对水利工程建筑物结构设计关键问题的研究

对水利工程建筑物结构设计关键问题的研究
摘要：水利工程建筑物结构设计作为国家基础建设中的重要组成部分，针对其特殊的功能设计，将成为水利工程建筑物结构设计功能正常实现的保障。

笔者根据多年经验在文章中尝试阐述一下对水利工程结构设计中的关键问题的见解。

关键词：水利工程；结构设计；混凝土
就我国现阶段的情况而言，大多数水利工程都以钢筋混凝土结构的形式为主：就普通的水工建筑结构而言，建筑结构的荷载称重和防渗功能等主要都是由混凝土结构承担的，由此可以看出，混凝土结构在水利工程建筑物结构设计中时尤为重要的。

本文就混凝土材料和其他新型的结构材料进行分析。

1 水利工程建筑物混凝土结构的设计
传统的混凝土结构设计以强度设计为主要特点，而水利工程建筑设计中混凝土结构的设计不仅要注重结构强度设计，还要考虑建筑结构在长期使用过程中，由于地下水压和水环境作用造成的结构腐蚀或者结构破坏对水利工程建筑物的结构性能和适用性的严重影响。

为了能够尽可能的完善水利工程建筑物的结构设计来延长结构的使用寿命，必须要对混凝土结构设计进行改进和优化。

水利工程建筑物结构设计应该严格的遵守、地区和行业标准的规定，在进行水利工程建筑物结构设计时，要为了后续工作提供可实施性，这就要求在设计的时候应该预留足够的工作面。

在这里值得一提的是，水利工程建筑物在使用的过程中，由于水下环境的影响而造成的破
坏是不可避免的，设计者和施工者只能尽力的将这种遭到破坏的可能性，和可能遭到破坏的严重程度降到最低。

因此，设计者在设计过程中选择建筑使用材料的时候，一定要考虑到材料的抗腐蚀能力和抗老化性来确保水利工程建筑物的安全性能、稳定性能和使用功能。

2 解析水利工程混凝土结构的特性
水利工程建筑物结构用的混凝土是混凝土中带有许多特殊因素的。

若是将一般的混凝土结构设计理论运用到对水利工程建筑物的结构设计中，是存在很多无法解决的问题的。

因为水利工程建筑物结构所用的混凝土必须要求具有下面的五个特性：
2.1 结构尺寸偏大，一般都是大体积的结构或者跨高比很小的短杆件。

2.2 为了满足水工混凝土的强度需要，配筋率一般要小于普通混凝土结构设计理论中规定的最小配筋率，但是所需的配筋量仍然是很大的。

2.3 由于体积越大的混凝土结构的水泥水化热越大，在外界温度发生改变的时候，就不可避免的会发生温度裂缝。

所以，为了限制这些裂缝的宽度，就需要配置较多的温度钢筋。

2.4 结构有一部分是全部浸没在水中的，有的是处于承压的状态，而还有一部分是处于干湿交替的状态，所以为了避免结构出现佘楼、冻融、冲刷气蚀等情况的发生，应该更加重视结构的耐久性。

2.5 在水利工程建筑物的结构中有不少是非杆件体系，这些体系
不能进行弯、压、拉等极限活动，所以不能按照极限强度理论进行配筋分析。

为了适应水利工程建筑物结构的这种特殊性质，我国曾经做过深入的探索研究，并且得到了很大的进展。

3 分析水利工程建筑物结构的可靠度
水利工程建筑物结构的统一标准已经规定了结构设计必须采用近似概率法为基础所建立的可靠度理论。

但是在运用这一理论时，必须要充分地注意到水利工程建筑物混凝土结构的某些特性。

例如：
3.1 水利工程大体积混凝土的强度和实验室试验时候的强度差异就比工民建的混凝土更大。

其中应该就尺寸效应、持久强度和水饱和强度降低以及后期强度的增长要等因素造成的混凝土强度不定性进行研究。

水利工程中的主要荷载的测量和统计工作还有待遇进一步提高。

例如如土压力、围岩压力、渗透压力、地基反力等这些荷载还是要用理论公式进行计算的，所以和实际测量值还是存在差异的。

有些荷载还具有人工控制的特点，如有溢洪或闸门设施时的挡水压力，就具有确定的上下限，它的分布概型就具有很大特殊性。

3.2 水工中荷载与荷载效应之间的关系常随所采用的分析方法的不同而有根本性的差别。

因此计算简图正确程度的不定性将严重影响结构实有的可靠指标。

但这种不定性目前还难于统计分析。

3.3 房屋建筑或桥梁工程等失事后果仅在于建筑物本身以及本身范围内的人身及经济损失。

但挡水大坝等水工建筑物失事后将危
及下游广大范围内的村镇及农田，其损失远大于建筑物本身。

因此对这种会导致严重后果的结构是不能用一个结构重要性系数并简
单地取λο=1.1就能了事的。

在它的可靠指标分析中应该把造成后果的严重程度考虑在内。

目前，水工统一标准（初稿）把水工建筑物的安全等级也类似房屋建筑那样分为三级，分别取λο=1.1，1.0，0.9。

但水工中的大型建筑物如葛洲坝、刘家峡工程与一些小型渠系涵管之间，其失事后果严重性的差别，决不是1.0，0.9之比。

我们认为水工建筑物的安全等级宜分为五级，对于挡水建筑可分属于1，2，3个级别，对于一般钢筋混凝土结构构件则可分属于3，4，5三个级别。

因为最重要的钢筋混凝土构件也无法与3级挡水闸坝相比。

4 水工混凝土结构的耐久性
过去，工程技术人员所关心的常常只是工程的设计和建造。

但工程结构在长期使用过程中会逐渐损坏这一客观规律迫使人们把注
意力转向已建结构的可靠性评估及维修加固技术方面来。

人们除了关心工程的初始造价外，还应从大系统出发考虑工程的维护费用及遇到风险时的损失期望值。

这方面的研究已成为结构工程学科发展的重要分支。

目前，国内不少50年代的建筑物，已进入“老年期”，对其继续使用寿命作出鉴定和书评估，以及采取最佳的加固补救技术是十分重要的。

混凝土建筑的病害比房屋建筑严重得多，除混凝土碳化钢筋诱蚀引起顺筋开裂外，还有冻融、低强度风化、渗漏、冲刷气蚀、
水质侵蚀、碱骨料反应等严重病害。

仅“七五”期间，部属大中型水电工程需要修补的就耗资数亿元。

但目前水工钢筋混凝土设计规范中，对耐久性还只以荷载直接作用下的受力裂缝的宽度作为衡量的指标，这显然是很不全面的。

有关于水工建筑物的调查显示：967根构件中因钢筋锈蚀顺筋开裂（先锈后裂）的占56%，但未发现一根是由于受力裂缝（横向裂缝）引起的。

钢筋混凝土构件的耐久性主要决定于保护层厚度、水泥品种和讯量、水灰比、结构类型、施工质量、表面防护等。

大体积混凝土结构则还与混凝土强度、抗冻性、抗渗性、抗腐蚀性和抗冲刷能力等有关。

因此，在设计阶段就应该把这些因素加入进去加以考虑，以改变设计人员只重视强度的片面观。

综上所述，水工结构设计现在是越来越规范化、标准化、科学化。

但在相关领域要更进一步，而如何更好地深入发展和应用仍是一项重大课题。

这就需要工程设计人员、科研人员共同努力，使之趋于完善。

参考文献
[1]国家标准.水工结构设计可靠度统一标准（初稿），2007.
[2]吴世伟.结构可靠度分析[m].北京：人民交通出版社，2006.
[3]dl/t 5057-96，水工混凝土结构设计规范[s].北京：中国电力出版社，2008.。