研究水利工程建筑物结构设计关键问题

许江莲

（贵州省思南县水务局，贵州 铜仁 565100）

0 引言

近年来，水利工程建设投资力度不断增强。2022 年全国累计落实水利建设投资11564 亿元；全国完成水利建设投资达到10893 亿元，比2021 年增长44%，首次突破1 万亿元关口。下一步，水利部将加快构建高质量现代化水利基础设施体系。此背景下，深入分析水利工程建筑物结构设计方法，有着重要的意义。

1 水利工程建筑物结构设计要求

建筑物结构设计需要结合水利工程所处的环境条件，做好深度分析，结合实际情况开展设计。结构设计力求实现以下要求：①安全。水利工程建筑物结构设计必须要保证安全性，避免结构设计不合理影响引发安全隐患和问题。②质量。认真分析不同结构形式的应用效果，以保证建筑物质量为前提，优选具有经济性的结构设计方案，指导相关工作的开展。

2 水利工程建筑物结构设计实例分析

2.1 案例概述

以某水利工程项目为例，水库总供水量为350.8 万m3，下放生态用水60.3 万m3。建筑物工程主要包括大坝、溢洪道以及输水管道等，临时建筑物包括导流建筑物与围堰等。本次工程为小型水利工程项目，按照4 级建筑物开展设计。碾压混凝土重力坝为4 级、溢洪道为4级、取水兼放空管道为4 级、消能防冲建筑物为4 级、混凝土面板坝为4 级、溢洪道为4 级、取水兼放空隧洞为4 级、输水管道为4 级、水池为4 级、坝址导流建筑物为5 级、其他临时建筑物为5 级。

2.2 大坝结构设计

本次工程设计中，大坝结构设计主要遵循《防洪标准》（GB 50201—2014）等，结合勘察调查的资料，进行结构的设计。在具体设计方面，提出以下方案。

2.2.1 坝顶

水利工程建设后，大坝坝体并不是重要交通通道，但是坝顶的宽度要求适宜，保证工程施工期间混凝土填筑作业的需求得到满足，并且还要具备闸门安装和大坝运行观测等条件。通过综合分析，结合现场的条件，坝顶宽度设计为6.0m。大坝工程设计为碾压混凝土重力坝，坝轴线方位角为N81.81°W，坝顶、坝底分别为1395.00m、1341.00m，最大坝高为54.00m，坝轴线长度为162.076m。

本次大坝坝顶的上游位置，还建设了混凝土防浪墙；下游位置建设了栏杆，设计高度为1.2m。从具体布置的角度分析，右岸和永久上坝公路进行连接，左岸和料场上坝公路进行连接。根据大坝基础灌浆和大坝监测的相关要求，综合考虑各类外界因素，包括坝体碾压层厚和时间安排等，优化设计方案。在1347.00m 高程位置建设廊道，当作基础灌浆廊道，右岸沿着坝体基面上升到1377.0m 高程，左岸沿着坝基面上升到1378.0m高程。设计的廊道为城门洞形状，宽×高尺寸大小为3m×3.5m，帷幕灌浆设计为垂直灌浆孔。

按照设计的标准，本次大坝确定为4 级建筑物，重力坝按照30 年一遇洪水设计以及200 年一遇洪水校核的控制工况，结合水利工程现场的情况确定坝顶高程。设计的方案中，根据调洪计算结果进行分析，最终确定大坝设计洪水位和校核洪水位分别为1393.86m、1394.50m，正常蓄水位为1392.0m，坝顶高程设计为1349.24m。

2.2.2 坝体

从水利工程建设实际分析，大坝的排水系统组成，主要为坝身排水孔与坝基排水孔。本次项目中，坝基排水孔选择的位置为1347.00mm 高程大坝帷幕下游侧以及廊道下游侧，采取的布置方案为沿着排水沟设置，钻孔深度设计为帷幕深度的0.5 倍，钻孔倾向下游，倾角为10°。在具体施工时，对于排水孔的布置要求间距控制为3m，孔径大小设置为100mm。坝身排水引入1347.00m 高程廊道内，实现对水的汇集处理，集中到水井内利用水泵抽排，排放到下游河道。工程施工环节，完成固结灌浆与帷幕灌浆等施工内容后，开展排水孔钻孔作业，要求做好整个操作过程的控制，不可以使得水泥浆和其他杂物进入排水孔内部，影响到排水通道的运行效果。结束作业后，做好排水钻孔出口位置的清理，确保排水通道正常运行[1]。

2.2.3 大坝标准剖面

从工程建设实际分析，严格遵循《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2016）开展设计。对于坝体断面的设计，采用的是材料力学法，以及刚体极限平衡法。为保证断面的有效性，要求保证坝体和坝基的稳定性和应力，都达到相应的条件。经过综合分析，本次大坝设计中坝体基本断面设计为三角形。对于坝体的上游坝坡优化范围设定为0~0.20；下游坝坡的优化区间设定为0.6~0.8。为保证断面设计方案的科学合理性，还根据坝坡的结构特点，合理选择断面优化参数，精准计算获得坝坡的高程数值，同时还需要结合单位宽度，获得相对准确的设计参数。经过综合分析后，将坝体基本断面的设计参数确定为以下内容：①上游面。对于1370.00m高程以下位置，坡度设计为1:0.2；1370.00m 高程位置以上位置，设计为铅直面。②下游坝坡1:0.8，起坡点高程设计为1388.57m。

2.2.4 坝体分缝与止水设计

从水利工程建筑物的设计实际分析，大坝的混凝土分缝应该结合坝基的条件，以及结构布置和施工浇筑条件等，进行综合分析后确定，进而为建筑物建设提供依据支持。经过综合分析后，坝体选择为碾压混凝土坝，不设置纵缝。对于诱导缝与横缝，需结合碾压混凝土的特点，经过综合分析后设计。根据以往的工程经验，本次工程设置的坝体分缝主要如下。

（1）坝0+033.414。

（2）坝0+063.414。

（3）坝0+073.414。

（4）坝0+088.914。

（5）坝0+107.914。

（6）坝0+127.914。

整个坝体总计分为7 个坝段，长度大约为20~35m。在具体施工中，诱导缝设计为切缝机切缝作业，要求保证切缝面积是缝面面积的2 或3 倍。大坝选择横缝位置，分为左右两个仓面通仓开展碾压作业。本次工程设计的坝体上游面积很大，极易受到天气因素的影响，如寒潮等，给混凝土浇注作业质量带来影响，使得混凝土降温收缩，产生相应的拉应力，进而产生混凝土裂缝，影响到大坝的使用性能，因此要做好保温保湿[2]。

水利工程建筑物的上游坝面横缝内部，总计设置了2 道“U”型紫铜片止水。在具体设计中，第一道止水要求和上游坝面距离保持为1m，并且设置的止水片距离控制为0.75m。此外，选择溢流坝下游溢流面横缝内部设置一道，将止水片和坝面的距离控制为1m。对于穿过溢流坝中部施工横缝的廊道周围，要求设置塑料止水，进而保障建设的质量[3]。

3 水利工程建筑物结构设计的策略

3.1 注重前期资料的调查

水利工程建筑物结构设计中，为保证结构设计的科学合理性，需做好前期的勘察调查，掌握完整的资料信息，助力结构设计工作的开展。根据结构设计的需求，编制科学合理的勘察调查作业方案，组织专门的工作人员，负责开展水利工程建筑物施工现场的调查，掌握地势地形与气候条件等基本资料，并且积极搜集同类型的水利工程资料，保障建筑物结构设计信息的完整性，为水利建设提供支持。设计人员要充分利用勘察调查资料，进行深度分析，识别建筑物建设可能遇到的挑战和难题，提出设计优化的措施，为相关工作的开展提供支持，保障建筑物结构设计的科学合理性，避免出现设计不合理的情况[4]。

3.2 提高结构设计的重视度

水利工程建筑物结构设计工作的质量高低，关系到结构建设的质量，且会影响到后期的安全稳定运行，因此要注重结构设计方案科学合理性的把握。作为设计人员要充分认识到此项工作的重要性，并且要做好设计规范和标准的分析，精准把握设计要求，结合建筑物的设计实际情况，提出科学合理的结构设计方案，指导水利工程建筑物高质量建设，保障建筑结构的性能。一般来说，建筑混凝土结构中，极限承载力为强度值，其与破坏混凝土结构相接近[5]。如果出现结构变形，那么会直接影响到水利工程建筑物整体的稳定性和安全性。在进行结构设计时，保证结构极限设计的合理性，可有效处理建筑物极限承载力，进而保护结构的安全性。在进行设计时，结合极限承载力的数据信息，限制最大拉应力，进而达到极限状态，实现对结构性能的控制。除此之外，还要注重裂缝的有效防范和应对，综合包括环境条件和钢筋类型等，做好综合分析，保证结构的安全性，延长建筑物使用寿命[6]。

3.3 使用现代化软件辅助设计

水利工程建筑物结构设计实践中，利用现代化软件辅助设计工作的开展，可提高设计的质量和水平。例如，对于梁板柱等杆系结构，传统的设计模式下，可以将复杂的三维空间结构离散化，以单体结构的形式，使用建筑物结构工具箱或者工具，辅助结构设计工作的开展，可以简化计算流程，可以满足一定的设计规范需求，但是无法全面反映结构的实际受力情况，且结构设计工作的效率不高。此外，使用的部分计算工具，缺少开发部分参数的设置，仅仅是可以提供粗略的计算模型，很容易出现水利工程建筑物结构设计不合理的问题，带来一定的安全隐患。计算机技术的快速发展应用，涌现出很多软硬件，使用结构分析软件，辅助水利工程建筑物结构设计计算，成为主流趋势。为了满足水利基础设计的需求，涌现出很多新的设计产品，如PKPM 和YJK 等，能够为设计工作的开展提供支持，提高水利工程建筑物结构设计的效率和质量。充分利用三维设计模型，辅助水利工程建筑物结构设计，可以实现数据信息的精准计算，还能够全面提高设计的水平，支持设计成果的可视化，助力相关工作的开展，避免各类问题的出现。例如，利用BIM 技术。水利工程在应用传统设计的过程中，主要通过平面图、立面图、剖面图等进行工作，采用BIM 设计，可以将主要的工作放在三维模型内容上，利用水利工程三维模型，开展水利工程结构设计，可提高整个布置的合理性。需要注意的是，为有效发挥BIM 技术的应用价值，设计人员必须要清楚地表达自己的设计意图和关注的内容，设计完成后还需要由专业的校审工作人员进行批注，批注后设计师在根据批注的意见进行修改，合格后才能进行后续的工作[7]。设计人员要结合水利工程建筑物结构设计内容和特点，选择适合的设计工具，辅助设计工作的高质量开展，优化结构设计方案。为保证设计软件的使用效果，设计人员需要积极主动学习相关方法，掌握各类工具的使用流程和要点，助力水利工程建筑物结构设计的高质量开展，避免相关问题的出现。

3.4 注重结构设计的优化

水利工程建筑物结构设计实践中，要求注重结构设计的优化，全面提高设计方案的质量，指导建筑物高质量建设，全面提高建筑物的建造水平[8]。对提出的结构方案，围绕可行性、经济性等多个方面，做好全面严格的分析，保障结构设计方案的质量，优选设计方案，助力建筑物高质量建设，防范设计问题的出现影响到水利工程建筑物建设质量。为保障水利工程建筑物建造的质量，完成水利工程建筑物结构设计后，还要做好设计方案的技术交底，促使施工人员可以精准把握结构设计方案的意图和内容，高质量推进建筑物建设，避免各类质量问题的出现。在进行建筑物施工时，严格按照设计图纸和要求，组织开展建筑物施工作业，避免出现施工错误，影响到工程的效益[9]。通过采取全面严格的控制措施，最大程度上保证水利建筑物的建造质量，防范各类问题的出现，高质量推进各项工作。加强对工程施工的质量控制，打造精品水利工程建筑，有效发挥水利工程的作用。

4 结语

综上所述，水利工程建筑物结构设计工作的开展，需做好事前的勘察调查，掌握完整的资料，按照设计标准和规范，采用适宜的设计软件，辅助结构设计分析，形成高质量的设计方案，指导建筑建设工作的开展。文中结合实例，对水利工程建筑物结构设计内容进行分析，提出了结构设计的方法，以期为相关人员提供参考借鉴。