探析水工建筑结构设计关键问题

姚大伟

（邵阳市水利水电勘测设计院　湖南省邵阳市　422000）

1　水工建筑结构设计的概述

水工建筑是指通过修建堤坝、水闸、渡槽等水工建筑物对水资源进行调控，通过这些水工建筑物的兴建来预防或控制洪涝灾害和干旱灾害，满足社会生产和人民生活的需要。水工建筑规模比较大，工期比较长，相比其他建筑工程，水利工程的施工难度更大，在水利工程设计阶段，需要对工程所在地的地形地貌、水文地质条件、气候条件、人文环境等各种情况进行详细调查。

2　水工建筑结构设计的关键问题

2.1　水利工程建筑结构的整体设计

水工建筑的整体结构设计是对水工建筑物的整体框架进行的设计与规划，具体包括水闸和大坝以及一些配套设施，比如管理用房等。由于水工建筑本身具有的重要社会价值，设计人员在结构设计过程中需要在详细勘查项目所在地的基础上，保证水工建筑总体结构设计的科学、合理、完整、配套，同时也要满足国家强制标准以及工程合同的要求，保证水工建筑物的实用性和适用性。在水工建筑的整体结构设计过程中，要重点关注水闸的结构设计与规划，水闸决定了水工建筑物是否能够充分实现排水功能与止水功能，排水与止水功能是水工建筑物非常重要的功能。

2.1.1水闸设计

在进行水闸设计时，首先要考虑对排水效果影响最大的消力池排水孔的设计，为了降低护坦排水压力，要在护坦后面设置一定数量的排水孔，让排水孔呈垂直分布状态，在水流通过水闸时，水流压强下降，这时的水流压强是可控的。在水流通过排水孔时，水流压力被吸出。

2.1.2排水孔的设计

排水孔的设计主要包括消力池排水孔设计和翼墙排水孔设计。

（1）设计人员在进行翼墙排水孔的设计时，对于单一水头水闸，可以在两个位置上设置排水孔，一个是水流下流的翼墙位置，另外一个是水流周边的护坡位置。同时需要注意将反渗层设计在挡土墙一边的孔口位置，以确保水工建筑能够高效排水。与此同时，要加强对翼墙的防渗处理，降低水流冲击效果，可以考虑在水流进口位置的翼墙多设置几个排水口，以确保水工建筑水闸结构的运行效率。

（2）设计人员在进行消力池排水孔设计时，可以在护坦后面设计一定数量的垂直分布的排水孔，这种设计可以将水流在流经水闸的过程中，将水流压强降到可控范围内，由于水流在通过消力池排水孔时，会导致水流压力被从孔中吸出，使消力池底板结构被带出，需要在设计时着重考虑减少消力池底部对水流压强差与渗透压力的影响。

2.1.3水闸位置的选择问题

设计师在进行水利工程建筑水闸结构设计的过程中，还要重点考虑水闸的位置设计问题。在进行水闸位置选择时：①注意水闸结构的外形要与其他水利工程建筑保持一致；②能够满足防洪要求，并能够满足周边居民的生产生活用水的需求；水闸位置的设计要符合我国的相关法规和强制性标准的要求，与此同时也要满足项目合同的约定。

2.2　混凝土结构设计

混凝土结构具有稳定性、经济性、耐久性等特点，目前在我国的水工建筑中应用比较广泛，但由于我国混凝土结构应用于水利工程的时间并不长，而且相关经验也比较少，所以在具体进行施工的过程中，可能会遇到一些问题，比如混凝土材料的配比问题、岔管设计不当问题、衬砌渗漏问题、围岩结构的稳定性问题、温度湿度的控制问题以及混凝土养护问题等等。这些问题一定程度上源于水利工程项目的基础资料的不详实以及前期对项目所在地的勘查工作不够细致。因此混凝土结构设计的前提是要保证基础资料的真实、准确和完整。

2.2.1材料配比问题

混凝土是由粗骨料、细骨料、水泥、水等多种原料搅拌振捣而成的复合建筑材料，有时为了具体施工的需要还会添加各种混凝土添加剂，比如引气剂、缓凝剂、速凝剂等。在实际施工过程中，根据不同的施工要求，对于混凝土的各种材料的配比也各不相同，比如水分的增加，而水泥减少，则会导致最终配置的混凝土标号降低，在施工中出现麻面和气孔等情况，进而影响混凝土结构的安全性。

2.2.2岔管设计问题

由于我国目前还没有比较完善的岔管设计规范，这使得施工人员很难把握岔管设计的承压能力，特别是在地形地貌比较复杂的情况下，经常出现设计不合理的状况，甚至对水利工程建筑物的整体安全性与可靠性造成影响。

2.2.3衬砌渗漏问题

衬砌渗漏的主要原因是由于混凝土结构产生了裂缝，如果不能有效解决渗漏问题，将会对水利工程建筑物造成严重影响，裂缝问题主要由以下几个原因引起。

（1）混凝土模板设计的不合理，在进行模板的安装和拆卸工作时，没有按照标准流程和规范标准进行。

（2）通道位置设计问题，在通道施工的过程中，通道上方出现沉降就会对衬砌产生较大压力，导致混凝土裂缝出现。

（3）混凝土运输时间过长，混凝土的和易性受到影响，没有严格按照初凝和终凝时间对混凝土进行养护。混凝土使用前，没有充分搅拌和振捣，造成离析，影响混凝土结构的稳定性。

（4）混凝土没有进行科学的养护。混凝土标准的养护时间为28d，湿度不低于95%。在混凝土养护的过程中，要重点加强对温度和湿度的控制，减少混凝土表面暴露时间，防止水分快速蒸发。把混凝土的里表温差和表面降温速度控制在合理的范围内，最终达到控制混凝土结构质量，优化混凝土结构设计的目的。

2.2.4衬砌的优化设计

衬砌设计过程中，设计人员要根据工程设计要求和围岩承载力来确定衬砌方式。衬砌可分为开裂和抗裂两种，通过衬砌与围岩进行联合作用模拟，形成二次应力，把衬砌配筋量控制在合理的范围内，达到最佳支撑效果。

2.2.5大体积混凝土温度和湿度问题

对于水工建筑大体积混凝土结构的温度计算主要包括应力、抗裂性、温度场三个方面。一般运用限元法和差分法进行应力计算与温度场计算，在应力计算的过程中，要综合考虑混凝土变化而产生的应力松弛问题。不同配比的情况下需要进行试验值与计算值的比较分析。

3　提升水工建筑结构设计水平的建议

3.1　确保相关设计资料的完整性、准确性和系统性

水工建筑设计人员要不断提升自身的专业水平与综合素质，并综合各种基础资料和项目所在地的实际情况来进行建筑结构设计。在进行水利工程建筑结构设计时，基础资料的完整和准确对水利工程设计起到了关键作用，只有在设计人员对项目所在地的地形地貌、气候条件、生态环境、周边居民的生产生活等各种因素进行详细的调查和分析的情况下，才能有效提升水工建筑的设计水平。

3.2　加强监管工作

水工建筑结构设计要严格按照国家相关规范和强制性标准来进行，相关管理部门要对水工项目加强监督和管理，设计文件要及时报相关部门进行审批备案。

4　结语

综上所述，由于水利工程对于人类社会的生产生活和生态环境改善具有重要作用，社会各界对于水利工程项目的关注程度在不断提高，水利工程建筑在项目设计与施工中还存在一些问题，需要进一步的研究和探讨以及相关技术的不断提高和完善，进一步促进我国的水利事业发展，为构建环境友好型、资源节约型社会提供基本保障。

[1]朱建生.水工建筑结构设计关键问题探讨[J].河南水利与南水北调，2018，47（01）：62～63.

[2]马光怡.水利工程建筑物结构设计存在的问题及对策[J].黑龙江科技信息，2017（12）：223.