水工建筑物设计综述

1、第二章 水工建筑物设计综述水 工 建 筑 物2.1 水利工程设计的任务和特点一、水利工程定义特点二、水利技术工作勘测：水文、气象、地质、地理、经济及社会信息。规划：统一部署，主要依据社会现实、自然环境。工程设计：运用科学技术、设计理论、设计原理。工程施工：组织人力、物力高质量完成任务。工程管理：已建成工程的调度、运行、维修、监测、经营科技开发：研究新理论、新材料、新工艺、新结构等，以提高科技水平。2.1 水利工程设计的任务和特点三、水利工程设计设计一般步骤技术预测信息分析科学类比系统分析方案设计功能分析安全分析施工方案经济分析综合评价各学科研制了对应的软件，便于工程师设计水利工程的自身特点个性

2、突出：几乎每个工程均有其独特的水文、地质、自然条件规模大、风险大：需谨慎、严格，必要时需试验研究规程规范指导性强：总结历史，参考经验，形成规程规范，少走弯路。施工外界干扰大2.1 水利工程设计的任务和特点2.1 水利工程设计的任务和特点四、设计工作水平 根据有无参考样本和工程经验，可分为以下几种：开发型设计：提出创造性的新型方案，但难度大、风险大、投资高。更新型设计：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。适配型设计：常规型式上选择适当的尺寸、材料和布置型式。工程设计优劣的评价适用性、安全性、经济合理性2.2 设计的工作步骤一、水工建筑物设计水利工程建设

3、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2.2 设计的工作步骤二、设计阶段的工作步骤收集资料及信息明确总体规划及功能提出方案方案比选推荐方案优化设计和细部构造初定施工方案方案评价及验证2.2 设计的工作步骤三、分等和分级1 水利工程(水利枢纽)的分等工程失常影响效益，工程失事造成灾难 工程规模有大小，安全程度有高低水利工程分等级别：五等分等依据：工程规模、效益、重要性2.2 设计的工作步骤2 水工建筑物的分级级别：五级永久性主要建筑物：大坝、厂房、泄洪闸永久性次要建筑物：挡墙

4、、导墙、护岸临时建筑物：施工围堰、导流建筑物分级依据：工程等别、作用、重要性水工建筑物3 不同级别水工建筑物有以下不同要求：级别不同，设计基准期也不相同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。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），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（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进行专门研究，还要对建筑材料乃至设备的性

5、能参数进行专门的统计研究。水工建筑物在设计基准期内的要求1级挡水建筑物为100年，其它永久建筑物为50年2.2 设计的工作步骤2.2 设计的工作步骤级别不同，抗御灾害能力也不同：防洪标准、抗震标准、坝顶超高级别不同，安全性不同包括强度、稳定、变形三方面水工建筑物的结构安全级别级别不同，运行可靠性不同级别不同，建筑材料不同：品种、质量、耐久性2.3 水工建筑物的安全性 一、水工建筑物失事统计统计历史14000座高于15m的坝：1%统计近代的坝：0.2大坝破坏率大坝失事原因统计失事原因所占比例失事原因所占比例地基及周边渗漏16温度裂缝6地基失稳15蓄放水控制不当5洪水漫顶12冰融作用4坝体集中渗流

6、11运用不当4浸蚀水、穴居动物9波浪作用2地震6原因不明102.3 水工建筑物的安全性大坝失事时间：一半以上失事集中在施工期（16.7%）和使用初期（26.8%）。事故或失事坝型事故或失事发生时间施工中第一次蓄水建成5年内建成5年后不清楚事故(2013件)混凝土及砌石坝2.64.64.211.710.8土石坝6.910.511.920.016.8失事(108座)混凝土及砌石坝2.811.13.73.70.9土石坝13.915.713.030.54.7表2-5 坝在不同时刻发生事故或失事所占百分比2.3 水工建筑物的安全性二、安全储备设计标准明确规定：建筑物设计必需具有一定的安全储备安全储备的表

7、示方法单一安全系数法分项系数极限状态设计法三、极限状态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。2.3 水工建筑物的安全性极限状态设计分类（1）承载能力极限状态 当出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态： 刚体失去平衡（如倾覆等)； 材料强度不足而破坏； 结构失稳(如压屈等) ； 结构转变为机动体系； 结构体产生渗透失稳等现象；（2）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 对运行人员、设备、仪表等有不

8、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响的局部损坏（包括裂缝）等2.3 水工建筑物的安全性通俗的说：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。2.3 水工建筑物的安全性 结构功能函数功能函数结构抗力作用效应 极限状态方程基本变量功能限值2.3 水工建筑物的安全性四、设计准则水工建筑物事故或失事的主要因素作用的不利性变异：实际值设计值抗力的不良性变异：实际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1 单一安全系数法（水工规范）表达式：安全系数K考虑的因素结构的安全等级； 工作状况和作用效应组合； 结构和地基的受力特点和计算方

9、法:模拟准确度材料抗力、作用的实验、勘测方法和取值规则。不足之处是定性的标准，没有定量的意义；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。2.3 水工建筑物的安全性2.3 水工建筑物的安全性2 分项系数极限状态设计法理论基础：基于概率原理的结构可靠度分析理论失效概率：不能完成预定功能的概率，pf =Pg(.)100m,库容5亿m3（大2型）时需考虑诱发地震。地震测量：地面加速度、峰值加速度，如6级地震的a0.05g。水工建筑物的地震作用效应断层错动砂土地层液化库水产生动水压力建筑物振动开裂、倾倒填土产生动土压力水库库岸崩塌土石坝坝坡滑动地基沉降效应2.4 水工建筑物的抗震分析2.

10、4 水工建筑物的抗震分析二、抗震设计设计烈度：一般将基本烈度作为设计烈度。抗震设防等级：规定建筑物需要设防的最小地震烈度。表示场地地震大于等于6级时才需设防，否则可不设防工程抗震设防等级建筑物级别场地基本烈度甲1（雍水）6乙1（非雍水）7丙2、3丁4、5表27 工程抗震设防等级抗震设计内容抗震计算工程抗震措施设计烈度为6度时，可不进行抗震计算，只考虑抗震措施。设计烈度高于9度时，或9度的高于250m的壅水建筑物，应进行专门的抗震研究。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。2.4 水工建筑物的抗震分析2.4 水工建筑物的抗震分析地震系数：设计用地面运动峰值加速度与重力

11、加速度的比值。竖向地震加速度代表值取水平向的2/3地震烈度789h0.1g0.2g0.4g表2-8 水平向设计地震加速度代表值2.4 水工建筑物的抗震分析三、 地震作用效应作用的分类静态作用（静荷载）：自重、温度作用动态作用（动荷载）：地震作用、风作用、波浪作用运动方程质量矩阵加速度列阵阻尼矩阵速度列阵刚度矩阵位移矩阵地面运动加速度列阵2.4 水工建筑物的抗震分析抗震分析方法1、2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动力法的数值解法直接积分法 将地震地面运动记录直接输入结构体系来求解的结构的地震反

12、应。振型分解法2.4 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地震作用的不确定性及设计地震参数和波型的选择地震动输入机制结构库水地基间的动力相互作用坝体和地基的非线性影响地震反应的动态设计方法2.5 水工建筑物设计的规范体系一、标准的基本概念标准的定义标准的特性ISO：国际标准化组织二、国际标准ISO2394结构可靠性总原则（1998）三、中国标准我国标准分类：国家标准、行业标准、地方标准、企业标准水利技术标准体系表（2001）电力标准体系表（1995）建设工程质量管理条例（2000）2.6 水工建筑物施工过程的状况分析施工导流的措施未建成的建筑物上临时泄流：坝体泄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利用临时剖面施工期蓄洪修建专用的导流建筑物大坝施工期失事的原因洪水漫顶、坝坡滑动、地基滑动、不均匀沉降、坝体开裂水工建筑物施工期的工作特点尺寸不足、材料强度低、孔隙水多，固结度低。某些作用的最大值是在施工期出现的本章重点内容水利工程设计的特点水工建筑物的设计步骤水电工程和水工建筑物如何分级？极限状态的概念水利工程的安全储备在设计中如何体现？可靠度、失效概率、可靠指标水工建筑物如何进行抗震设计？2.2 设计的工作步骤和特点2.2