。如果水利工程施工過(guò)程中出現(xiàn)孔洞，則需要對(duì)孔洞進(jìn)行清理并填充。

3.3 優(yōu)化圍巖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證其穩(wěn)定性

在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要充分地對(duì)周?chē)鷰r石的厚度及壓力進(jìn)行測(cè)算，對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。如果壁厚不能滿足條件，就會(huì)對(duì)工程質(zhì)量造成影響，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲漏。在明確巖石厚度時(shí)，需要合理地控制斜坡的角度，并對(duì)其表面進(jìn)行控制，時(shí)根據(jù)要求合理地設(shè)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(jié)構(gòu)應(yīng)用過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容并結(jié)合圍巖的承載力合理地選擇。結(jié)合設(shè)計(jì)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(lián)合鋼筋混凝土襯砌的作用，構(gòu)建一個(gè)二次應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果反饋，在對(duì)裂縫和變形分析后，合理設(shè)計(jì)支管襯砌的布置形式，減少鋼筋數(shù)量并合理布置，可以提高襯砌在水利工程中的適用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量是保證水利工程整體質(zhì)量的重要基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行合理地規(guī)劃，對(duì)水利工程混凝土結(jié)構(gòu)的要求、特點(diǎn)以及應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行了梳理總結(jié)，并提出水利工程中混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)策，對(duì)于保障水利工程的質(zhì)量穩(wěn)定以及使用性能，延長(zhǎng)其使用壽命，具有重要意義。