水工構筑物設計的論文
摘要：一個好的工程產品是由設計與施工共同完成的，一個好的工程設計則需多個專業共同努力才能實現。本文從結構專業角度談水工構筑物設計中的地下水位確定、伸縮縫設置、總體布置及設計與施工配合等問題，在貫徹國家技術經濟政策的同時，做到技術先進、經濟合理、安全適用、確保質量。
關鍵詞：水工構筑物地下水位伸縮縫后澆帶加強帶
隨著我國經濟發展，國家對環境保護的日益重視，各地污水處理工程近年來逐年增多。作為配套的土建結構專業如何優化設計，在滿足水工藝要求的前提下，既保證水工構筑物今后的正常生產使用，又降低工程造價，是設計、施工人員面臨的共同任務。下面就設計中經常遇到的一些水工構筑物的問題，提出本人的看法。
1設計地下水位的合理確定
水池構筑物的設計與地下水位的標高密切相關。由于地下水位未掌握好而引起結構選型錯誤及抗浮不夠等工程事故也時有發生。地下水位不僅與土建設計有關，與水工藝設計也有關。根據現行國家設計規范，地下水位應根據地方水文資料，考慮可能出現的最高地下水位[1]。一般設計均取用水文資料的最高地下水位。在50年設計基準期內，一般水工構筑物地下水可變作用的取用按“工程結構可靠度設計統一標準”原則確定，并不考慮罕遇洪水的偶然作用。但值得注意的.是，有些工程地質勘察報告所提供的地下水位未能從地方水文資料分析得出，而僅反映勘測期間的地下水位情況。如果詳勘在當地枯水期進行，所提供的地下水位標高將無法被設計取用，或導致結構計算的失誤。設計人員應詳實了解工程所在地的水文情況，對未滿足設計要求的地質勘察報告要求予以補充。要求考慮當地有無暴雨、臺風影響，會否出現由于地表水不能及時排除而引起的地下水位提高。水工藝設計人員，應結合對地下水位及地質情況的了解，與土建設計人員一起決定各構筑物的基底標高，綜合工藝流程要求、土建造價、運營成本、投產年限諸多因素，制定總體方案及各構筑物方案，以求經濟合理。例如當地下水位較高或地質剖面有流沙層時，水工藝設計者應考慮是否可適當抬高基底標高，減少浮力對結構影響及避開流沙層。
對設計在正常使用階段池內均有水，僅在檢修等特殊時段才排空的水池，可以根據實際情況，結合地方永文資料，確定一個合適的地下水位標高做設計地下水位，做到既保證使用階段結構安全和不利情況抗浮安全，又能降低工程造價、節省工程投資的雙贏目的。而這一切需要土建、水工藝設計人員共同討論并采取一系列設計及操作措施來確保安全生產及設計意圖的實現。
我們在設計安徽毫州污水處理廠工程中，結合不同構筑物使用要求，采用3個不同的設計地下水位標高。該地區水文資料顯示，最高地下水位為絕對標高37.16m，每年冬春季枯水期水位均在35.50m以下。我們在設計二沉池時，設計地下水位取36.50m，這樣在該池使用階段可能超過該水位的年份概率約10％左右，且持續時間不超過2個月。而二沉池一般均蓄水，正常檢修每年一次。該廠共4個二沉池，遇到緊急事故4個池子均同時需排干維修的可能概率基本為零。設計已考慮每年檢修安排在冬季枯水位時，這樣設計所采用的地下水位標高一般能保證正常生產、檢修。為防不測，設計還安排布置若干水位觀察井，在緊急事故需排干某池內水維修前，觀察實際水位是否超過設計警戒水位，如未超過則批準進行維修，否則暫不批準。對氧化溝工號，由于氧化溝基本常年有水；每年檢修一次，一般個別曝氣頭損壞不會給氧化溝的污水處理產生影響，而且工藝設計考慮曝氣頭支架可提升更換。基于此條件，采用設計地下水位35.60m以保證每年枯水期檢修的需要。對其它不能保證池內經常有水者，設計地下水位則取37.16m。
2構筑物設置伸縮縫及后澆縫
2.1伸縮縫的設置
根據設計規范，矩形構筑物最大伸縮縫間距一般為20～30m。近年來，一方面水工藝要求設計的水工構筑物長度已遠超過規范間距，另一方面隨著建筑材料、施工方法的改進，又為超長水工構筑物不設縫、少設縫提供了可能。設計人員在具體設計時應根據地基、氣溫等工程情況，考慮是否設縫及施工方法，認真進行計算并采取適當設計措施。
一般水池類構筑物設計中，對結構強度、裂縫開展寬度、抗浮等計算，一般均按規范要求考慮較好，但由于溫度、變形以及不均勻沉降引起開裂，在工程中常常遇到。大多出現裂縫的工程實例表明，設計對溫度、混凝土收縮變形等因素影響考慮欠缺是問題
的主要原因。筆者認為有兩點需設計人員重視。
①水池類構筑物并非必須保證不開裂，對設計人員來講重要的是做好裂縫的控制。一方面設計人員要事先對可能的不利因素及其影響予以預防，另一方面在施工過程中萬一發生較大裂縫也要有處理方法及技術措施，確保工程交付驗收及投產后的安全生產及運行需要。一般說來，影響裂縫的主要因素是溫差及混凝土的收縮，溫度越高越易開裂，裂縫的數量及寬度也越大；混凝土收縮越快也帶來同樣后果。為此，設計人員要從設計與施工兩個方面來加強控制。
②加強對允許伸縮縫間距的計算。從設計方案來講，設計盡可能采用無縫設計以滿足施工的連續性及減少施工難度。在設計過程中，設計人員要詳盡收集有關資料，針對地基軟硬及溫差大小，選擇伸縮縫的間距。一般水池壁厚≤500mm時，設計不考慮水池熱的影響，主要考慮施工階段的最不利溫差和混凝土收縮產生的當量溫差，保證由于綜合溫差對混凝土產生的拉應力與混凝上相應齡期的極限抗拉強度之比值符合安全要求，按此條件復核設計假定的伸縮縫間距是否滿足。最不利溫差一般可采用混凝土人模溫度或澆筑時氣溫與混凝土達穩定時溫度之差。當構筑物及時回填土時，由于地下溫度一般常年變化不大，混凝土達穩定時溫度可近似取當地年平均溫度；但如果工程施工周期較長，可能要越冬后回填情況，混凝土達穩定時溫度應取當地月平均最低溫度[2]。對設計考慮設置伸縮縫情況，筆者建議伸縮縫從基礎墊層就斷開，這樣計算底板伸縮縫間距時，基底土對混凝土底板的約束系數Cx值才切合實際。
2.2后澆縫的做法
當設計較長矩形水池時，設計可采用后澆縫或UEA加強帶等施工方法來減少混凝土收縮產生的當量溫差及不利溫差[3]。后澆縫的設置可避免部分不利的施工前階段溫差及混凝土前期收縮產生的當量溫差，從而增大了構筑物伸縮縫的允許間距。考慮施工的難度，建議設計在后澆帶墊層混凝土上設置凹槽，這樣方便后期后澆帶的清理，雜物等可棄置于四槽，沖洗也方便。當設計采用UEA加強帶做法時，依靠加強帶混凝土較大的膨脹應變，補償兩側混凝土的溫差應變。設計可通過對UEA摻量的調配，補償混凝土的收縮，使混凝土收縮當量溫差≤0，同樣達到增大伸縮縫的允許間距目的[4]。
3土建與水工藝、設計與施工間的配合
在水池類水工構筑物設計中，水工藝設計人員要了解土建一些設計要求，例如對較大水池壁與壁之間、壁板與底板之間的構造加腋（八字角）要求。如水工藝不允許加腋，應向土建設計人員講明。另一方面土建設計人員應盡量滿足水工藝要求，對較小水池可不加腋。設計應以設計規范為依據，專業之間互相配合，對一些構造措施應區別情況靈活掌握。
設計與施工息息相關。設計在計算中已考慮施工諸多因素，比如水灰比、用水量、混凝土養護天數、后澆帶間隔天數等等，這些設計條件必須要求施工逐一落實。而要做好這些又要求設計人員要了解施工，了解施工中新材料、新技術、新方法，了解施工順序，施工對設計的要求，使設計切合施工、方便施工。水池施工為便于支模及澆筑混凝土，一般在離池底及加腋以上300～500mm處留置施工縫，設計人員應考慮施工要求，在此范圍避免設計有子留洞、予埋管、懸挑梁板等。
多出優秀設計、多出精品工程是時代賦予全體設計人員的莊嚴使命。在水工構筑物設計中，一方面設計人員應結合具體情況，以較少的工程造價建設優質工程，另一方面設計人員對施工未按正常工期完成等施工失誤產生的滲漏裂縫處理，也應有所了解、準備，對當前常用處理裂縫及堵漏方法、所用材料應有所了解，以便更好地完成設計后期服務。
參考文獻：
[1]CB69-84，給排水工程結構設計規范[S]．
[2]王鐵夢．建筑物的裂縫控制[M]．北京：冶金部建筑研究總院，1985．
[3]YJGF22－92，UEA補償收縮混凝土防水工法[S]．
[4]科龍抗裂防滲技術中心．UEA無縫設計施工新技術[R]．北京：中國建筑材料科學研究院，1994．
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