略议水工结构设计

　　摘要:水工结构作为国家基础建设中重要的组成部分,针对其特殊使用功能的设计,也将成为水工结构设计功能正常实现的保障。文章主要根据笔者多年来的工作经验，尝试阐述一下对水利工程结构设计的见解。
　　关键词：水利工程；水工结构；设计见解
　　0引言
　　大多数水利工程都以钢筋混凝土结构形式为主；就通常的水工建筑结构而言(如大坝、水闸、码头等建筑构筑物等)，建筑结构的荷载承重和防渗功能等均主要由混凝土结构承担，因此，混凝土结构的设计显得尤为重要。
　　1水工混凝土结构设计
　　针对传统的混凝土结构设计以强度设计为主的特点，水工混凝土建筑结构设计不仅要注重结构强度设计，还需要更多地考虑建筑结构在长期使用过程中由于水下环境作用引起的结构材料腐蚀对结构性能与适用性的影响,应尽可能通过合理的结构设计延长结构使用寿命。水工混凝土建筑结构的设计应严格按照现行的有关国家、地区及行业标准和规定执行,充分考虑建筑结构在正常使用阶段结构构件的相关检测和维护过程,在进行水工混凝土结构设计时,应预留足够的工作面为后续工作提供可实施性。值得指出的是,水工混凝土结构在使用过程中遭受病害是不可避免的,只是应将其程度降至最低水平。因此,在设计混凝土结构构件时,在考虑材料受环境侵蚀和老化对性能产生的影响后,还仍然要确保结构和构件存有足够的安全性和整体稳定性。
　　
　　2水工混凝土结构的特性
　　水工混凝土是混凝土学科中带有许多特殊性的领域。将一般混凝土结构设计理论用于水工混凝土结构,常会遇到不少无法解决的困难。水工混凝土结构的特殊性有如以下5个方面。
　　2.1结构尺寸较大,常为大体积结构,或为跨高比很小的短杆件。
　　2.2强度所需的配筋率小于一般混凝土结构设计理论中规定的最小配筋率,但其配筋量仍极大。
　　2.3大体积混凝土结构的水泥水化热较大,在外界温度变化时,常不可避免地发生温度裂缝。为限制裂缝宽度需配置较多的温度钢筋。
　　2.4结构有的全浸于水中,有的处于承压或干湿交替的状态,有的尚有渗漏、冻融或冲刷气蚀等作用,耐久性常成为水工混凝土的严重问题。
　　2.5不少结构为非杆件体系,无法象弯、压、拉等标准杆件那样按极限强度理论进行配筋分析。
　　为适应水工中这种大体积、低配筋和非杆件的特殊性态,我国工程界曾作过多方面的探索,如按应力图形配筋、非线性钢筋混凝土有限元分析、大体积混凝土温度配筋等,并有了不少进展。
　　3水工混凝土结构的可靠度分析
　　水工统一标准已规定水工结构设计必须采用以近似概率法为基础的可靠度理论。但在引用这一理论时,注意到水工混凝土结构的某些特殊性是完全必要的。例如：
　　3.1水工大体积混凝土的实际强度与实验室小试块强度的差异就比工民建的混凝土来得更大些,其中尺寸效应、持久强度和水饱和时的强度降低及后期强度的增长等因素造成的混凝土强度不定性就有深入研究的必要。
　　水工中一些主要荷载的实测和统计工作做得还很不够。有些荷载如土压力、围岩压力、
　　渗透压力、地基反力等还是用理论公式计算出来的,与实测值有多大差异还不十分清楚。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。例如：尾水管,采用一般框架分析或带刚性域框架分析或用有限元分析,得出的荷载效应值将有极大差别,甚至会使截面内力发生变号。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。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。国内在房屋建筑方面已制定了相应的法规
　　和条文,编制了可靠性鉴定标准和加固技术规范。水工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。有关水工建筑物调查显示：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子保护层厚度、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。
　　5新材料、新技术和新工艺的诞生
　　在结构使用寿命期内,新技术和新工艺的发展对维修费用的发生会起很大的影响。俗话
　　说,十坝九裂,在水工混凝土建筑物中的确存在着各种各样的缺陷和病害,对于水工建筑物的维护和维修是不可避免的。实践经验表明,应优先考虑采用新材料、新工艺、新技术维修带病运行的水工建筑物,提高建筑物的可靠程度,使建筑物的功能正常实现。因为它有降低建筑物本身的自重及降低工程成本造价方面的优点,使其在经济、实用等方面具有良
　　好的发展前景。
　　例如近年来开始运用的新材料,采用特有的活性化学物质,利用水泥混凝土本身固有的化学特性和多孔性,借助于渗透作用来提高混凝土材料抗渗性,而达到永久性防水、防潮和保护钢筋,增强混凝土结构强度的效果；还有性能优良、适用性强、适合水下灌浆的多功能新型灌浆材料；还有以聚合物水泥砂浆作为防渗、防腐、防冻材料,也已在水工混凝土建筑物修补工程中得到广泛应用,这种以少量乳胶材料对水泥砂浆或混凝土改性后,增强其抗渗性、
　　抗炭化和抗冻性,是一种性能可靠、经济和施工方便的修补材料。水下修补材料及水下修补技术取得较大进展,投入的一些新的施工设备,使用方便,省时省工,有利于环保和人身健康。
　　在以后的科技发展过程中,新的材料、技术和工艺的产生将会更快,更高效,这一点对于结构是有很重要的影响,不容忽视。
　　6结束语
　　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。但在相关领域还是需要更进一步,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：
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　　[2]吴世伟.结构可靠度分析[M]北京:人民交通出版社,1988.
　　[3]DL/T5057-96,水工混凝土结构设计规范[S]北京:中国电力出版社.
　　[4]周氏等.正常极限状态设计的耐久性指标.混凝土结构基本理论与应用第二届学术
　　讨论会论文集,1990.

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