水工建筑物-第三章 水工建筑物的作用

第三章水工建筑物的作用及作用效应组合本次课主要教学内容

1.作用的定义与分类

2.水工建筑物的自重作用

3.水工建筑物的温度作用

4.水工建筑物的渗流作用

5.水工建筑物的流体作用

6.水工建筑物的地震作用

7.作用效应组合第一节作用的定义与分类（1）作用的定义

使结构产生内力和变形的各种原因总称为结构上的作用。

第一节作用的定义与分类（2）作用的分类－－按随时间的变异分类

永久作用

永久作用即在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。

例如结构自重、土压力、预应力等。

可变作用

可变作用即在设计基准期内量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。

例如水压力、扬压力、浪压力以及风、雪、人群、堆放物品等作用。

偶然作用

偶然作用即在设计基准期内出现概率很小，一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。

例如校核洪水位时的水荷载(包括静水压力、扬压力和动水压力)、地震作用等。

第一节作用的定义与分类（2）作用的分类－按随空间位置的变异分类

固定作用

可动作用（3）按引起结构的反应分类

静态作用

动态作用

例如地震作用、设备振动等。

对于这类作用，在进行结构分析时，应当考虑其动力效应，①可以用乘一个动力系数的办法来考虑，②或采用结构动力学的方法来计算分析。第一节作用的定义与分类（4）按属于安全系数设计法的规范分类

基于结构可靠度理论的规范有《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(GB50199—1994)。

基于安全系数设计法的规范有<混凝土重力坝设计规范>(SL319-2005)、<混凝土拱坝设计规范>（SL282-2003）。该规范将直接施加在结构上的集中力或分布力，称为荷载。

基本荷载

基本荷载即出现机会较多的荷载，例如结构自重、正常蓄水位时的水荷载(包括静水压力、扬压力和动水压力)及浪压力、泥沙压力、土压力、冰压力等荷载。

特殊荷载

特殊荷载即出现机会较少的荷载，例如校核洪水位时的水荷载(包括静水压力、扬压力和动水压力)及浪压力、地震荷载等荷载。第二节自重作用水工建筑物自重属于恒定荷载，对水工建筑物的工作状态起着重要作用混凝土材料自重作用(拱坝的自重)土石材料自重作用土体的干容重（kN／m3）土体的自然容重（kN／m3）土体的饱和容重（kN／m3）土体的浮容重（kN／m3）土压力(1)当刚性连接建筑物在土压力作用下或因地基不均匀沉陷发生变位，至使侧向土压力减小时，可作为主动土压力进行分析。(2)当刚性连接建筑物建造在坚硬的岩基上，同时自身刚度较大，变形较小时，可作为静止土压力进行分析。(3)当刚性连接建筑物在其他荷载作用下有向填土一侧变位时，土坝对连接建筑物产生被动土压力。泥沙压力（主动土压力）第三节温度作用3.1温度作用与温度应力的变化过程3.2温度应力3.3温度作用的计算方法第三节温度作用3.1温度作用与温度应力的变化过程(1)对于工程中广泛采用的混凝土建筑物，其中的温度作用的发展过程，可分为三个阶段：

早期——自混凝土浇筑开始，至水泥水化热作用基本结束止。该阶段为温度升高期。

中期——自水泥水化热作用基本结束起，至混凝土冷却到稳定温度止。该阶段为温度降落期。

晚期——混凝土完全冷却以后的运行期。(2)在温降阶段，随着体积收缩，在混凝土内引起水平拉应力。当拉应力超过极限抗拉强度时，就会开裂。

(3)在施工期间，由于表面散热或寒潮冲击，混凝土内部的温度和表面的温度不同，这种内外温差也是一种温度荷载，可能引起表面开裂。第三节温度作用3.2温度应力当结构的温度有所改变时，由于温度的升高或降低结构将发生膨胀或收缩。如果这种热胀或冷缩变形受到结构外在约束或内部各个部分之间的相互约束的限制而不能自由进行时，结构内将产生相应的应力，这部分应力即是所谓的变温应力，通常又称温度应力。（1）由基础温差引起的应力第三节温度作用3.2温度应力（2）温变荷载对拱坝的影响由基础温差引起的应力对于拱坝，温变引起坝体的径向变位约占总径向变位的1/3~1/2。温降时：拱坝的轴线缩短，向下游变位；温升时：拱坝的轴线伸长，向上游变位；

第三节温度作用3.2温度应力（3）由内外温差引起的应力对于坝块上部，基岩约束的影响很小。由于侧面散热而在沿厚度方向形成显著的内外温差。

第三节温度作用3.2温度应力（4）几点说明

当按弹性体计算混凝土结构的温度和湿度变化引起的应力时，可考虑混凝土的徐变作用（即当外荷载持续作用时，混凝土的变形随时间而逐渐增加，混凝土内的应力则随时间而“松弛”（减小））而予以降低。

重力坝、大头坝、平板坝等一般均设置温度伸缩缝，作为防裂措施，因此设计时周期性温度变化不是主要荷载。

拱坝和连拱坝，由于它们是固接于岩基上的整体结构，坝身不设永久性伸缩缝，设计时必须将周期性温度变化列为主要荷载。

土石坝，一般不考虑温度荷载。对于坝块上部，基岩约束的影响很小。由于侧面散热而在沿厚度方向形成显著的内外温差。

第三节温度作用3.3温度应力计算方法（1）施工期温度应力（2）运行期温度应力第三节温度作用3.3温度应力计算方法定温度边界：如与库水接触的坝面，岩石地基面上。放热边界：比如与空气接触的坝面上。第三节温度作用金安桥重力坝稳定温度场小湾拱坝稳定温度场第三节温度作用3.3温度应力计算方法拱坝计算的拱梁分载法仅计及Tm、Td的变化，而不考虑Tn。非线性温差Tn虽是引起结构表面裂缝的重要原因，但其引起的应力具有自身平衡的性质，不影响结构整体的变位和内力，故可不计平均温度Tm和截面内外温差Td的变化值的具体计算公式可参阅:《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077—1997)《混凝土拱坝设计规范》(SL282-2003)《混凝土重力坝设计规范》

(SL319-2005)1.作用的定义与分类2.水工建筑物的自重作用3.水工建筑物的温度作用

本次课结束！本次课主要教学内容

1.作用的定义与分类

2.水工建筑物的自重作用

3.水工建筑物的温度作用

4.水工建筑物的渗流作用

5.水工建筑物的流体作用

6.水工建筑物的地震作用

7.作用效应组合第四节水工建筑物的渗流作用4.1基本概念(1)扬压力的概念假定坝体不透水筑坝挡水后，在上、下游水位差的作用下，水将经过坝体和坝基向下游渗漏，形成渗透水流。渗流从上游流向下游的过程中，逐步消耗着水头，相应于某一计算点剩余水头的压力称为该点的渗透压力。第四节水工建筑物的渗流作用4.1基本概念(1)扬压力的概念若计算点在下游水位以下，则在该点处又存在着静水压力，也称为浮托力。该点所受的总水压力即为该点的渗透压力和浮托力之和。水压力是各向相等的。当我们考虑建筑物底面或其他水平截面的这种荷载时，其方向是向上的，因此，习惯上称为扬压力。扬压力作用在100%的截面面积上。第四节水工建筑物的渗流作用4.1基本概念当孔隙水因受压而逐渐排除时，所加的荷重才逐渐转移到土粒骨架上，这一过程称为固结过程。土粒骨架所承担的应力称为有效应力

，孔隙水所承担的应力称孔隙水压力，两者之和称为总应力。当水库刚建成蓄水时，水可能尚未渗入材料内部。此时，对土体施加荷重，土体内的应力为总应力，等于有效应力

当水库长期蓄水运行后，水已充分渗入坝体和地基内，则在计算时应计入渗透压力，此时有效应力等于总应力减去渗透力。第四节水工建筑物的渗流作用4.2渗流分析的方法

(1)流体力学法：由达西定律和稳定渗流的连续性条件方程及边界条件，求解：

(2)水力学法：在流体力学基础上，做若干假定、简化、求解渗流区域内的平均渗流要素。第四节水工建筑物的渗流作用4.2渗流分析的方法

(3)有限单元法：流体力学的数值解法(4)手工绘制流网法(5)实验方法：常用的有电模拟法、电网络等模拟试验法4.3渗透力计算混凝土、土体和岩体都是透水材料，渗透水压力是渗流场内由水流的外力转化为作用于土体的内力或体积力，或者说是由动水压力转化为作用于土体的体积力的结果。单位土体沿渗流方向所受的渗透力为：

总渗透力可通过积分得到：第四节水工建筑物的渗流作用4.4几点注记（1）岩体内的渗流是集中在裂隙内流动

（2）由于边界条件通常也很复杂，难以确定，因此在一般情况下，都是参照已建工程的原型观测成果，采用简化图形的办法以确定扬压力第四节水工建筑物的渗流作用4.4几点注记（3）渗流分析理论说明应按渗流体积力来考虑库水对坝体的作用，但对于透水性较小的混凝土重力坝设计中，仍然将库水压力作为表面力作用在坝面。这是因为在坝体靠近上游面的部位一般都设有坝身排水管，因而只是在坝体的上游面附近才作用有渗流体积力第四节水工建筑物的渗流作用

4.4几点注记（4）对于透水性较大的土石坝，一般采用渗流体积力来考虑库水对坝体的作用，但对于透水性较小的薄心墙、薄斜墙、混凝土面板堆石坝的面板，有时需要计算表面静水压力。第四节水工建筑物的渗流作用第五节水工建筑物的流体作用

5.1静水作用5.2动水作用5.3波浪作用5.4冰作用5.5.高速水流作用5.6水工建筑物的冲刷作用和防护第五节水工建筑物的流体作用

5.1静水作用第五节水工建筑物的流体作用

5.2动水作用溢流坝在溢流时，作用在坝面上的动水压力。这些压力一般通过水工试验确定,也可按以下方式作近似计算：水平力（指向上游）

铅直力（指向上游）第五节水工建筑物的流体作用

5.3波浪作用(1)波浪三要素：波浪的波长Ll波浪的高度H1波浪中心线壅高(2)波浪的分类：当H1>（Ll/2）时

波浪运动不受库底的约束，称为深水波。当Hk<H1<（Ll/2）时

波浪运动受到库底影响，波速降低，波长缩短，波浪中心线增大，称为浅水波。当H1<Hk时

波浪发生破碎，称为破碎波。

Hk为使波浪破碎的临界水深第五节水工建筑物的流体作用（3）官厅水库公式

该公式为《混凝土重力坝设计规范》推荐，适用于山区峡谷水库，吹程1～13km，风速4～16m/s时，深水波、浅水波情况下波浪要素的求解。（4）莆田试验站公式

该公式为《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）和《水闸设计规范》（SL265-2001）推荐，适用于浅水波、破碎波情况下波浪要素的求解。土石坝和水闸的波浪公式不详细讲。第五节水工建筑物的流体作用5.4冰作用

分静冰压力与动冰压力两种。静冰压力:江河渠湖或水库等水面结冰后，因温度升高冰层膨胀而对建筑物产生的压力

动冰压力:流动冰块对建筑物撞击时的作用力。

冰压力对中等以上高度的坝并不重要，但对低坝、水闸、闸墩、胸墙等结构物，冰压力则往往成为比较重要的荷载。第五节水工建筑物的流体作用5.5高速水流作用

泄水建筑物中的水流流速增加到一定的程度时(V>16~18m/s)，随之出现一些高速水流如所特有的问题，如高佛氏数、大雷诺数、紊动强烈、对边界变化非常敏感，很容易产生冲击波、掺气、空穴等现象。

（1）空蚀

在水流中，如果水体内部的局部压力降低到气化压力之下，该点的水体将发生气化，形成气化泡。空化泡随水流运动到高压力区时，随即溃灭破裂，同时还伴随一些现象发生（爆裂声，冲击力等），这一现象称为空穴。

空穴发生在固体边壁表面的地方时，空穴泡溃灭的巨大冲击力作用在固体边壁材料上，使表面遭受破坏。这样的破坏称为空蚀。

空穴是一种水流现象，空蚀是建筑物的一种破坏形式。第五节水工建筑物的流体作用5.5高速水流作用

（2）掺气

水流在泄槽或溢流坝中流动时，水流中掺入空气的过程叫水流掺气。自然掺气是水流在沿固体边界未受到任何突变或另一股水流的干扰下，水气界面(自由面)到达某种临界状态后，空气自然掺入水流的过程。水面自然掺气使水体膨胀，水深加大；加剧水流紊动，导致建筑物振动；产生雾化等，影响水工建筑物正常工作。第五节水工建筑物的流体作用5.5高速水流作用

（2）掺气

水流在泄槽或溢流坝中流动时，水流中掺入空气的过程叫水流掺气。强迫掺气是水流受到闸门槽、闸墩、升跌坎、水跃的漩滚或两股水流交汇等外界条件突变时，水流原有流动状态受到破坏，引起局部强烈扰动，致使空气掺入的过程。泄洪洞在泄流时，在埋深不足的情况下可能产生吸入漩涡，导致水流掺气。在溢流坝和泄槽中，常设有掺气坎，用强迫掺气的方法减轻或消除可能产生的空蚀破坏。第五节水工建筑物的流体作用5.5高速水流作用

（3）脉动脉动的基本特征是流场内的流速和压力随着时间不断地变化。脉动压力作用在建筑物表面可能产生下列问题：(i)产生振动。当水流压力脉动的频率与建筑物的固有频率接近时，可能产生共振，严重的威胁建筑物的安全。在压力脉动频率中，影响最大的是频率低、能量大的主频率。（ii）产生负压。脉动压力有正有负。当瞬时负压大于平均压力时，建筑物表面会出现瞬时负压。反复出现负压，可能导致空蚀破坏等工程问题。第五节水工建筑物的流体作用5.6水工建筑物的冲刷作用和防护必须采取妥善的手段将下泄水流的危害消除泄水建筑物消能的原则就是要将下泄水流的能量消刹在水流漩滚紊动中泄水建筑物的消能方式分为体内消能和体外消能。第五节水工建筑物的流体作用5.6水工建筑物的冲刷作用和防护第六节水工建筑物的地震作用

地震会引起对水工建筑物的动力作用，在地震区筑坝，必须考虑地震作用。

水工建筑物抗震计算应考虑的地震作用为：建筑物自重和其上的荷重所产生的地震惯性力。地震动土压力。地震动水压力。地震作用求解方法：拟静力法－－反映谱法时程法第六节水工建筑物的地震作用

抗震设计中常用到基本烈度和设计烈度的概念(1)基本烈度指建筑所在地区，50年基准期内，可能遭遇的地震事件中，超越概率为0.10所对应的烈度。一般为《中国地震烈度区划图（1990）》上所标示的地震烈度值，对重大工程应通过专门的场地地震危险性分析工作确定。(2)设计烈度指在基本烈度基础上确定的作为工程设防依据的地震烈度。一般情况下，设计烈度等于基本烈度(3)对于1级水工建筑物，可根据工程的重要性、受害后果的危害性及工程地点的地质条件的复杂性，在基本烈度的基础上提高1度。(4)设计烈度在6度以下可不进行抗震设计，而设计烈度高于9度的水工建筑物或高度超过250m的壅水建筑物，其抗震安全性应进行专门研究论证。第六节水工建筑物的地震作用

6.1地震惯性力按《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073-1997），采用拟静力法时,沿建筑物高度作用于质点i的水平向地震惯性力代表值可统一用下式计算：

Fi为作用在质点i的水平向地震惯性力代表值，kN。

g为重力加速度，取m/s2。

GEi为集中在质点的重力，kN；

αh为水平向设计地震加速度代表值。ξ为地震作用的效应折减系数，除另外规定外，取ξ=0.25。

αi为质点的动态分布系数。

第六节水工建筑物的地震作用6.1地震惯性力质点的动态分布系数αi，是根据对地震区设计或已建的各类水工建筑物进行大量动力分析的基础上，按不同结构类型、高度归纳出的大体上能反映结构动态反应特征的地震作用效应沿高度分布规律。对不同的水工建筑物，或在建筑物不同高度处，有不同的取值规定，由此得出分布的地震作用仍以静态作用形式给出。第六节水工建筑物的地震作用6.1地震惯性力－－重力坝第六节水工建筑物的地震作用6.2地震动水压力地震时，坝前、坝后的水也随着震动，形成作用在坝面上的激荡力，称为地震动水压力。

采用拟静力法计算重力坝地震作用效应时，水深h处的地震动水压强代表值按下式计算：

式中

：py为作用在直立迎水坝面水深h处的地震动水压强代表值，kN/m2；ψ(h)为水深h处的地震动水压力分布系数；ρw为水体质量密度标准值，kg/m3；H1为水深，m。

第六节水工建筑物的地震作用6.3地震动土压力位于河床部位的坝、水闸等挡水建筑物上游一般没有土压力，也就不存