水工建筑物结构设计中问题及对策

2020-10-13陈思源

建材与装饰 2020年28期

陈思源

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

0 引言

水工建筑在基础设施建造过程中占有非常重要的地位，但是由于水利工程修建属于非常复杂、涉及非常多内容的工程，为了更好的进行水利工程修建一定要充分分析建筑物结构设计中存在的问题，采取更加完善的规划设计确保水工建筑结构设计的有效性，推动水利工程进一步发展。

1 水工建筑物结构设计存在的问题

1.1 水工建筑物结构设计等级标准不够明确

对于水工建筑物来说，在结构设计过程中其等级标准会直接影响结构合理性，等级过高过低都产生不利影响，等级过高会浪费材料以及工程资金，等级过低容易引发工程的安全隐患，后续容易造成较大生命财产损失。在进行水工建筑物结构设计时一定要确保等级标准和工程具体需要的匹配性，要遵照工程施工现场的环境、工程规模、功能等来确定结构设计等级。

1.2 水工建筑物结构设计缺少足够的数据资料

某些水工建筑物结构设计缺少足够数据资料的支撑，从而造成结构设计缺少合理性和科学性。随着近些年信息技术的快速发展，可以充分利用这些技术来获取更加丰富的资料。但是对于很多较为偏远并且气候条件较为恶劣的区域来说，资料的获取还是具有相应难度，对于水工建筑物结构设计的科学性以及合理性具有一定限制。

1.3 水工建筑工程勘探不足

想要有效提升水工建筑施工效果，一定要对水利情况进行勘探，利用有效的勘探能够及时发现施工准备中的问题，有利于水利建筑结构设计。但是现阶段某些水利工程施工前对于勘探工作没有严格落实，勘探技术相对落后，很难得到准确的资料，无法对水工建筑结构设计提供参考。

2 水工建筑物结构设计分析

某水电站属于大渡河干流梯级开发中的最后一级，坝址到上游已经建设的电站大约40km，下游距离市区达到20km，左岸、右岸都是省道公路，具有非常便利的对外交通。电站采取的是混合式开发方式，主要任务包括发电、防洪、灌溉以及供水等。

2.1 水电站业主营地办公楼和宿舍楼

（1）该水电站办公楼属于框架结构，为了确保其稳定性，所以全场一定要实施填筑处理，整体填筑高度范围控制在0.9～3.5m。由于该区域存在着大量粉土并且厚度变化较大，抗变形能力相对较差，如果采取直接填筑的方式就容易引发不均匀变形以及地震液化等问题，所以施工中一定要彻底清理场地内部地表耕植土、粉土以及粉砂层，可以通过天然级配的砂卵石分层夯实填筑。同时，要对填筑土层实施必要的碾压试验，以此来确保填筑料级配以及分层厚度等满足地基强度要求。另外，通过多高层建筑结构空间有限元分析与设计软件PKPM 实施整体结构分析，同时利用地基基础设计系统JCCAD 实施基础计算。在办公楼设计时需要遵照相应标准来进行，主要包括：《建筑结构可靠度设计统一标准》《建筑抗震设计规范》《建筑结构荷载规范》《混凝土结构设计规范》等，要对钢筋混凝土的配筋等进行计算，同时也要实施恒载、活荷载、风力、地震力等方面的组合计算，确保建筑的稳定性和安全性。

（2）宿舍建筑采取砖混结构，需要在电站建设完成之后按照运行过程中的实际功能实施改造。宿舍设计时一定要遵照《砌体结构设计规范》《混凝土结构设计规范》《建筑地基基础设计规范》等规定，可以通过砌体设计软件QITI 进行多种计算（包括：结构抗震计算、砌体受压计算、局部承压计算、墙体高厚比验算等）以及施工图设计。为了有效提升房屋的整体刚性，楼层的圈梁需要层层设置，和现浇板进行整体浇筑，从而提升楼板以及墙体的连接性能，能够有效抵抗地基不均匀沉降问题。

2.2 水电站启闭机房设计

在进行水电站启闭机房结构设计过程中，由于钢筋混凝土墙无论是在抗渗性能、抗冲击性能等方面都强于砖混墙体，所以一般在启闭机房设计时采取的都是钢筋混凝土墙，要确保符合功能需要。另外，启闭机房往往都是设置在不连贯的闸墩之上，因此在启闭机房设计过程中其框架结构常常会受到闸墩的影响，因此一定要严格遵照闸墩边线对其实施设置。对于案例工程来说，要将启闭机吊车梁设置在985.65m 高程位置，同时为了有效防止水流的冲击可以顺着全高设置混凝土剪力墙，要确保其连续性设置，并且要沿着闸墩边线设置菱形的框架柱，以此来提高其抗冲击力。另外，在进行启闭机房结构设计过程中可以采取PKPM 系统来进行辅助性设计，但是在实际应用过程中在某些方面（例如吊车载荷定义和设置）还存在一定问题，例如网格线务必要设置柱节点、网格线的断点一定要设置成为矩形等，因此还是无法严格按照具体情况实施建模。因此在具体结构设计过程中，某些特殊性区域还是无法利用PKPM 进行设计，需要通过解析式方式进行计算。

2.3 水电站中控室的设计

水工建筑中最为关键的部分之一就是水电站中控室，该处为整个水电站运行控制、监控的核心所在。中控室的结构设计情况常常会受到水电站类型、厂房结构等方面的影响，因此要多方面考虑影响因素进行结构设计。正常情况下，为了能够降低施工费用并且有利于管理，常常会将中控室平面设置在和主机以及发电机同个高层，同时也要避免控制室出现和升压站连接距离过大。

首先，对于中控室平面来说最重要的内容之一就是控制盘的设置，在操作时要满足如下规定：要按照屏盘的数量设置不同形式，其中屏盘数量<10 块时，要按照直线型或者折线形进行设置；屏盘数量≥10 块时，要按照L 型、II 型、弧形进行设置。不同形式具有自身的特点，例如直线型设置的占地面积较大，虽然安装较方便但是视觉效果不好；折线型设置的占地面积较小，视觉条件较好；弧型设置虽然具有较好的视觉效果，但是安装较为复杂。

其次，要根据水电站的规模情况来设定辅助间等部分，其中中小型水电站无需独立设置中控室辅助间，可以通过简单的隔断设置出中控室即可，一般保持其面积在50m2左右。但是随着现代技术的快速发展，中控制的自动化装置和信息化设施逐渐增多，中控室的屏盘数量也在增加，所以中控室的面积也要根据实际情况调整。

最后，在进行中控室高度设置过程中一定要充分考量到整个工程成本控制，在设定中控室高度时需要充分参照相应指标（包括：高度、采暖、通风、采光照明、技术条件、室内空间比例等）来进行。在确保中控室正常功能的情况下要加强高宽比的控制，一般情况下中控室净高设定为设备高度的1.5～2 倍，宽度设置在6.5～9m 范围。

2.4 GIS 楼的设计

（1）GIS 楼地面不但存在变压器基础、设备杆件基础等，同时也存在很多电缆沟，所以在地梁以及框架柱基础设置时一定要避开这些内容。若是柱基设置在基岩之上，那么可以采取岩石锚杆基础，提升基岩的承载力。如果GIS 楼和主副厂房仅仅相邻，那么柱基大多处在厂房开挖回填面之上，此种情况下柱下独立基础由于和厂房基础相邻所以容易发生偏心问题，此种情况下可以采取柱下条形基础，在保证基础整体性的同时防止不均匀沉降，如图1 所示。

图1 GIS 楼基础形式

（2）GIS 楼一般底层设置主变压器、二层设置GIS 设备、三层属于层面以及出线长。为了便于主变压器的运输和安装，一般底层开间和层高都比较大。对于二层来说，受到GIS 设备的影响，需要通过吊车实施运输以及安装，所以此层中间无法设柱并且要求层高，一般梁的挠度<1/600L。所以GIS 楼大多采取横向单跨、纵向多跨的框架结构，层高设置在8～12m 范围内

（3）受到柱网尺寸以及载荷方面的影响，框架梁以及柱断面的尺寸都比较大，一般情况下可以设置横向主框架梁高度=1/8—1/9 跨度，同时要在梁端部加腋来减少支座钢筋数量。主框架梁较高，为了避免梁发生开裂需要顺着梁两侧间隔200mm 设置腰筋，一般情况下确保腰筋≥φ16mm。因为楼板存在较多的开孔，所以为了防止楼板过厚而开裂，可以采取楼板钢筋的双层双向通长设置，孔洞边板需要设置加强筋，对于较大的洞口来说需要设置次梁。