水工混凝土结构设计存在的问题与对策分析

代玉华

(喀左县农村人畜饮水办公室，辽宁 喀左 122300)

水工混凝土结构设计是实现项目成本、安全、进度、质量等预期目标的关键，在很大程度上决定着工程的整体质量状况，一般涉及建筑、机电、水利等多个专业[1]。然而，水工结构尚存在一些问题，如适用性差、耐久性低等，对水利工程的正常运行造成不利影响，必须采取有效的措施提升其质量。一般地，水工混凝土结构具有体积大、跨度较小、结构复杂、配筋率低、所需钢筋数量多等特点[2]。水化过程中会释放巨大的热量，当外界温度发生变化时会产生一些温度裂缝，对此要适当增加温度钢筋的配置；部分结构处于承压状态或完全进入水中，对结构抗冻性和耐久性要求较高；水工结构作为一种非杠杆体系，在配筋计算和极限强度分析时涉及参数多，计算过程复杂。关于水工混凝土结构，国内外诸多学者利用有限元分析法开展了深入研究，但仍无法准确描述载荷效应、温度作用等不确定因素，混凝土开裂后无法保证强度，水工结构设计时少筋混凝土理论不再适用[3-4]。

1 结构设计原则

1.1 原材料检验

水工混凝土主要包括水泥、砂、碎石、外加剂等原材料，为保证结构质量必须先检测原材料性能，在确保各项参数符合设计规范要求时才能投入使用。粗细骨料中有害物质的存在使得水泥水化时胶体与骨料的黏结较差，降低混凝土强度，为减少水化热以及提高混凝土的流动性大多掺入粉煤灰或早强剂。

此外，配合比设计是混凝土配置的重要环节，应结合现场实际需求由专业技术人员调试配合比，最终确定符合使用要求的原材料配比。实际工程中，一般利用现场干炒法测试砂子的含水率，并对混凝土配合比按照测定的含水率做适当的优化调整。

1.2 极限承载力

水工混凝土极限承载力是指结构严重变形无法继续承载或超出材料强度的最大承载力，一般以受压破坏极限值作为挡水结构的设计依据，结构所承受的最大压应力要低于设定的应力现值。因此，为有效控制水工混凝土裂缝，在结构设计时要对结构的不连续点进行测定，从而更加精准的判断其极限应力状态。

1.3 裂缝控制

水工混凝土结构设计对裂缝控制有明确的要求，为防止裂缝的出现必须保证结构的整体承载力，综合考虑水压力、荷载性质、地下水位等因素变化，合理确定容许裂缝宽度。一般地，安全级别不同的水工结构其裂缝控制指标也不同。

裂缝控制通常适用于现代工程中的标准弯拉构件，而大多数水工结构都属非常规构件，因此水工结构设计的要点和难点是对裂缝宽度的合理控制。通过评估构件的裂性，科学地设定裂缝，并结合断面作用力变化所引起的裂缝开度合理设定控制标准。裂缝控制时要注重钢筋与混凝土极限状态的合理设计。

现行规范对重要工程裂缝验算的有关规定较少，因此要结合实际情况采取针对性的处理措施，具体如下：(1)M≤Mcr条件下，水工结构设计可以不实行限裂验算；(2)M>Mcr且M≤Mcrk条件下，水工结构设计应符合Mcrk≤[Mcrk]要求；(3)Mk≤Mcrk条件下，水工结构设计应符合Mcrk≤[Mcrk]要求，其中Mcr、Mcrk、[Mcrk]为抗裂弯曲、抗裂弯矩设计值和允许抗裂弯矩。

2 水工混凝土结构设计常见问题

2.1 高强度钢筋的替换问题

水工混凝土结构设计规范提出，为保证框架塑性铰出现在梁内，不应该用高强度钢筋替代原设计材料，若特殊条件下需要替代时，为了不影响其正常使用必须遵循拉应力设计值等效替换原则。此外，裂缝宽度对构件产生较大影响时，还要对替代钢筋实行精准计算，确保其满足搭接长度、最小直径、锚固长度、设计间距等要求，从设计上满足工程结构要求。因此，虽然在质量、力学性能方面高强度钢筋较优，但应结合实际情况考虑其是否满足使用要求。

2.2 大直径钢筋的使用问题

有的部位受到结构形式限制而必须使用大直径钢筋，与普通材料不同的是单独使用大直径钢筋难以充分发挥其效应，因此必须利用一定的方法使其相互连接。然而，混凝土保护层在连接处较薄，这对结构的安全性造成不利影响。此外，大直径钢筋会降低相邻钢筋的间距，导致混凝土振捣不密实，搭接处极易出现裂缝，进而加速钢筋的锈蚀和混凝土开裂脱落等。因此，对大直径钢筋的使用要求较高，连接时通常选用对焊的方式，一般不用绑扎连接，若搭接不当会增大施工难度，建成后再处理搭接问题还会造成人力物力财力的极大浪费，处理不好甚至还会带来安全隐患。

2.3 裂缝处理问题

一般地，对于已经出现裂缝的水工混凝土结构，若仅仅增加钢筋用量并不能解决彻底裂缝问题，必须处理好结构内部情况。结合相关规定，可利用直径较小的带肋钢筋缩小相互之间的间距，从而解决裂缝宽度超控制问题，提高结构的密实度和整体承载力。其中，以承载力计算所需纵向钢筋面积的30%作为钢筋截面面积增加的界限，若按以上要求处理后仍无法有效控制裂缝宽度，可以灵活应用其他措施加以弥补，综合考虑各种因素合理采用多种手段处理裂缝问题，提高结构整体稳固性。

2.4 高标号抗磨砼使用问题

水工混凝土主要有冲砂闸底板、泄洪、溢流坝面等过流面，受高速水流磨蚀、冲刷作用有压泄洪隧洞等结构往往出现钢筋外露、砼面磨损甚至断裂或冲坑等问题，对水工结构的安全运行造成严重影响。结合工程实践经验，有效提高砼抗磨能力的有效手段有适当添加外加剂、加强浇筑工艺控制、提高粗细骨料抗压强度和砼标号等，水工混凝土交付使用时要有较好的韧性、较小的收缩量和和足够的强度。

3 水工混凝土结构质量控制

3.1 严格执行相关设计规范

针对以强度设计为主的传统混凝土结构设计特点，水工混凝土结构设计既要考虑结构的强度设计，更要注重长期使用过程中水工结构受水下环境作用而引起的材料腐蚀，以及结构适用性和耐久性的影响，采取合理的设计方法最大程度的延长结构使用年限。

水工混凝土结构设计必须严格执行现行的地方标准、行业规范及国家相关法律法规，全面考虑正常使用阶段水工结构的维护管理和相关检测要求，在水工混凝土结构设计时预留足够的工作面，为后续运行维护和检测提供可实时性。然而，使用过程中水工混凝土不可避免的还会遭受各种病害，应最大程度地降低各种不利因素的影响。所以，在水工混凝土结构设计时还要考虑材料受老化、环境侵蚀等因素的影响，即遭受病害后仍要保证水工构件或结构具有足够的安全稳定性。

3.2 加强结构变形控制

水工混凝土结构普遍存在裂缝质量问题，在结构设计过程中应加强变形控制，具体措施如下：(1)科学合理地设计水工结构构造，在确保结构整体性的情况下合理设置变形缝；结构受力计算分析时要开展断面设计验算，如施工维修、超载、应力情况和正常使用阶段的抗裂验算等。(2)加强半成品、原材料的质量控制，在保证所用水泥安定性符合要求的同时，选用级配良好、含石粉或泥土比例在允许范围内的砂、石；通过试配试验确定混凝土配合比，结合现场实际情况可适当的调整、换算，水泥产品的水化热要符合施工现场环境温度变化要求。(3)强化施工管理，准确控制原材料配合比，配制过程中要拌和均匀、搅拌充分；大体积水工混凝土要应按照顺序分层、分段、分区浇筑施工，浇筑速度、振捣方式、浇筑方法要科学合理，保证混凝土充分振捣密实以及模板与插入式振捣器的最小间距，防止因模板过度变形而引起漏浆漏水的情况，完成浇筑后要及时养护。(4)施工过程中，要注意环境湿度剧烈变化对水工混凝土造成的影响，防止出现较大地基变形引起的沉陷裂缝。

3.3 混凝土冬季施工控制

若混凝土冬季施工时的环境气温不低于0℃，常规保温即可；若混凝土浇筑过程中的环境温度最低低于-5℃，应采取相应的早期防冻措施。(1)合理应用防冻剂：能够明显降低拌合水冰点，有利于控制混凝土内部结构早期和塑性状态的分水结冰膨胀，防止出现混凝土冻伤，一般条件下防冻剂对构件或结构的强度不会造成危害。(2)保温处理：混凝土冬季浇筑时尽量选用具有一定保温作用、密封性能较好的木板和胶合板等模板，在构件或结构表面再用泡沫保温板或草帘等保温材料覆盖，从而加速混凝土强度的提升。冬季施工时，混凝土易选用普通型或早强型硅酸盐水泥。

3.4 合理设计抗磨蚀方案

不同的水工建筑物运行方式，其选择的抗冲磨设计方案和标准不尽相同。一般地，可以减少间歇性运行结构的壁面抗磨蚀材料厚度，这是由于足够的检修时间可以适当降低设计标准，从而节约投资成本。

对于流速较大、费用占比较高、结构相对重要的水工建筑物，采用水弹性模型试验研究水流脉动壁压作用，合理设计结构形态，从而实现动态环境下水工结构共振的有效控制，从根本上解决流激振动所引起的破坏问题。此外，改进边界的轮廓形态为防止过流边壁发生冲磨最有效的措施。考虑到水头的影响作用，在水力计算和选择建筑物形式时要考虑动水压强沿程分布情况，通过限制测压管水头绝对值和负压范围实现水流空化数过小的间接控制。

4 结语

近年来，水利工程建设数量不断增多，水工混凝土结构设计是保证工程建设质量的重要环节。然而，由于现有设计规范和工程技术体系还不够完善，实际工程中还存在一些问题，为提高水工结构耐久性、安全性，必须综合考虑各种不利因素，严格执行相关设计规范，加强结构变形和混凝土冬季施工控制，合理设计抗冲磨方案等解决对策。随着科技的不断发展，还会有更多的途径和方法解决水工混凝土结构现存问题，未来也将有更多的新型技术用于实际工程，为促进水利事业发展和促进区域经济发展发挥更大的作用。