【水利水电】李想 教材精讲班教案 07-第1章-1.2-水利水电工程设计（四）

1.2.3水工建筑物结构受力状况及主要设计方法1.2水利水电工程设计1.2.1水利水电工程等级划分及工程特征水位(★★★)1.2.2水利水电工程合理使用年限及耐久性(★★★)1.2.3水工建筑物结构受力状况及主要设计方法(★)1.2.4水利水电工程建筑材料的应用(★★★)1.2.5水力荷载(★)1.2.6渗流分析(★★)1.2.7水流形态及消能方式(★)考情分析:单选题:2009(1),2010(1);多选题:无;案例题:2019(1),2022(1)<超>｡一､二建教材重复程度:20%｡教材内容:水工建筑物的分类2.水工建筑物结构荷载3.水工建筑物的基本设计方法4.水工建筑物结构设计的基本方法5.典型水工建筑物结构受力分析6.水工建筑物抗滑稳定分析7.水工建筑物应力分析8.水工建筑物渗流分析9.水工建筑物沉降计算10.水工建筑物抗震设计导入:1.水工建筑物的分类1.水工建筑物的分类(0)框架➊水工建筑物可按<使用期限>和<功能>进行分类｡➋按<使用期限>可分为:①永久性水工建筑物和②临时性水工建筑物｡1.水工建筑物的分类➊按功能分类按<功能>分为以下类型:(1)挡水建筑物(2)泄水建筑物(3)输水建筑物(4)取(进)水建筑物(5)渠系建筑物(6)河道整治建筑物(7)专门建筑物1.水工建筑物的分类➊按功能分类按<功能>分为以下类型:(1)挡水建筑物(壅水建筑物):是用来拦截江河,形成水库或壅高水位的建筑物,如各种坝和水闸以及堤防､海塘等｡(2)泄水建筑物:是用于宣泄洪水､排放泥砂和冰凌,以及为了人防､检修而放空水库､渠道等,如各种溢流坝､坝身泄水孔､岸边溢洪道､水闸和泄水隧洞等｡(可出新老闸互为导流案例题)(3)输水建筑物:是为了发电､灌溉和供水的需要,从上游向下游输水用的建筑物,如引水隧洞､引水涵管､渠道等｡(4)取(进)水建筑物:是输水建筑物的首部建筑物,如引水隧洞的进水口段､灌溉渠首和供水用的进水闸､抽水站等｡(5)渠系建筑物:如渠道上的节制闸､分水闸､渡槽､倒虹吸､沉沙池､冲沙池､跌水､陡坡等｡(6)河道整治建筑物(次要建筑物):是用以改善河流的水流条件,调整河流水流对河床及河岸的作用以及为防护水库､湖泊中的波浪和水流对岸坡冲刷的建筑物,如丁坝､顺坝､导流堤､护底和护岸等｡(7)专门建筑物:用于发电､通航､过木､过鱼等单一目的的建筑物,如水电站､船闸､升船机､鱼道､鱼闸､过木道(机)､筏道等｡1.水工建筑物的分类➋按使用期限分类㊀永久建筑物(1)主要建筑物:是指失事后造成下游灾害或严重影响工程效益的水工建筑物｡如坝､泄水建筑物､输水建筑物及电站厂房等｡(可考违法分包的案例题)(2)次要建筑物:是指失事后不致造成下游灾害,或工程效益影响不大,易于恢复的水工建筑物｡如失事后不影响主要建筑物和设备运行的挡土墙､导流墙､工作桥及护岸等｡㊁临时性建筑物:是指工程施工期间使用的建筑物,如围堰､导流隧洞､导流明渠等｡2.水工建筑物结构荷载建筑物结构上的荷载:➊永久荷载､➋可变荷载､➌偶然荷载｡➊永久荷载:自重､地应力､围岩压力､土压力､预应力锚固荷载､淤沙压力(有排沙设施时可列为偶然荷载)(2009(1)考点);➋可变荷载:<静水压力,难点>､外水压力､扬压力､动水压力､风荷载､雪荷载､冰压力､冻胀力､浪压力､楼面活荷载､平台活荷载､桥机荷载､闸门启闭机荷载､温度荷载､灌浆荷载､土壤空隙水压力､系缆力､撞击力等;(2021(1)-D考点)➌偶然荷载:<校核洪水>时的静水压力､地震荷载等(2010(1)考点)｡荷载分类:(2024版教材,P23+41,重复)例题1:2009(1)-6.水闸公路桥T形梁的预应力属于()荷载｡A.永久作用B.可变作用C.偶然作用D.施工期临时答案:A解析:永久荷载:自重､地应力､围岩压力､土压力､预应力锚固荷载､淤沙压力(有排沙设施时可列为偶然荷载)例题2:2010(1)-3.拱坝在校核洪水位承受的波浪压力属于()作用荷载｡A.永久B.基本C.可变D.偶然答案:D解析:偶然荷载:<校核洪水>时的静水压力､地震荷载等｡2.水工建筑物结构荷载其中,水工建筑物设计时,首先要计算建筑物上所承受的①荷载,然后再进行荷载组合,以及进行②抗滑稳定分析､③应力分析､④渗流计算､⑤沉降计算､⑥应力应变计算､⑦抗震设计等｡(后面3~10来科普这些知识)3.水工｢建筑物｣的基本设计方法(1)理论分析｡(2)试验研究｡(3)原型观测｡(4)工程类比｡例题:(模拟题)水工建筑物的基本设计方法有()｡A.理论分析 B.试验研究 C.原型观测 D.工程类比E.建模试验答案:ABCD解析:水工｢建筑物｣的基本设计方法(1)理论分析｡(2)试验研究｡(3)原型观测｡(4)工程类比｡4.水工建筑物｢结构设计｣的基本方法目前在水工建筑物结构设计中,主要采用以下两种设计方法:➊单一安全系数法､➋分项系数极限状态设计法｡4.｢结构设计｣的基本方法1)单一安全系数法单一安全系数法,S≤R/K(2022(1)案例),其中K为安全系数,R为结构抗力的取用值,S为作用效应的取用值｡(K=R÷S=能挨四拳打÷挨了三拳打)规范给出的安全系数目标值(表1.2-20,见下页PPT)是工程界根据经验制定的,主要考虑了:(1)结构的安全级别;(2)工作状况及作用效应组合;(3)结构和地基的受力特点及计算所使用的方程｡单一安全系数法把作用荷载､结构尺寸､材料性能和强度等作为确定性量值计入,最后用一个概略的系数K来包容解决各不确定因素可能引起的安全问题｡因此,加大结构的安全系数,并不一定能按比例地增加结构的安全度｡例题:2022(1)5.2背景:某施工单位承担行蓄洪区治理工程中的排涝泵站､堤防加固､河道土方开挖(含疏浚)施工｡排涝泵站设计流量180m3/s,安装6台立式轴流泵,泵站布置清污机桥､进水池､主泵房及出水池等｡主泵房基础采用C35预制钢筋混凝土方桩､高压旋喷桩防渗墙处理｡泵站纵剖面示意图如图5｡工程施工过程中发生了如下事件:事件二:施工单位对承压水突涌的稳定性进行计算分析,判断是否需要对承压水采取降压措施｡计算中不考虑桩基施工对土体的影响,安全系数取1.10,土体的天然重度γs为18kN/m3,水的天然重度γ水为10kN/m3｡例题:2022(1)5.2问题:2.根据事件二,计算并判断本工程是否需要采取降低承压水措施(计算结果保留到小数点后2位)｡答案:2.不需要采取降低承压水措施4.｢结构设计｣的基本方法2)分项系数极限状态设计法比单一的安全系数更接近工程实际｡水工混凝土结构的极限状态分为<承载能力极限状态>和<正常使用极限状态>两类｡典型水工建筑物结构受力分析1)重力坝重力坝因主要依靠自重维持稳定而得名｡所受<主要荷载>的方向和分布如图所示｡2)水闸水闸是一种能调节水位､控制流量的低水头水工建筑物,具有挡水和泄(引)水的双重功能｡所受主要荷载的方向和分布如下图所示｡3)水工挡土墙水工挡土墙是水利水电工程中的承受土压力､防止土体坍塌的挡土建筑物｡水工挡土墙按断面结构形式,可分为重力式､半重力式､衡重式､悬臂式､扶壁式､空箱式､板桩式､锚杆式､加筋式｡悬臂式挡土墙所受主要荷载的方向和分布如下图所示｡6.水工建筑物抗滑稳定分析重力坝<抗滑稳定>计算(受力简图)如图所示,(2019(1)案例)<抗滑力>与<滑动力>的比值反映了坝体稳定程度,称为(抗滑稳定)安全系数,其公式为:（K--抗滑稳定安全系数；f--接触面间的摩擦系数。ΣP：水压力ΣW：自重U：扬压力ΣS：摩擦力7.水工建筑物应力分析强度和稳定性是表示(建筑物安全)的两个重要方面｡应力分析是<校核>强度和稳定的前提｡重力坝应力分析的｢方法｣:➊理论分析法､➋模型试验两大类｡➊理论分析法常用的有:材料力学法､有限元法｡<材料力学法>分析(拱坝),应力分析的方法有:Ⓐ理论分析法､Ⓑ结构模型试验､Ⓒ原型观测三类｡“Ⓐ理论分析法”主要有:Ⓐⓐ.纯拱法､Ⓐⓑ.拱梁分载法､Ⓐⓒ.有限元法､Ⓐⓓ.壳体理论法｡➋模型试验方法有:Ⓓ偏光弹性试验､Ⓔ激光全息试验､Ⓕ脆性材料试验｡8.水工建筑物渗流分析大坝灾难性破坏的原因有五种:(1)洪水漫过原来按不过水坝设计的坝顶,溢流而下;(2)坝体连同部分地基沿软弱面发生滑移破坏;(3)坝体因扬压力过大而沿坝基面滑动;(4)坝体或坝基因管涌或流土而破坏;(5)坝的上､下边坡发生滑移破坏｡渗流在后四种模式中起着重要的作用｡此外,水库水的过量渗漏､水库岸坡的稳定性､水库诱发地震等,也都与渗流的作用密切相关｡(告诉大家,渗流是一切灾难的源泉)渗流分析主要内容有:确定渗透压力;确定渗透坡降(或流速);确定渗流量｡(2013(1)､2015(1)考点)对土石坝,还应确定浸润线的位置｡渗流分析:(2024版教材,P29+45,矛盾)土石坝的渗流分析:①确定浸润线的位置;②确定渗流的主要参数——渗流流速与坡降;③确定渗流量｡闸基的渗流分析:①渗透压力;②渗透坡降;③渗透流速;④渗流量｡9.水工建筑物沉降计算常用<分层总和法>计算｡10.水工建筑物抗震设计地震震级:表承地震时释放能量大小的尺度｡(类似500吨炸药)地震烈度:指某一地区地面和各类建筑物遭受一次地震影响的强弱程度｡(类似100米,5个单位破坏,1000米,1个单位破坏)一次地震只有一个震级,随距离的远近,却可以有不同的烈度｡地震荷载计算方法:动力法和拟静力法两种｡抗震设计时常用到基本烈度和设计烈度｡基本烈度是指建筑物所在地区在今后一定时期内可能遭遇的最大地震烈度｡(类似校核洪水位)作为抗震设计中实际采用的烈度,称为设计烈度｡对于重要建筑物,其设计烈度可在基本烈度的基础上提高1度｡(类似设计洪水位)小结:(一<页>看尽