邓正金
水发设计（海南）有限公司 海南海口570203
摘要：水工混凝土用在水工构筑物中，依据构筑物的大小可以将混凝土分成大体积混凝土、一般混凝土两种形式。其中，大面积混凝土可以分成内部、外部混凝土。水工混凝土在使用过程中其结构设计得是否合理影响着建筑的安全。本文对水工混凝土的特点、水工混凝土的结构设计基础以及如何优化结构设计基础进行简要分析。
关键词：水工混凝土；水利工程；结构设计
引言：水工混凝土是水利工程（尤其是大型水利工程）中最主要的建筑材料。常用于水上、水下和水位变动区等部位。根据不同用途,具有不同的技术要求。例如，需要具有良好的抗渗性、抗冻性、耐蚀性、耐磨性等。目前，越来越多的建筑需要使用到水工混凝土。因此，应该重点关注水工混凝土的结构设计，提出一些更优质的结构设计方式。
一、水工混凝土的含义与特点
水工混凝土即经常或周期性地受环境水作用的水工构筑物所用的混凝土。由于水工混凝土长期处在环境水中工作，所以与其他建筑材料相比，有许多突出的特点：第一，骨料粒径大。水工混凝土的骨料粒径大且占比较高；第二，胶凝材料用量少。一般情况下，水工混凝土除一些特殊的部位外所使用的胶凝材料量较少，每立方米不大于二百千克。与此同时，还应放入一些掺合料和减水剂用来改善降低水灰比从而降低水热化；第三，长期在潮湿环境中。水工结构物大面积长期在水中，因此，混凝土中拌合水基本不会失去；第四，寿命要求长。水工建筑物与其他建筑物有所不同，它的投资大且运行时间长，需要有较长的寿命；第五，强度等级要求大。水工建筑物的某些部位很容易出现空蚀、磨损等。第六，对混凝土的强度要求较高。
二、水工混凝土结构设计基础
（一）水工混凝土结构极限
水工混凝土结构极限包括两种状态：承载能力极限状态和正常使用极限状态。其中，承载能力及现状态指的是结构材料的具体强度严重超过破坏的最大承载力，或者是因严重变形进而使得其不能继续承载。若把水工混凝土浇筑的建筑物当作挡水结构，就要把受压破坏的极限值当作设计的根据。设一个应力限值，保证最大拉力不要高过这个值域。因此，在设计水工混凝土结构过程中，必须要确定应力约束的极限，从而将混凝土不连续点测定出来，降低裂缝产生的数量。
（二）裂缝的控制
水工混凝土中最重要环节即裂缝控制。在水利工程中，大部分结构不仅控制其承载力还会对裂缝控制有所要求。裂缝的产生有以下几种情况：第一，混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或混凝土结构内部温度有变化时，混凝土就会发生变形，当变形受到约束时，则在结构内将产生应力，若应力超过了混凝土抗拉强度时即此时产生温度裂缝。第二，混凝土发生塑性收缩、缩水收缩、自生收缩以及炭化收缩时会产生裂缝。第三，由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构中产生附加应力，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。第四，若混凝土质量不高或保护层厚度低时，混凝土保护层就会受二氧化碳侵蚀炭化到钢筋表面，降低了钢筋周围混凝土碱度。或者当有氯化物介入时，钢筋周围氯离子含量就会升高，同样能够使钢筋表面的氧化膜遭到破坏。钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应，从而对周围混凝土产生膨胀应力，导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗到混凝土表面[1]。
若要避免钢筋锈蚀而导致裂缝，就应该在设计时根据规范来控制裂缝宽度、使用足够的保护层厚度；施工时控制好混凝土的水灰比，增进振捣，保证其密实性，避免氧气侵入，同时还应严格控制含氯盐外加剂用量，沿海地区或其它存在腐蚀性强的空气、地下水地区尤其应慎重。第五，由于施工工艺失误或施工质量较低导致裂缝。在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的等等各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异。
三、优化水工混凝土结构设计基础
（一）注意把控施工混凝土结构极限
极限状态即整个结构或者结构的一部分超过某一特定状态后就不能满足某一功能要求时的那个特定状态。极限状态可以分为两类：承载能力极限状态，对应安全性功能；正常使用极限状态，对应适用性功能。其中，正常使用极限状态就是水工混凝土达到了正常使用或耐久性能的某项规定限度。承载能力极限就是水工混凝土材料在受到外界破坏时产生了严重变形从而不能够承载重量。例如，使用水工混凝土建设水坝时，就会经常遇到强劲的水流进行冲击。为保证水坝在水流冲击下不受到破坏，在建筑设计设就要重点考虑建筑承受能力的最大值。要保证将其破坏极限值控制在一定范围中，避免或减少裂缝的出现。
（二）对水工建筑物裂痕有效控制
当混凝土结构出现裂缝时，水分及其他有害化学物质会通过裂缝向混凝土内部渗透，加速钢筋腐蚀，从而导致混凝土裂缝进一步扩展，影响结构安全。水工混凝土在恶劣的环境中经常会出现裂痕。例如，在有强水流冲击时产生裂缝；在厚度较大的构件中，由于混凝土的塑性塌落引起的裂缝；炎热的大风天气，混凝土表面蒸发过快，造成混凝土内部水化热过高，在混凝土浇筑数小时仍处于塑性状态，会产生塑性收缩裂缝。因此，在进行水工混凝土结构设计时应重点关注如何有效控制水工建筑物裂痕。在进行水工建筑物的裂痕控制时包括以下几个环节：第一，了解并确定水工建筑物所能承受住的裂痕宽度最大值为多少，在进行判断时，要注意以建筑物的荷载性质、所在环境等作为依据。水工建筑物不同的使用环境以及安全等级对于裂痕的承受宽度也是有一定区别的。
（三）以水闸为例的水工结构伸缩缝留设
一般情况下水闸结构是建筑结构与水工结构共同完成的，其中水工结构通过计算完成下部结构，建筑结构完成上部结构。
1.闸底板伸缩缝。水闸结构设计包括很多部分，例如，上部机房、桥头堡、闸底板、排架等。其中前两部分为建筑结构部分，后两部分为水工部分。在设计过程中，应该沿垂直水流方向进行分段，并且在沿着水流的方向设置永久缝。
2.设计建筑伸缩缝的意义。若建筑物长度过长，就很容易因热胀冷缩而导致裂缝的出现。当建筑处在以下情况时需设伸缩缝：第一，建筑长度超过标准长度；第二，建筑结构类型出现了较大变化；第三，建筑变化多且复杂。
3.实施对策。从建筑的整体来说，下部结构为上部结构基础。若上部结构以与其挨着的闸墩不均匀沉降值符合规范，那么他就可以用整体结构。
结论：综上所述，近年来水利工程施工越来越多，我们应该重点关注水工建筑结构的设计，其质量直接影响了整个工程质量。相对来说我们国家目前的水工混凝土结构设计发展还不是非常完善，有部分问题仍没有很好的可实行方案去解决。所以，水工建筑设计者们必须从目前的技术性问题着手，提出最适宜我们国家水利工程的措施，促使水工混凝土结构设计更好的发展。
参考文献：
[1]崔玉柱,孙海清,万云辉,刘晓琳.美国标准钢筋在中国水工混凝土结构设计规范中的适用性研究[J].水利水电快报,2020,41(03):52-56.
[2]梁剑.水工混凝土结构设计分析[J].住宅与房地产,2019(31):97-98.