水工建筑的结构设计与处理方法研究
摘要：水工建筑作为重要的建筑结构, 一旦其结构设计不科学, 将会直接造成后期运营的巨大问题, 进而对社会生产生活造成极大的影响。一般而言, 水工建筑物在投入使用后, 常出现的问题就是混凝土的开裂、不均匀沉降、渗漏等问题, 这些问题将会直接影响水工建筑的功能效益, 造成巨大的经济社会损失。文章从水工建筑的运行现状出发, 分析了开裂、不均匀沉降、渗漏等结构设计问题以及相应的处理方法, 有利于提高水工建筑的质量, 确保其安全运行。
关键词：水工建筑; 结构设计; 大体积混凝土; 开裂; 防渗漏;
作者简介： 黄业坚 (1985—) , 男, 工程师, 研究方向:水工设计。;
Research on Structural Design and Treatment of Hydraulic Buildings
Huang Yejian
Hainan water resources and hydropower survey and design institute
Abstract：Hydraulic construction as an important building structure, once its structure design is not science, will direct the operation of the late great problem, have a great impact on social production and living in general, the hydraulic structures after put into use, often appear problem, the concrete crack problem such as leakage of uneven settlement, these problems will directly affect the function of hydraulic structure efficiency, thereby causing loss to the huge economic and social in this paper, starting from the running status of hydraulic structure, respectively analyzes the cracking uneven settlement Structural design problems such as leakage and corresponding treatment methods are conducive to improving the quality of hydraulic buildings and ensuring their safe operation.
Keyword：hydraulic architecture; structural design; mass concrete; cracking; leakage;
水工建筑所面临的开裂等情况，严重时甚至会造成整体建筑的塌方等，故必须对水工建筑结构设计的病害等进行相应的处理，提高水工建筑运行的安全性。在水工建筑结构设计中，加强其设计的合理性、科学性，可以减少后期病害的发生，避免修复等造成的大量的人力物料损耗，在合理控制工程成本的基础上，还能够确保水工建筑的使用寿命，使其发挥最好的功能效果，实现经济社会价值。
1 水工建筑的运营现状
水工建筑周围水环境复杂，加剧了施工的难度，使得施工中尤其要重视建筑的结构的稳定性与安全性，水工建筑首要考虑的就是建筑材料的性能，避免后期运营出现的各种病害。在后期投入使用后，随着使用时间的延长，水工建筑常出现混凝土开裂、不均匀沉降、渗漏等问题，而造成这些病害的原因多样，相对于一般建筑而言，水工建筑多为大体积混凝土结构。一旦其结构设计不合理，很容易发生混凝土的内外部温差较大、收缩现象等，使得水工建筑出现裂缝，如果不对裂缝加以加固、修复处理，将会造成裂缝加剧，影响整体建筑的耐久性能。水工建筑的地基不均匀沉降，直接影响的是整体建筑的稳定性与安全性，其原因主要是不良地质对地基的影响，比如水工建筑多面临软土地基，如果没有采取必要的措施对软土地基进行加固处理等，将直接造成后期软土的受到压缩而产生沉降问题，使水工建筑存在较大的安全风险。渗漏问题主要是水工建筑周围水环境对建筑本身的长期冲刷所造成的，这也就对施工中防水材料的使用提出了更高的要求，并在重要部位采取必要的防水措施，避免渗漏问题造成的损坏。
水工建筑存在的结构设计问题，可以从建筑本身的设计阶段着手，在设计阶段就进行必要的防水处理等，从质量控制角度出发，优化设计方案，从源头上将不利的因素严格加以控制，避免后期病害所造成的巨大的人力、物力、财力等的投入。水工建筑混凝土的开裂主要是对混凝土施工质量进行控制，而不均匀沉降主要是要对不良地质地基进行加固处理，渗漏问题则对防水加固技术提出了更高的要求。
2 大体积混凝土开裂的设计处理方法
水工建筑多为大体积混凝土结构，与普通建筑混凝土结构相比，在厚度与长度、宽度等的比值之间存在较大的差异，大体积混凝土浇筑过程中水泥的水化热现象严重，导致大体积混凝土内外部存在较大的温度差异，加剧了由温度差异所造成的温度应力，使水工建筑出现裂缝。大体积混凝土开裂现象主要是由水泥水化热现象造成的放热过程、混凝土内外部温度差异、混凝土收缩现象、养护措施不到位等原因所导致的。
(1）对水工建筑而言，大体积混凝土水泥含量较多，水化热现象严重，这种现象是造成内外部温度差异的重要原因，如果水化放热的过程较慢，那么混凝土内部的热量造成温度持续上升，一旦超过温度应力，将直接造成结构开裂。
(2）环境温度变化，水泥水化热过程会使得混凝土内部温度迅速上升，甚至高达70～80℃，而如果外界环境温度下降，内外部温度则存在加大的差异，这种温差也会造成开裂现象。
(3）混凝土本身的收缩性能，主要是大体积混凝土施工中，混凝土内外部频繁的热量交换，使得混凝土表面水分快速蒸发，导致混凝土水分缺乏造成干燥收缩，一旦水分过度缺失，也将造成开裂现象。
(4）大体积混凝土施工完成以后，要进行科学的养护。如果养护不到位，没有将混凝土的温度与湿度控制好，将造成混凝土的开裂现象。一般情况下，要对这些造成混凝土开裂现象的原因加以必要的控制，在施工中遵守相应的施工操作与规范，严格从设计方案、施工流程上对这些因素进行控制。一般从施工材料、施工防护措施、养护管理等三个方面对开裂风险加以预防。
水泥的水化热反应是造成大体积混凝土开裂的直接原因，需要从混凝土的原料、配比上严格控制这种水化热效应，优化混凝土的水泥种类、配比，严格控制水泥用量，降低水化热反应，提高混凝土的性能。水工建筑施工时，要严格对大体积混凝土的施工质量进行控制，密切关注混凝土表面的温度、湿度等，严格控制浇筑温度，将内外部温差控制在合理范围内，减少裂缝的发生。科学的养护措施也可以对裂缝的发生进行有效控制，比如在养护阶段，严格控制模板脱模时间，一般多在浇筑2d后进行；还需对外界温度进行控制，当外界温度很低时，应该进行隔热保温，避免内外部较大温差所形成的裂缝；为保证混凝土表面湿度，应该适当洒水，避免混凝土表面干燥造成的裂缝，一般多使用洒水养护等，在夏季尤其要避免阳光对混凝土的直射造成的表面湿度不足。
从水工建筑的设计、施工到养护，进行严格的质量控制，能够有效保证水工建筑结构的稳定性，提高其耐久性，保证其安全运行。
3 水工建筑不均匀沉陷的设计处理方法
水工建筑常常也面临着不均匀沉降的问题，主要是其所处的特殊的水环境，造成存在不良地质，比如软土地基。软土中含水量较大、孔隙比高、压缩性强、透水性差、固结时间长等特性，在后期投入使用以后，软土受到自身的压缩与上部荷载，会产生变形与不均匀沉降问题，从而导致地基的不稳定性加剧，影响水工建筑的使用。为应对这种不均匀沉陷，多需要在施工开始前对软土的覆盖范围、分布情况、软弱性等进行勘察，做好应对措施。
如果水工建筑中所面临的软土覆盖范围小、分布范围较浅，就多使用一般加固的方式，比如排水固结、换填、铺洒相应的化学添加剂等。换填施工的方法不适用软土层深度较大的地基施工，一般将原来的软土层换成与之相反的土层，多为含水量低、孔隙比低、承载力大的其他土层，保证水工建筑地基的安全性与稳定性。如果水工建筑所面临的软土分布范围较小时，有时也采用垫层施工，在软土层表面铺设砂土等，加大其固结排水性能，从而加固软土地基。部分水工建筑施工所面临的软土层覆盖范围与深度都比较大，就需要采用更为复杂的施工技术，如水泥搅拌桩、强夯法等，主要目的是提高该地基的承载能力，确保后续在水工建筑运营时地基的稳定性。水泥搅拌桩技术通过在软土地基中桩体的植入，能够实现对地基承载力的改善，加强了地基结构的稳定性，从而有效保证了工程质量。
断层破碎带易引起坝基的不均匀沉陷和坝体开裂，处理措施主要是当断层破碎带倾角较大或与地面接近垂直时，在坝基面采用砼塞；如果有倾角但倾角不大时，除了要在坝基面砼塞，还要对其下部埋深部分进行斜井和平洞回填处理。断层位置和处理方案如图1所示。
4 水工建筑渗漏问题的设计处理方法
水工建筑一旦设计不科学，防护不到位，将造成水流对建筑本身的冲刷、渗漏问题，水体对水工建筑的渗漏将直接损坏整体结构的稳定性，使得水工建筑所面临的安全风险加大，影响水工建筑的功能作用。造成水工建筑渗漏现象的原因多为设计的不合理，主要是沉降缝、伸缩缝等的防水设计不达标，在水体压力与水流冲刷下，防水效果差产生渗漏；还有就是水工建筑本身受到其他因素影响产生的裂缝，如果没有及时对裂缝进行处理，将导致裂缝的扩展渗漏问题。
图1 断层破碎带处理方案
对于水工建筑的渗漏问题，应该在设计阶段制订良好的防水止水方案，对可能发生渗漏的部位加以必要的防护；在施工中注重对各个环节的施工质量控制，避免裂缝的形成所造成的渗流问题；做好渗漏防护加固。比如水坝建筑，应根据坝体特点，对于可能的渗漏问题，进行基础灌浆、帷幕灌浆等，保证施工的效果。
5 结束语
水工建筑在运行过程中常出现的结构设计就是开裂、变形、渗漏等问题，在施工阶段，应该重点对可能发生这些问题的风险因素进行必要的控制，并做好相应的防护措施，提高水工建筑的安全性与稳定性，确保水工建筑的经济社会效益。
参考文献
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[2]陈彪, 汪宾舟.水工建筑混凝土的施工质量监理控制[J].水利科学与寒区工程, 2018, 1 (7) :70-72.
