第二章 水工建筑物设计综述

1、重重庆庆交通大交通大学学河海河海学学院院第二章第二章 水工建筑物水工建筑物设计综设计综述述水水 工工 建建 筑筑 物物2.12.1 水利工程水利工程设计设计的任的任务务和特点和特点一、水利工程一、水利工程v 定义定义v 特点特点二、水利技术工作二、水利技术工作v 勘测：水文、气象、地质、地理、经济及社会信息。勘测：水文、气象、地质、地理、经济及社会信息。v 规划：统一部署，主要依据社会现实、自然环境。规划：统一部署，主要依据社会现实、自然环境。v 工程设计：运用科学技术、设计理论、设计原理工程设计：运用科学技术、设计理论、设计原理。v 工程施工：组织人力、物力高质量完成任务。工程施工：组织人力

2、、物力高质量完成任务。v 工程管理：已建成工程的调度、运行、维修、监测、经营工程管理：已建成工程的调度、运行、维修、监测、经营v 科技开发：研究新理论、新材料、新工艺、新结构等，以科技开发：研究新理论、新材料、新工艺、新结构等，以提高科技水平。提高科技水平。2.12.1 水利工程水利工程设计设计的任的任务务和特点和特点三、水利工程设计三、水利工程设计v设计一般步骤设计一般步骤技术预测技术预测信息分析信息分析科学类比科学类比系统分析系统分析方案设计方案设计功能分析功能分析安全分析安全分析施工方案施工方案经济分析经济分析综合评价综合评价各学科研制了对应的软件，便于工程师设计各学科研制了对应的软件，

3、便于工程师设计v水利工程的自身特点水利工程的自身特点n个性突出：几乎每个工程均有其独特的水文、地质、个性突出：几乎每个工程均有其独特的水文、地质、自然条件自然条件n规模大、风险大：需谨慎、严格，必要时需试验研究规模大、风险大：需谨慎、严格，必要时需试验研究n规程规范指导性强：总结历史，参考经验，形成规程规程规范指导性强：总结历史，参考经验，形成规程规范，少走弯路。规范，少走弯路。n施工外界干扰大施工外界干扰大2.12.1 水利工程水利工程设计设计的任的任务务和特点和特点2.12.1 水利工程水利工程设计设计的任的任务务和特点和特点四、设计工作水平四、设计工作水平 根据有无参考样本和工程经验，可

4、分为以下几种：根据有无参考样本和工程经验，可分为以下几种：v 开发型设计开发型设计：提出创造性的新型方案，但难度大、风险大、：提出创造性的新型方案，但难度大、风险大、投资高。投资高。v 更新型设计更新型设计：在常规型式、设计原理的基础上改进局部建：在常规型式、设计原理的基础上改进局部建筑物设计原理，如碾压混凝土坝、面板堆石坝。筑物设计原理，如碾压混凝土坝、面板堆石坝。v 适配型设计适配型设计：常规型式上选择适当的尺寸、材料和布置型：常规型式上选择适当的尺寸、材料和布置型式。式。v 工程设计优劣的评价工程设计优劣的评价n适用性、安全性、经济合理性适用性、安全性、经济合理性2.22.2 设计设计的

5、工作步的工作步骤骤一、水工建筑物设计一、水工建筑物设计v 水利工程建设的全过程是一个系统工程。水利工程建设的全过程是一个系统工程。关键环节设计工作者需站在全局的高度解决问题。功能需求、资金、人力投入，投资风险分析物力资源、结构型式、工作特点,施工导流方案，环境影响等2.22.2 设计设计的工作步的工作步骤骤二、设计阶段的工作步骤二、设计阶段的工作步骤v 收集资料及信息收集资料及信息v 明确总体规划及功能明确总体规划及功能v 提出方案提出方案v 方案比选方案比选v 推荐方案推荐方案v 优化设计和细部构造优化设计和细部构造v 初定施工方案初定施工方案v 方案评价及验证方案评价及验证2.22.2 设

6、计设计的工作步的工作步骤骤三、分等和分级三、分等和分级1 1 水利工程水利工程( (水利枢纽水利枢纽) )的分等的分等工程失常影响效益，工程失事造成灾难工程失常影响效益，工程失事造成灾难 工程规模有大小，安全程度有高低工程规模有大小，安全程度有高低水利工程分等水利工程分等v级别：五等级别：五等v分等依据：工程规模、效益、重要性分等依据：工程规模、效益、重要性2.22.2 设计设计的工作步的工作步骤骤2 2 水工建筑物的分级水工建筑物的分级v级别：五级级别：五级永久性主要建筑物：大坝、厂房、泄洪闸永久性主要建筑物：大坝、厂房、泄洪闸永久性次要建筑物：挡墙、导墙、护岸永久性次要建筑物：挡墙、导墙、

7、护岸临时建筑物：施工围堰、导流建筑物临时建筑物：施工围堰、导流建筑物v分级依据：工程等别、作用、重要性分级依据：工程等别、作用、重要性水工建筑物水工建筑物3 3 不同级别水工建筑物有以下不同要求：不同级别水工建筑物有以下不同要求：v级别不同，设计基准期也不相同级别不同，设计基准期也不相同n是研究工程对策的参照年限，是为确定可变作用及与时间有关的材料是研究工程对策的参照年限，是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数，它不等同于设计使用年限。性能取值而选用的时间参数，它不等同于设计使用年限。n设计基准期是一个基准参数，它的确定不仅涉及可变作用（荷载），设计基准期是一个基准参数，它

8、的确定不仅涉及可变作用（荷载），还涉及材料性能，是在对大量实测数据进行统计的基础上提出来的，还涉及材料性能，是在对大量实测数据进行统计的基础上提出来的，一般情况下不能随意更改。例如我国规范所采用的设计地震动参数一般情况下不能随意更改。例如我国规范所采用的设计地震动参数（包括反映谱和地震最大加速度）的基准期为（包括反映谱和地震最大加速度）的基准期为50年，如果要求采用年，如果要求采用基准期为基准期为100年的设计地震动参数，则不但要对地震动的概率分布年的设计地震动参数，则不但要对地震动的概率分布进行专门研究，还要对建筑材料乃至设备的性能参数进行专门的统计进行专门研究，还要对建筑材料乃至设备的性能

9、参数进行专门的统计研究。研究。n水工建筑物在设计基准期内的要求水工建筑物在设计基准期内的要求n1 1级挡水建筑物为级挡水建筑物为100100年，其它永久建筑物为年，其它永久建筑物为5050年年2.2 设计的工作步骤设计的工作步骤2.2 设计的工作步骤设计的工作步骤v 级别不同，抗御灾害能力也不同：防洪标准、抗震标准、级别不同，抗御灾害能力也不同：防洪标准、抗震标准、坝顶超高坝顶超高v 级别不同，安全性不同级别不同，安全性不同n包括强度、稳定、变形三方面包括强度、稳定、变形三方面n水工建筑物的结构安全级别水工建筑物的结构安全级别v 级别不同，运行可靠性不同级别不同，运行可靠性不同v 级别不同，建

10、筑材料不同：品种、质量、耐久性级别不同，建筑材料不同：品种、质量、耐久性2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性 一、水工建筑物失事统计一、水工建筑物失事统计统计历史统计历史1400014000座高于座高于15m15m的坝：的坝：1%1%统计近代的坝：统计近代的坝：0.20.2v大坝破坏率大坝破坏率v大坝失事原因统计大坝失事原因统计失事原因失事原因所占比例所占比例失事原因失事原因所占比例所占比例地基及周边渗漏地基及周边渗漏1616温度裂缝温度裂缝6 6地基失稳地基失稳1515蓄放水控制不当蓄放水控制不当5 5洪水漫顶洪水漫顶1212冰融作用冰融作用4 4坝体集中渗流坝体集中渗流11

11、11运用不当运用不当4 4浸蚀水、穴居动物浸蚀水、穴居动物9 9波浪作用波浪作用2 2地震地震6 6原因不明原因不明10102.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性v大坝失事时间大坝失事时间：一半以上失事集中在施工期（一半以上失事集中在施工期（16.7%）和使）和使用初期（用初期（26.8%）。）。事故或事故或失事失事坝型坝型事故或失事发生时间事故或失事发生时间施工中施工中第一次第一次蓄水蓄水建成建成5 5年内年内建成建成5 5年后年后不清楚不清楚事故事故(2013(2013件件) )混凝土及混凝土及砌石坝砌石坝2.62.64.64.64.24.211.711.710.810.8土

12、石坝土石坝6.96.910.510.511.911.920.020.016.816.8失事失事(108(108座座) )混凝土及混凝土及砌石坝砌石坝2.82.811.111.13.73.73.73.70.90.9土石坝土石坝13.913.915.715.713.013.030.530.54.74.7表表2-5 2-5 坝在坝在不同时刻不同时刻发生事故或失事所占百分比发生事故或失事所占百分比2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性二、安全储备二、安全储备v设计标准明确规定设计标准明确规定：建筑物设计必需具有一定的安全储备建筑物设计必需具有一定的安全储备v安全储备的表示方法安全储备的表

13、示方法u 单一安全系数法单一安全系数法u 分项系数极限状态设计法分项系数极限状态设计法三、极限状态三、极限状态v极限状态的定义极限状态的定义当整个结构（包括地基）或结构的一部分超过某一特定状当整个结构（包括地基）或结构的一部分超过某一特定状态，结构就不能满足设计规定的某种功能要求，这一特定态，结构就不能满足设计规定的某种功能要求，这一特定状态就叫该功能的极限状态。状态就叫该功能的极限状态。2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性v极限状态设计分类极限状态设计分类（1 1）承载能力极限状态）承载能力极限状态 当出现下列状态当出现下列状态之一之一时，即认为超过了承载能力极限状态：时，即

14、认为超过了承载能力极限状态： 刚体失去平衡（如倾覆等刚体失去平衡（如倾覆等) )； 材料强度不足而破坏；材料强度不足而破坏； 结构失稳结构失稳( (如压屈等如压屈等) ) ； 结构转变为机动体系；结构转变为机动体系； 结构体产生渗透失稳等现象；结构体产生渗透失稳等现象；（2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态定义：当结构或构件影响正常使用或达到耐久性的极定义：当结构或构件影响正常使用或达到耐久性的极限值时，认为达到了正常使用极限状态。限值时，认为达到了正常使用极限状态。 影响结构正常使用或外观变形影响结构正常使用或外观变形 对运行人员、设备、仪表等有不良影响的振动对运行人员、设备、仪表等有

15、不良影响的振动 对结构外形、耐久性以及防渗结构抗渗能力有不良影对结构外形、耐久性以及防渗结构抗渗能力有不良影响的局部损坏（包括裂缝）等响的局部损坏（包括裂缝）等2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性通俗的说：通俗的说：承载能力极限状态是已经破坏不能使用的状态。承载能力极限状态是已经破坏不能使用的状态。正常使用极限状态是还可以勉强使用。正常使用极限状态是还可以勉强使用。2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性v 结构功能函数结构功能函数SRZ功能函数功能函数结构抗力结构抗力作用效应作用效应v 极限状态方程极限状态方程0SRZ12,nZg XXXc基本变量基本变量功能限值功能限值

16、12,0nZg XXXc2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性四、设计准则四、设计准则v水工建筑物事故或失事的主要因素水工建筑物事故或失事的主要因素作用的不利性变异：实际值作用的不利性变异：实际值 设计值设计值抗力的不良性变异：实际值抗力的不良性变异：实际值 设计值设计值状态方程表达不正确：抗力或作用效应的表达、计算错误状态方程表达不正确：抗力或作用效应的表达、计算错误0ZRS1 1 单一安全系数法（水工规范）单一安全系数法（水工规范）表达式：表达式：安全系数安全系数K K考虑的因素考虑的因素结构的安全结构的安全等级等级； 工作状况和作用效应工作状况和作用效应组合组合； 结构和地

17、基的受力特点和计算方法结构和地基的受力特点和计算方法: :模拟准确度模拟准确度材料抗力、作用的实验、勘测方法和取值规则。材料抗力、作用的实验、勘测方法和取值规则。不足之处不足之处是定性的标准，没有定量的意义；是定性的标准，没有定量的意义；不同建筑物不可比较；不同建筑物不可比较； 同一结构的不同破坏状况之间不可比较。同一结构的不同破坏状况之间不可比较。2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性 RRSKKS或2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性2 2 分项系数极限状态设计法分项系数极限状态设计法理论理论基础：基于概率原理的基础：基于概率原理的结构可靠度分析理论结构可靠度

18、分析理论失效概率：不能完成预定功能的概率，失效概率：不能完成预定功能的概率，pf =Pg(.)100m,100m,库容库容55亿亿mm3 3（大（大2 2型）时需考虑型）时需考虑诱发地震。诱发地震。v地震测量：地震测量：地面加速度、峰值加速度，如地面加速度、峰值加速度，如6 6级地震的级地震的a a0.050.05g g。v水工建筑物的地震作用效应水工建筑物的地震作用效应断层错动断层错动砂土地层液化砂土地层液化库水产生动水压力库水产生动水压力建筑物振动开裂、倾倒建筑物振动开裂、倾倒填土产生动土压力填土产生动土压力水库库岸崩塌水库库岸崩塌土石坝坝坡滑动土石坝坝坡滑动地基沉降效应地基沉降效应2.4

19、 水工建筑物的抗震分析水工建筑物的抗震分析2.4 2.4 水工建筑物的抗震分析水工建筑物的抗震分析二、抗震设计二、抗震设计v设计烈度：一般将基本烈度作为设计烈度。设计烈度：一般将基本烈度作为设计烈度。v抗震设防等级：规定建筑物需要设防的最小地震烈度。抗震设防等级：规定建筑物需要设防的最小地震烈度。表示场地地震表示场地地震大于等于大于等于6 6级时级时才需设防，否才需设防，否则可不设防则可不设防工程抗震设防等级工程抗震设防等级建筑物级别建筑物级别场地基本烈度场地基本烈度甲甲1 1（雍水）（雍水）66乙乙1 1（非雍水）（非雍水）77丙丙2 2、3 3丁丁4 4、5 5表表2 27 7 工程抗震设

20、防等级工程抗震设防等级v抗震设计内容抗震设计内容n抗震计算抗震计算n工程抗震措施工程抗震措施v设计烈度为设计烈度为6 6度时，可不进行抗震计算，只考虑抗度时，可不进行抗震计算，只考虑抗震措施。震措施。v设计烈度高于设计烈度高于9 9度时，或度时，或9 9度的高于度的高于250m250m的壅水的壅水建筑物，应进行专门的抗震研究。建筑物，应进行专门的抗震研究。v抗震设计的基本要求：能抵御设计烈度地震，如抗震设计的基本要求：能抵御设计烈度地震，如有损坏，处理后仍可使用。有损坏，处理后仍可使用。2.4 水工建筑物的抗震分析水工建筑物的抗震分析2.4 2.4 水工建筑物的抗震分析水工建筑物的抗震分析v地

21、震系数：地震系数：设计用地面运动峰值加速度与重力加设计用地面运动峰值加速度与重力加速度的比值。速度的比值。v竖向地震加速度代表值取水平向的竖向地震加速度代表值取水平向的2/3地震烈度地震烈度7 78 89 9 h h0.1g0.1g0.2g0.2g0.4g0.4g表表2-8 2-8 水平向设计地震加速度代表值水平向设计地震加速度代表值2.4 2.4 水工建筑物的抗震分析水工建筑物的抗震分析三、三、 地震作用效应地震作用效应v作用的分类作用的分类n静态作用（静荷载）：自重、温度作用静态作用（静荷载）：自重、温度作用n动态作用（动荷载）：地震作用、风作用、波浪作用动态作用（动荷载）：地震作用、风作

22、用、波浪作用v运动方程运动方程质量质量矩阵矩阵加速度加速度列阵列阵阻尼阻尼矩阵矩阵速度速度列阵列阵刚度刚度矩阵矩阵位移位移矩阵矩阵地面运动加地面运动加速度列阵速度列阵 0MxCxKxMx 2.4 2.4 水工建筑物的抗震分析水工建筑物的抗震分析v抗震分析方法抗震分析方法1 1、2 2级水工建筑物：实验验证级水工建筑物：实验验证抗震设防等级为甲类的水工建筑物：动力法抗震设防等级为甲类的水工建筑物：动力法乙、丙类水工建筑物：动力法或拟静力法乙、丙类水工建筑物：动力法或拟静力法丁类水工建筑物：拟静力法或采取抗震措施丁类水工建筑物：拟静力法或采取抗震措施v动力法的数值解法动力法的数值解法直接积分法直接

23、积分法 将地震地面运动记录直接输入结构体系来求解的结将地震地面运动记录直接输入结构体系来求解的结构的地震反应。构的地震反应。振型分解法振型分解法2.4 2.4 水工建筑物的抗震分析水工建筑物的抗震分析四、水工建筑物抗震分析的主要问题四、水工建筑物抗震分析的主要问题v 地震作用的不确定性及设计地震参数和波型的选择地震作用的不确定性及设计地震参数和波型的选择v 地震动输入机制地震动输入机制v 结构库水地基间的动力相互作用结构库水地基间的动力相互作用v 坝体和地基的非线性影响坝体和地基的非线性影响v 地震反应的动态设计方法地震反应的动态设计方法2.5 2.5 水工建筑物设计的规范体系水工建筑物设计的

24、规范体系一、标准的基本概念一、标准的基本概念v 标准的定义标准的定义v 标准的特性标准的特性v ISOISO：国际标准化组织：国际标准化组织二、国际标准二、国际标准v ISO2394ISO2394结构可靠性总原则结构可靠性总原则（19981998）三、中国标准三、中国标准v 我国标准分类：我国标准分类：国家标准、行业标准、地方标准、企业标准国家标准、行业标准、地方标准、企业标准v 水利技术标准体系表水利技术标准体系表（20012001）v 电力标准体系表电力标准体系表（19951995）v 建设工程质量管理条例建设工程质量管理条例（20002000）2.6 2.6 水工建筑物施工过程的状况分析水工建筑物施工过程的状况分析v施工导流的措施施工导流的措施n未建成的建筑物上临时泄流：坝体泄流未建成的建筑物上临时泄流：坝体泄流n将永久性建筑物结合导流建筑物布置：泄洪洞与导流将永久性建筑物结合导流建筑物布置：泄洪洞与导流洞结合，泄水、排沙孔与导流孔结合洞结合，泄水、排沙孔与导流孔结合n利用临时剖面施工期