浅谈水工构筑物设计

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　　1．设计地下水位的合理确定

　　水池构筑物的设计与地下水位的标高密切相关。由于地下水位未掌握好而引起结构选型错误及抗浮不够等工程事故也时有发生。地下水位不仅与土建设计有关，与水工艺设计也有关。根据现行国家设计规范，地下水位应根据地方水文资料，考虑可能出现的最高地下水位[1].一般设计均取用水文资料的最高地下水位。在50年设计基准期内，一般水工构筑物地下水可变作用的取用按“工程结构可靠度设计统一标准”原则确定，并不考虑罕遇洪水的偶然作用。但值得注意的是，有些工程地质勘察报告所提供的地下水位未能从地方水文资料分析得出，而仅反映勘测期间的地下水位情况。如果详勘在当地枯水期进行，所提供的地下水位标高将无法被设计取用，或导致结构计算的失误。设计人员应详实了解工程所在地的水文情况，对未满足设计要求的地质勘察报告要求予以补充。要求考虑当地有无暴雨、台风影响，会否出现由于地表水不能及时排除而引起的地下水位提高。水工艺设计人员，应结合对地下水位及地质情况的了解，与土建设计人员一起决定各构筑物的基底标高，综合工艺流程要求、土建造价、运营成本、投产年限诸多因素，制定总体方案及各构筑物方案，以求经济合理。例如当地下水位较高或地质剖面有流沙层时，水工艺设计者应考虑是否可适当抬高基底标高，减少浮力对结构影响及避开流沙层。

　　对设计在正常使用阶段池内均有水，仅在检修等特殊时段才排空的水池，可以根据实际情况，结合地方永文资料，确定一个合适的地下水位标高做设计地下水位，做到既保证使用阶段结构安全和不利情况抗浮安全，又能降低工程造价、节省工程投资的双赢目的。而这一切需要土建、水工艺设计人员共同讨论并采取一系列设计及操作措施来确保安全生产及设计意图的实现。

　　我们在设计安徽毫州污水处理厂工程中，结合不同构筑物使用要求，采用3个不同的设计地下水位标高。该地区水文资料显示，最高地下水位为绝对标高37.16m，每年冬春季枯水期水位均在35.50m以下。我们在设计二沉池时，设计地下水位取36.50m，这样在该池使用阶段可能超过该水位的年份概率约10％左右，且持续时间不超过2个月。而二沉池一般均蓄水，正常检修每年一次。该厂共4个二沉池，遇到紧急事故4个池子均同时需排干维修的可能概率基本为零。设计已考虑每年检修安排在冬季枯水位时，这样设计所采用的地下水位标高一般能保证正常生产、检修。为防不测，设计还安排布置若干水位观察井，在紧急事故需排干某池内水维修前，观察实际水位是否超过设计警戒水位，如未超过则批准进行维修，否则暂不批准。对氧化沟工号，由于氧化沟基本常年有水；每年检修一次，一般个别曝气头损坏不会给氧化沟的污水处理产生影响，而且工艺设计考虑曝气头支架可提升更换。基于此条件，采用设计地下水位35.60m以保证每年枯水期检修的需要。对其它不能保证池内经常有水者，设计地下水位则取37.16m。

　　2．构筑物设置伸缩缝及后浇缝

　　2.1伸缩缝的设置

　　根据设计规范，矩形构筑物最大伸缩缝间距一般为20～30m.近年来，一方面水工艺要求设计的水工构筑物长度已远超过规范间距，另一方面随着建筑材料、施工方法的改进，又为超长水工构筑物不设缝、少设缝提供了可能。设计人员在具体设计时应根据地基、气温等工程情况，考虑是否设缝及施工方法，认真进行计算并采取适当设计措施。

　　一般水池类构筑物设计中，对结构强度、裂缝开展宽度、抗浮等计算，一般均按规范要求考虑较好，但由于温度、变形以及不均匀沉降引起开裂，在工程中常常遇到。大多出现裂缝的工程实例表明，设计对温度、混凝土收缩变形等因素影响考虑欠缺是问题的主要原因。笔者认为有两点需设计人员重视。

　　①水池类构筑物并非必须保证不开裂，对设计人员来讲重要的是做好裂缝的控制。一方面设计人员要事先对可能的不利因素及其影响予以预防，另一方面在施工过程中万一发生较大裂缝也要有处理方法及技术措施，确保工程交付验收及投产后的安全生产及运行需要。一般说来，影响裂缝的主要因素是温差及混凝土的收缩，温度越高越易开裂，裂缝的数量及宽度也越大；混凝土收缩越快也带来同样后果。为此，设计人员要从设计与施工两个方面来加强控制。

　　②加强对允许伸缩缝间距的计算。从设计方案来讲，设计尽可能采用无缝设计以满足施工的连续性及减少施工难度。在设计过程中，设计人员要详尽收集有关资料，针对地基软硬及温差大小，选择伸缩缝的间距。一般水池壁厚≤500mm时，设计不考虑水池热的影响，主要考虑施工阶段的最不利温差和混凝土收缩产生的当量温差，保证由于综合温差对混凝土产生的拉应力与混凝上相应龄期的极限抗拉强度之比值符合安全要求，按此条件复核设计假定的伸缩缝间距是否满足。最不利温差一般可采用混凝土人模温度或浇筑时气温与混凝土达稳定时温度之差。当构筑物及时回填土时，由于地下温度一般常年变化不大，混凝土达稳定时温度可近似取当地年平均温度；但如果工程施工周期较长，可能要越冬后回填情况，混凝土达稳定时温度应取当地月平均最低温度[2]，对设计考虑设置伸缩缝情况，笔者建议伸缩缝从基础垫层就断开，这样计算底板伸缩缝间距时，基底土对混凝土底板的约束系数Cx值才切合实际。

　　2.2后浇缝的做法

　　当设计较长矩形水池时，设计可采用后浇缝或UEA加强带等施工方法来减少混凝土收缩产生的当量温差及不利温差[3].后浇缝的设置可避免部分不利的施工前阶段温差及混凝土前期收缩产生的当量温差，从而增大了构筑物伸缩缝的允许间距。考虑施工的难度，建议设计在后浇带垫层混凝土上设置凹槽，这样方便后期后浇带的清理，杂物等可弃置于四槽，冲洗也方便。当设计采用UEA加强带做法时，依靠加强带混凝土较大的膨胀应变，补偿两侧混凝土的温差应变。设计可通过对UEA掺量的调配，补偿混凝土的收缩，使混凝土收缩当量温差≤0，同样达到增大伸缩缝的允许间距目的[4]。

　　3．土建与水工艺、设计与施工间的配合

　　在水池类水工构筑物设计中，水工艺设计人员要了解土建一些设计要求，例如对较大水池壁与壁之间、壁板与底板之间的构造加腋（八字角）要求。如水工艺不允许加腋，应向土建设计人员讲明。另一方面土建设计人员应尽量满足水工艺要求，对较小水池可不加腋。设计应以设计规范为依据，专业之间互相配合，对一些构造措施应区别情况灵活掌握。

　　设计与施工息息相关。设计在计算中已考虑施工诸多因素，比如水灰比、用水量、混凝土养护天数、后浇带间隔天数等等，这些设计条件必须要求施工逐一落实。而要做好这些又要求设计人员要了解施工，了解施工中新材料、新技术、新方法，了解施工顺序，施工对设计的要求，使设计切合施工、方便施工。水池施工为便于支模及浇筑混凝土，一般在离池底及加腋以上300～500mm处留置施工缝，设计人员应考虑施工要求，在此范围避免设计有子留洞、予埋管、悬挑梁板等。

　　多出优秀设计、多出精品工程是时代赋予全体设计人员的庄严使命。在水工构筑物设计中，一方面设计人员应结合具体情况，以较少的工程造价建设优质工程，另一方面设计人员对施工未按正常工期完成等施工失误产生的渗漏裂缝处理，也应有所了解、准备，对当前常用处理裂缝及堵漏方法、所用材料应有所了解，以便更好地完成设计后期服务