水工建筑物结构设计的关键问题

石从浩，曹　庭，杨　柳

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

我国水工建筑物结构设计十分重视水工建筑物的功能性和人文性。而安全性是水工建筑物结构设计的首要问题。因此，在水工建筑物结构设计的时候，应首先考虑水工建筑物结构的安全性，在确保安全性的基础上追求水工建筑物结构的功能性和人文性。水工建筑的综合性较强，需要运用大量的跨学科知识，要求水工结构设计人员具备充足的设计知识和丰富的设计经验。然而现阶段，受多种因素影响，很多水工建筑物结构设计中仍存在着工程勘探不到位、缺乏长远规划、数据资料不健全等问题，严重影响结构设计的质量。针对这些问题，设计人员要积极探索水工建筑物结构设计中的关键问题及策略。研究水工建筑物结构设计的关键问题不仅能够有效提高水工建筑物结构质量，而且对水工建筑的发展意义深刻。

1　水工建筑物的特点

首先，水工建筑物受自然条件的影响较大，地质、气象、水文、地形等都会对水工建筑物的施工、选址、投资等产生巨大影响；其次，水工建筑物的工作条件比较复杂，需要承受较大的水压力。同时，水渗透过程中产生的渗透压会影响水工建筑物的强度和稳定性；再次，水工建筑物的施工难度较大，需要妥善安排施工截流、施工导流、工期度汛等工作。同时，水工建筑物的地基处理需要复杂的地下水工程施工技术和地下工程技术；最后，水工建筑物具有较高的安全要求，如果挡水建筑物失事将会导致下游的洪水灾害。

2　结构设计的意义

水工建筑物结构设计是水工建设的关键，直接影响着水工建筑物的建设质量。在明确了水利工程自身对建筑结构中一系列专业设施的要求后，才能进行建筑结构的总体设计，并在设计的过程中坚决贯彻落实国家对于水工建筑所颁布的相关明文规定与操作的规范[1]。因此，在水工建筑物建设之前需要设计人员对水工建筑物的结构进行设计。并且，结构设计需要做好水工建筑物统筹工作，全面考虑水工建筑项目的环境情况和工程实际情况。只有确保完善的水工建筑物结构设计才能够有效提高施工质量，降低水工建筑物施工成本。

3　结构设计存在的问题

3.1　工程勘探工作不到位

在水工建筑物施工之前需要详细勘察水工建筑物的施工地点，找出施工准备工作中存在的不足，并及时完善，优化水工建筑物施工。然而，现阶段很多建筑单位在水工建筑物施工的过程中缺乏对工程勘探的重视，没有落实工程勘探工作。同时，我国的水工建筑勘探技术水平较低，勘探效果不明显。还有一些水工建筑单位的勘探工作难以顺利开展，无法有效控制工程成本预算，导致水工建筑物建设后期资金不足，严重影响水工建筑物施工。

3.2　结构设计标准不明确

结构设计的标准直接影响着水工建筑物结构设计的质量，过高或过低的设计标准都会对结构设计产生不良影响。如果结构设计标准过高，结构设计会不符合水工建筑工程的实际要求，提高成本，造成资金和资源浪费。如果设计标准过低，难以满足水工建筑的实际需求，将严重影响水工建筑项目功效的发挥，工程质量难以保障，甚至会威胁工程保护区人民的生命和财产安全。另外，还有一些工程单位没有按照水工建筑工程的规模、工程区域环境等资料信息实际确定结构设计标准，结构设计标准不明确。

3.3　数据资料不健全

设计师在对水工建筑物进行结构设计之前需要收集水工建筑物的地质资料、气候资料、水文资料等。只有充足的地质、气候和水文资料才能够根据水工建筑物所在地的实际情况进行结构设计。然而，有些水工建筑物的地理位置十分偏僻，气候环境较差，资料搜集十分困难，无法搜集到全部资料，甚至会搜集到错误的资料，严重影响结构设计的准确性与科学性。

3.4　缺乏长远规划

水工建筑物的结构设计十分复杂，设计要求较高，需要建设单位和设计师进行长远规划。然而，有些建设单位在结构设计过程中没有对结构设计进行长远规划，忽视了水工建筑物的远期使用，没有长远规划水工建筑物的经济性和安全性，导致结构设计质量较差，严重影响水工建筑物的建设。

4　结构设计的关键问题

4.1　整体设计

4.1.1总平面设计

总平面设计主要包括水工建筑物的配套设施设计和主体建筑物设计。其中，主体建筑物主要包括大坝、水闸等。配套设施主要包括管理用房、生活用房、工程绿化等。以泵站设计为例，泵站设计主要包括泵房、办公楼、配电房、车库、员工宿舍等建筑物设计。传统的水工结构设计仅仅对工程位置图进行设计，缺乏对工程环境和配套建筑的相关设计，忽视了对水工建筑物的全局布置。现代化的结构设计不仅能够有效满足水利设备的功能需求，而且能够合理搭配建筑物的功能，增强水工建筑工程结构设计的整体性。

4.1.2建筑平面设计

建筑平面设计是水工建筑结构设计的重要组成部分，设计人员应积极明确平面设计的形式，确保平面设计能够满足施工规范和总体布置。具体来讲，水工建筑平面设计需要按照设计规范进行，并对水工建筑的多方面要求进行探讨，得出最优的布置方案。建筑艺术与水工结构设计是相互促进、相互提高的过程，只有确保结构设计与建筑艺术的协调性，才能够优化水工建筑结构设计效果，确保水工建筑质量。

4.1.3造型设计

造型设计是水工建筑结构设计的重要内容，反映了水工建筑文化内涵与建筑风格。在实际造型设计的过程中，设计人员应对水工建筑的周边环境进行全面考察，并将传统设计方式与现代化的设计方式相结合。同时，在结构设计的过程中，设计人员应避免为追求时尚而造成低级趣味的设计。另外，水工建筑结构设计应注重个性的打造，避免千篇一律的建筑造型。

4.1.4建筑材料

建筑材料直接影响着水工建筑结构的色彩与感官效果，在水工建筑过程中不能仅仅考虑建筑效果而忽视建筑质量。水工建筑多处于空旷的位置，很容易受到风沙的侵蚀而出现脱落、坑洼、干化等现象。水工建筑结构设计需要充分考虑水工建筑物的耐风程度和耐水性，应选择耐风性和耐水性较强的建筑材料。

4.2　混凝土结构设计

4.2.1确定混凝土结构极限

混凝土结构极限主要包括正常使用和承载能力。承载能力主要指混凝土强度超过破坏的承载力。水工建筑物混凝土设计必须确保混凝土的承载力，根据混凝土的承载力来进行建筑结构设计，确保建筑结构压力在混凝土承载范围之内，不能突破混凝土结构的极限，否则，混凝土结构会产生裂缝，严重影响水工建筑物的质量。

4.2.2控制裂缝

裂缝控制是混凝土结构设计的重要问题，很多水工建筑物的裂缝是由于混凝土结构设计不合理导致的。针对这种情况，设计人员应加强裂缝控制，杜绝裂缝产生的根源。具体来讲，设计人员应综合考虑水工建筑的所处环境、混凝土的荷载性质、建筑构件受力性质、钢筋种类、混凝土结构等。尤其是在冬季进行混凝土施工时，如果环境气温不低于零度，做好混凝土的常规保温即可；如在负温下(最低温度低于-5 ℃)的环境条件下进行混凝土浇筑施工，应重视混凝土的早期防冻防裂[2]。此外，不同安全等级的混凝土结构的耐久性指标也不相同。现阶段，水工建筑裂缝控制仅适用于弯拉构件，然而很多水工建筑物的结构都属于非杆件系统，混凝土裂缝控制难度较大。

4.3　水闸设计

4.3.1消力池排水孔

消力池排水是水闸设计的重要环节，为了降低消力池底部的渗透压力，设计人员可以在消力池水平护坦设置垂直排水孔，这样当水流出水闸之后，会平稳地流向消力池底板，减小消力池底板的渗透压力。排水孔应设计在底板的后半段，避免水流从排水孔中吸出而掏空底板。

4.3.2止水伸缩缝

在水工建筑使用过程中，止水伸缩缝会因为建筑施工、建筑设计、建筑材料等因素的影响而出现渗漏现象。具体来讲，施工过程中经常出现止水片上的油渍、水泥渣等污物没有清理干净的现象，导致混凝土与止水片结合不好而引发渗漏。针对这种现象，水工建筑施工人员应在模板上涂抹脱模剂，彻底清理水晶片上的油渍、水泥渣等污物。另外，如果止水片上有针孔、砂眼等杂物会导致止水片与混凝土之间的接缝不牢固，伸缩缝渗漏。因此，在止水片采购过程中，采购人员应严格控制止水片的质量、性能、规格和品种，确保止水片能够满足工程要求。

5　结构设计的策略

5.1　明确设计标准

水工建筑结构设计应积极明确设计标准，根据水工建筑物的规模、类别、效益等来对其结构设计的标准予以科学设定，保证结构设计标准符合水工建筑物的施工要求和质量要求，降低水工建筑成本，节约水工建筑资源，在确保水工建筑物质量的基础上进行结构设计。

5.2　完善图纸审查

图纸审查是确保水工建筑物质量的重要手段，现阶段，很多水工建筑单位的图纸审查仍处于起步阶段，图纸审查技术水平较低，审查工作有待规范。针对这种情况，水工建筑单位应积极完善图纸审查工作，开展系统性、规范性的图纸审查，确保图纸质量。水工建筑单位应不断积累图纸审查经验，提高图纸审查技术水平，增强图纸审查工作的科学性。

5.3　优化水工建筑结构节能设计

节能设计是水工建筑结构设计的重要发展趋势，水工建筑结构设计人员应加强对水工建筑的节能设计，从用电设备、用电品种、工程设计等各方面进行节能设计，严格根据国家的技术标准、技术规范合理分析水工建筑的节能效果，确定水工建筑节能措施。

5.4　强化项目管理

项目管理直接影响着水工建筑物的实用性和安全性，因此，在结构设计过程中，工程管理人员应做好项目管理工作，核实水工建筑的规模和资金预算，了解水工建筑物的类型、结构、运行条件、建造标准、工程等级等，严格按照国家的规定进行项目管理和结构设计，确保结构设计质量。