[科普中国]-[原创]水工建筑混凝土结构设计与施工质量控制

水工混凝土结构设计与施工质量控制是保障水利工程建设安全性、稳定性、可靠性的关键环节。由于混凝土结构是由砂、石、水泥等材料构成，其不同材料的性能参数决定了混凝土结构的最大承载力。水工混凝土结构质量，需要通过科学的检验 、测试进行优化。如水泥的水化反应多与组成碎石灰中的有害物质超标有关，碎石灰中的有害物质超标影响混凝土的结构强度，降低水泥与骨料的粘结性；在混凝土搅拌中，对于材料的配比需要进行试验，特别是砂子的含水率要采用现场干炒法来测定。

一、水工混凝土结构极限及裂缝控制

水工混凝土结构设计中，水工混凝土结构极限包括承载力和正常使用两种状态。

承载力极限，是指水工混凝土结构所能承受的最大破坏强度。挡水结构设计，要将受压破坏极限值作为结构设计基础，来确定应力约束极限状态，避免裂缝产生。

对应用于水工工程的混凝土结构来说，裂缝要求除应考虑承载力的控制外，还要对容许裂缝宽度、工程环境、荷载、水压等参数变化进行综合考虑。通常情况下，对于不同等级的水工建筑，其耐久性指标存在差异性。

裂缝控制主要以钢筋混凝土结构裂性评估为依据，根据断面的作用力变形来设定裂纹开度标准。

对于不同水工工程而言，在限裂验算可靠性分析上，根据不同情况来进行双重保证处理。当弯矩不大于开裂弯矩，不需用进行限裂验算；当弯矩大于开裂弯矩且弯矩不大于荷载标准的开裂弯矩标准值时，则要求在荷载标准及开裂标准值下的裂缝宽度不大于开裂标准值下的裂缝宽度；当荷载标准的弯矩小于荷载标准的开裂弯矩标准值时，则需要在荷载标准及开裂标准值下的裂缝宽度小于开裂标准值下的裂缝宽度。

二、水工建筑混凝土结构变形控制

对于水工混凝土结构设计，不仅要关注其强度， 还要结合水工建筑工程环境，特别是对水下环境的分析，以提升混凝土结构的使用寿命和稳定性。裂缝是水工建筑混凝土结构的主要问题，对混凝土结构变形进行防范，一方面做好水工结果的构造设计，对相应变形缝进行科学设置，精确计算结构受力，尤其是在特殊情况下的超载、维修等方面的断面验算；另一方面对原材料、半成品进行质量控制，合理调配水泥、砂、石粉、泥土的比例，依照现场地质勘测实际来进行换算和优化；再者是对于水工工程施工进行严格监理，做好施工过程中的旁站监督，对施工的分层、分区、分段、浇筑、振捣等方法进行试验，确保整个施工过程的科学性。如在振捣监理中，对于混凝土的密实度进行检测，控制振捣器与模板的间距，避免模板变形诱发漏水漏浆问题。

三、水工建筑混凝土结构施工质量控制

水工建筑的混凝土施工应从施工工艺、施工材料的质量控制上加以改进。在检验方法上，要选择目视检测、机械检测、手检等；在原材料质量检验上，进行实验室检测、抽检、精确试验等。

（一）原材料质量控制

对原材料主要是砂、石、水泥、水等材料的质量控制。水泥强度变化影响混凝土强度；石头粗、细骨料直径变化也影响混凝土的级配变化，进而影响混凝土的和易性和含水量。因此，在施工监理过程中，要对水工工程材料的质量、配合比等进行控制。在检测方法上，以随时抽检的方法进行质检，并从关键施工环节，就原材料标准进行检验，提升原材料质量，保障混凝土构件的稳定性、安全性、可靠性。

（二）对水工混凝土浇筑进行质量控制

从水工工程结构施工实践来看，不同原材料的配合比、混凝土浇筑施工振捣方式都会影响混凝土的强度等指标。为此，在保证混凝土浇筑质量上，主要从两方面进行控制。

1.混凝土配合比控制

根据不同水工建筑工程混凝土设计标准及要求， 在进行混凝土配合比设定中，需要根据原材料性能特点进行科学试验，并选择相应标准。如对于骨料进行抽检，明确其径粒大小，并保持面干、饱和；然而，在实际施工中，很多骨料存在超逊径问题，且含水量也超过标准。因此，在进行混凝土配合比换算时，要结合砂石、骨料的抽检结果进行换算。依照“（该级超径量＋该级逊径量）-（上一级逊径量＋次一级超径量）＝调整量”来进行调整。另外，在对混凝土配合比进行控制时，还要结合当地实际施工环境、运输距离、运输方式等条件的差异性，适当调整用水量。在水工素混凝土、少筋混凝土结构设计中，坍落度控制在 3～5 cm，配筋率超过1%钢筋混凝土，坍落度控制在 7～9 cm；对于泵送混凝土，坍落度控制在10～14 cm，初凝时间不能低于4 h。

2.和易性控制

混凝土的和易性，是针对混凝土拌合物的整体性状进行描述的，当和易性较差时，会出现振捣不实、离析等问题；当和易性较好时，混凝土振捣稳实，几乎没有离析现象，且具有较好的均质密实性。由于水工环境的特殊性，对于混凝土和易性要求较高，在施工过程中，多选择低坍落度、低水量来进行控制，多从振实工艺上来实现。另外，为提升水工工程混凝土质量，还需要从保水性、可塑性、粘聚性等方面调整。

3.振捣控制

由于水工建筑结构的混凝土浇筑体积较大，现场监理中，需要结合不同浇筑部位，设计合理的施工组织方案，特别是先后次序、施工走向、浇筑面积、分段、分层方法等，都是防范工程出现裂缝的关键点。通常情况下，在大体积混凝土结构中，多采用分层分段分区浇筑，从混凝土浇筑厚度上进行严格控制，而振捣工艺控制是保障混凝土初凝厚度的重中之重。一般情况下分层浇筑厚度不高于 30 cm。在分层浇筑施工中， 要保持施工的连续性，避免中断，特别是对于中断时间超过初凝时间的，需要对接缝进行处理。另外，在振捣控制上，一是做好振捣器插入间距的控制，避免与模板接触；二是在平板式振捣中，要注重全面覆盖，且在移动中要做重叠振捣；在确定振捣位置、顺序时，要结合模板结构、振捣器性能进行调校和测试。

编辑：王慧