水工建筑物第二章水工建筑物設(shè)計(jì)分析

1、 水工建筑物第二章 水工建筑物設(shè)計(jì)分析 本章的主要內(nèi)容： 2.1 水利工程設(shè)計(jì)的任務(wù)和特點(diǎn) 2.2 水工建筑物設(shè)計(jì)的步驟 2.3 水工建筑物的安全性 2.4 水工建筑物的抗震分析 2.5 水工建筑物設(shè)計(jì)的規(guī)范體系 2.6 水工建筑物施工過(guò)程的狀況分析一、水利技術(shù)工作 2.1 水利工程設(shè)計(jì)的任務(wù)和特點(diǎn) 水利技術(shù)工作包含多方面的任務(wù)，可分為： （1）勘測(cè)?？辈?、測(cè)量、收集有關(guān)的水文、氣象、地質(zhì)、地理、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)信息。 （2）規(guī)劃。根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)、發(fā)展及自然環(huán)境，確定工程布局。 （3）設(shè)計(jì)。根據(jù)有關(guān)資料，利用科學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)水利樞紐及水工建筑物。 （4）施工。結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件和自然環(huán)境，組織人力、

2、物力，保質(zhì)按時(shí)完成建設(shè)任務(wù)。 （5）管理。對(duì)已建成的水利工程進(jìn)行調(diào)度、運(yùn)行以及對(duì)工程設(shè)施的安全監(jiān)測(cè)、維護(hù)及修理、經(jīng)營(yíng)等工作。 （6）科技開(kāi)發(fā)。追蹤科技的最新成就，針對(duì)工程建設(shè)中存在的問(wèn)題，創(chuàng)造和研究新理論、新材料、新工藝、新型結(jié)構(gòu)等。二、水利工程設(shè)計(jì) 一般經(jīng)歷下述幾個(gè)步驟： 技術(shù)預(yù)測(cè)信息分析科學(xué)類比系統(tǒng)分析方案設(shè)計(jì)功能分析安全分析施工方案經(jīng)濟(jì)分析綜合評(píng)價(jià)。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，有的步驟可能不甚明顯，有的步驟會(huì)有重復(fù)、反饋、修改。但不論大到水利樞紐工程，或者小到一個(gè)局部的構(gòu)件，每個(gè)層次的設(shè)計(jì)大都經(jīng)歷類似的過(guò)程。 設(shè)計(jì)工作的特點(diǎn)： （1）個(gè)性突出。幾乎每個(gè)工程都有其獨(dú)特的水文、地形、地質(zhì)等自然條件，設(shè)計(jì)

3、的工程與已有的工程的功能要求即使相同，也不可套用，只應(yīng)借鑒已有工程的經(jīng)驗(yàn)。 （2）規(guī)模大，風(fēng)險(xiǎn)大。幾乎不容許采用在原型上做試驗(yàn)的方法來(lái)選擇決定最理想的結(jié)構(gòu)。模型試驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型仿真分析都很必要，也能起到很好的參考效用，但還都不能達(dá)到與實(shí)際工程的高度一致，因此，在水工設(shè)計(jì)中經(jīng)驗(yàn)類比還是一種重要的決策手段。 （3）重視規(guī)程、規(guī)范的指導(dǎo)作用。由于設(shè)計(jì)還沒(méi)有擺脫經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，因此，設(shè)計(jì)工作很重視歷史上國(guó)內(nèi)外水工建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，用不同的形式總結(jié)為規(guī)范條文，以期能傳播經(jīng)驗(yàn)，少走彎路。 （4）在施工過(guò)程中，不可能擺脫外界的影響。水工建筑物經(jīng)常會(huì)在未竣工之前，由已建成的部分結(jié)構(gòu)承擔(dān)各種外部作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)10

4、8座大壩的失事，有是在施工過(guò)程中，有是在建成后第一次蓄水時(shí)發(fā)生。 三、設(shè)計(jì)工作水平 按照設(shè)計(jì)工作中有無(wú)參考樣本或已有工程經(jīng)驗(yàn)情況，可將設(shè)計(jì)分為以下幾種類型：（1）開(kāi)發(fā)型設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)對(duì)建筑物功能要求，在沒(méi)有樣板設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)原理的條件下，創(chuàng)造出新型方案。風(fēng)險(xiǎn)大，投入多。 （2）更新型設(shè)計(jì) 改進(jìn)局部的建筑物設(shè)計(jì)原理，使其具有新的質(zhì)和量的特征。例如：在我國(guó)推廣的碾壓混凝土壩、面板堆石壩以及我國(guó)創(chuàng)造的寬尾墩消能工等，都在局部范圍內(nèi)采用了新的設(shè)計(jì)原理。 （3）適配型設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中采用常規(guī)的設(shè)計(jì)原理和型式，研究和選定結(jié)構(gòu)的布置、尺寸和材料，達(dá)到適合當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境、地質(zhì)、地形條件及施工條件、功能要求的常規(guī)設(shè)

5、計(jì)。四、設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn) 在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)時(shí)所掌握的方法，是由已知的原因（條件）推論必然的結(jié)果，是研究客觀規(guī)律的科學(xué)研究方法。 設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)則是逆向的思考，開(kāi)端就明確預(yù)期的結(jié)果，而后致力于尋找能達(dá)到預(yù)期結(jié)果的措施，因此，它和科研方法截然不同，是個(gè)反向演繹的方法。 2.2 水工建筑物設(shè)計(jì)的步驟 一、設(shè)計(jì)階段的工作步驟 （1）收集資料及信息。如：水文、氣象、地形、地質(zhì)資料，地區(qū)經(jīng)濟(jì)資料，施工力量，資金渠道，國(guó)家及地方的有關(guān)政策及法規(guī)等。 （2）明確目標(biāo)。確定工程總體規(guī)劃及其對(duì)樞紐和建筑物的功能要求。 （3）提出方案。以初步選擇的建筑物型式為基礎(chǔ)，考慮與外部的聯(lián)系和制約條件（如與其他建筑物的配

6、合，與施工、管理、投資等的關(guān)系等）修正方案成為可行的。 （4）篩選比較方案。 （5）選定設(shè)計(jì)方案。 （6）對(duì)建筑物進(jìn)行優(yōu)化定型及設(shè)計(jì)細(xì)部構(gòu)造。 （7）初定施工方案。 （8）對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)及驗(yàn)證。 二、水利水電工程分等和水工建筑物分級(jí)1 水利水電工程分等 水利部、能源部頒布的水利水電工程的分等分級(jí)指標(biāo)，將水利水電工程根據(jù)其工程規(guī)模、效益和在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性分為五等，見(jiàn)表2l。表21 水利水電工程分等指標(biāo)表2 水工建筑物分級(jí) 水利水電工程中的永久性水工建筑物和臨時(shí)性水工建筑物，根據(jù)其所屬工程等別及其在工程中的作用和重要性劃分為五級(jí)和三級(jí)，分別見(jiàn)表22和表23。 (1) 永久性水工建筑物的級(jí)別表2

7、2 永久性水工建筑物的級(jí)別 永久性建筑物是指工程運(yùn)行期間使用的建筑物。根據(jù)其重要性分為： 主要建筑物：系指失事后將造成下游災(zāi)害或嚴(yán)重影響工程效益的建筑物，如：堤壩、水閘、電站廠房及泵站等。 次要建筑物：系指失事后不致造成下游災(zāi)害或?qū)こ绦б嬗绊懖淮?，并易于修?fù)的建筑物，如：擋土墻、導(dǎo)流墻及護(hù)岸等。 （2）臨時(shí)性水工建筑物的級(jí)別 臨時(shí)性建筑物是指工程施工期間使用的建筑物，如：導(dǎo)流建筑物、施工圍堰等。表23 臨時(shí)性水工建筑物的級(jí)別 （3）對(duì)特殊情況處理 A 對(duì)于25級(jí)的永久性水工建筑物，工程失事后損失巨大或影響十分嚴(yán)重的，經(jīng)過(guò)論證并報(bào)主管部門(mén)批準(zhǔn)，可提高一級(jí)。對(duì)失事后造成損失不大的14級(jí)主要永久性

8、水工建筑物，經(jīng)過(guò)論證并報(bào)主管部門(mén)批準(zhǔn)，可降低一級(jí)。 B 對(duì)于25級(jí)的永久性水工建筑物，當(dāng)工程地質(zhì)條件特別復(fù)雜或者采用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少的新型結(jié)構(gòu)時(shí)，可提高一級(jí)，但洪水標(biāo)準(zhǔn)不予提高，其意義在于只提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)。 C 對(duì)2、3級(jí)的永久性水工建筑物，如超過(guò)規(guī)范中的壩高，其級(jí)別可提高一級(jí)，但洪水標(biāo)準(zhǔn)可不提高。 D 對(duì)于3級(jí)以下臨時(shí)性水工建筑物，當(dāng)利用其發(fā)電、通航時(shí)，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，可提高一級(jí)。3 對(duì)不同級(jí)別建筑物的要求 （1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期 一級(jí)擋水建筑物應(yīng)采用100年，其他永久性建筑物采用50年。 臨時(shí)建筑物按使用年限及滯后的時(shí)間確定。 特大工程擋水建筑物應(yīng)經(jīng)專門(mén)研究決定。 為了使建筑物的安全性、可

9、靠性與其在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中的重要性相協(xié)調(diào)，在水工設(shè)計(jì)中，對(duì)不同級(jí)別的建筑物在下列幾個(gè)方面應(yīng)有不同的要求： 在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)應(yīng)滿足如下要求： 能承受在正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種作用（荷載）； 在正常使用時(shí)，應(yīng)具有設(shè)計(jì)預(yù)定的功能； 在正常維護(hù)下，應(yīng)具有設(shè)計(jì)預(yù)定的耐久性； 在出現(xiàn)預(yù)定的偶然作用時(shí)，其主體結(jié)構(gòu)仍能保持必須的穩(wěn)定性。 （2）抗御災(zāi)害能力 如：防洪標(biāo)準(zhǔn)，抗震標(biāo)準(zhǔn)，壩頂超高等。 （3）安全性 如：強(qiáng)度和穩(wěn)定安全指標(biāo)，限制變形要求等。水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別，分為三級(jí)，見(jiàn)表24所示。 對(duì)有特殊安全要求的，其安全級(jí)別應(yīng)經(jīng)專門(mén)研究決定； 結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的安全級(jí)別，可依其在水工建筑物中的部位，本身破壞

10、對(duì)水工建筑物安全影響的大小，取與水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別相同或降低一級(jí)。 地基、基礎(chǔ)的安全級(jí)別應(yīng)與建筑物的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別相同。 表24水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別重力壩安全加高h(yuǎn)C（m） （4）運(yùn)行可靠性 如：建筑物的供水、供電、通航的保證 率，閘門(mén)等設(shè)備的可用性等。 （5）建筑材料 如：使用材料的品種、質(zhì)量及耐久性等。 2.3 水工建筑物的安全性 一、水工建筑物的失事情況統(tǒng)計(jì) 第14次國(guó)際大壩會(huì)議總報(bào)告中指出，在歷年已建成的14000個(gè)高于15m的壩中（不完全統(tǒng)計(jì)），破壞率近1。近代由于科技進(jìn)步，破壞率已降至。 喬戈瓦澤對(duì)近9000座大壩中失事及出現(xiàn)事故的700例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果為： （1）地基滲漏或沿

11、連接邊墩滲漏占16； （2）地基喪失穩(wěn)定性占15； （3）洪水漫頂及泄洪能力不足占12； （4）壩體集中滲漏占11； （5）浸蝕性水或穴居動(dòng)物通道占9； （6）地震（包括水庫(kù)蓄水誘發(fā)地震）占6； （7）溫度裂縫及收縮裂縫占6； （8）水庫(kù)蓄水或放空控制不當(dāng)占5； （9）冰融作用占4； （10）運(yùn)用不當(dāng)占4； （11）波浪作用占2； （12）原因不明的有10。 德賽爾維拉對(duì)出現(xiàn)事故和失事的2121座壩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析結(jié)果見(jiàn)表25。 表25 壩在不同時(shí)刻出現(xiàn)事故和失事所占百分比 單位： 可以看出，大壩失事有一半以上集中在施工期及使用初期，反映出設(shè)計(jì)及施工中的缺陷，大部分是在建設(shè)中和使用初期很快暴露出

12、來(lái)的。二、安全儲(chǔ)備 為了保證建筑物安全，必須在規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段詳加分析，保證其在蓄水、泄水能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性等方面均有一定的安全儲(chǔ)備。 在建筑物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，明確規(guī)定出安全儲(chǔ)備的要求。其表達(dá)形式有： 單一安全系數(shù)法 分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 三、極限狀態(tài) 當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)（包括地基）或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某種功能要求時(shí)，稱此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。 水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB5019994）規(guī)定:（1）承載能力極限狀態(tài) 當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)為超過(guò)了承載能力極限狀態(tài)： 失去剛體平衡； 超過(guò)材料強(qiáng)度而破壞，或因過(guò)度的塑性變形而不適于

13、繼續(xù)承載； 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失彈性穩(wěn)定； 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系； 土石結(jié)構(gòu)或地基、圍巖產(chǎn)生滲流失穩(wěn)等。（2）正常使用極限狀態(tài) 當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件影響正常使用或到達(dá)耐久性的極限值時(shí)，即認(rèn)為達(dá)到了正常使用極限狀態(tài)： 影響結(jié)構(gòu)正常使用或外觀變形； 對(duì)運(yùn)行人員或設(shè)備、儀表等有不良影響的振動(dòng)； 對(duì)結(jié)構(gòu)外形、耐久性以及防滲結(jié)構(gòu)抗?jié)B能力有不良影響的局部損壞等。即此時(shí)結(jié)構(gòu)是不適于使用的。 結(jié)構(gòu)的功能狀態(tài)一般用功能函數(shù)來(lái)表示: 式中的Xi（i1，2，n）為基本變量，包括影響結(jié)構(gòu)的各種作用（荷載），也包括結(jié)構(gòu)本身的抗力，如材料性能等；c為功能限值，如梁的撓度，許可裂縫寬度等。最簡(jiǎn)單的情況，上式可以寫(xiě)為： R結(jié)構(gòu)抗力； S

14、作用效應(yīng)。當(dāng)功能函數(shù)等于0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。極限狀態(tài)方程為： 在簡(jiǎn)單情況時(shí)，即： 設(shè)計(jì)中要求： RS0，（安全） ZRSZg（Xl，X2，Xn，c）0RS0四、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1 單一安全系數(shù)法 要求:作用效應(yīng)結(jié)構(gòu)抗力安全系數(shù) 即 SRK 或 K=RS【K】 K安全系數(shù)； R結(jié)構(gòu)抗力； S作用效應(yīng)； 【K】規(guī)范給定的（允許）安全系數(shù)優(yōu)點(diǎn)：形式簡(jiǎn)便，現(xiàn)有水工設(shè)計(jì)規(guī)范大都沿用此法。缺點(diǎn)：定性的標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有定量的意義。不同的建筑物之間不可比較，同一結(jié)構(gòu)的不同破壞狀況之間也不可比較。 2 分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 此法的基點(diǎn)是概率原理的結(jié)構(gòu)可靠度分析理論，是一個(gè)將結(jié)構(gòu)的安全性和適用性定量化的理論。將結(jié)構(gòu)不能完

15、成預(yù)定功能的概率稱為失效概率pf，即 式中g(shù)（）為結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的簡(jiǎn)寫(xiě)，g（）0即結(jié)構(gòu)功能失效，g（）0是失效事件的集合。 結(jié)構(gòu)的可靠度，即結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的概率，記為ps，因此 ps1pf 規(guī)范中給出了下列幾個(gè)分項(xiàng)系數(shù)： （1）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0。 對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)的安全級(jí)別I級(jí)、II級(jí)、III級(jí)分別取、。 （2）作用分項(xiàng)系數(shù)F?？紤]作用對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)值的不利變異。式中Fd作用的設(shè)計(jì)值； Fk作用的標(biāo)準(zhǔn)值。 作用分項(xiàng)系數(shù)F為。 （3）材料性能分項(xiàng)系數(shù)f 。 f 取。 （4）設(shè)計(jì)狀況系數(shù)。對(duì)應(yīng)持久狀況取，短暫狀況取，偶然狀況取。 （5）結(jié)構(gòu)系數(shù)d。反映極限狀態(tài)方程與結(jié)構(gòu)實(shí)有性能的貼近程度、作用效應(yīng)和抗力計(jì)算

16、模型的不定性、以及其他影響不定性的因素。d取 因此，承載能力極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)式一般可表達(dá)為式中 結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值； S（Fd，k）作用效應(yīng)，是Fd及 的函數(shù)； R（fd，k）結(jié)構(gòu)抗力，是fd及 的函數(shù)。 對(duì)正常使用狀態(tài)，設(shè)計(jì)狀況系數(shù)、作用分項(xiàng)系數(shù)及材料性能分項(xiàng)系數(shù)皆取，設(shè)計(jì)式的一般形式為 式中:c功能的限值。 我國(guó)的水工混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及電力部重力壩規(guī)范規(guī)定了分項(xiàng)系數(shù)法。 水工建筑物設(shè)計(jì)的抗震分析 (1) 地震作用 (2) 抗震設(shè)計(jì) (3) 地震作用效應(yīng) (4) 水工建筑物抗震分析的主要問(wèn)題 水工建筑物設(shè)計(jì)的規(guī)范體系 一、標(biāo)準(zhǔn)的基本概念 標(biāo)準(zhǔn)就是衡量各種事物的客觀標(biāo)準(zhǔn)，是指在一定范圍

17、內(nèi)獲得最佳秩序，對(duì)活動(dòng)或其結(jié)果規(guī)定共同的和重復(fù)使用的規(guī)則、導(dǎo)則或特性的文件。標(biāo)準(zhǔn)的特性： 具有法規(guī)性； 標(biāo)準(zhǔn)文件具有統(tǒng)一的格式； 標(biāo)準(zhǔn)是利益雙方協(xié)商一致的結(jié)果。 經(jīng)過(guò)100多年，許多國(guó)家都形成了比較完整的標(biāo)準(zhǔn)體系。 1947年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）成立，它是世界上最大的民間組織機(jī)構(gòu)，它與聯(lián)合國(guó)有著密切聯(lián)系，但不從屬于聯(lián)合國(guó)，ISO是聯(lián)合國(guó)的甲級(jí)咨詢組織。ISO的最高權(quán)力機(jī)構(gòu)是全體會(huì)員大會(huì)。 二、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)包括由ISO、IEC（國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)）所制定的標(biāo)準(zhǔn)。 英國(guó)：BS； 德國(guó)：DIN；美國(guó)：ANSI； 日本工業(yè)：JIS；法國(guó)：NF等。 1998年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織正式發(fā)布了ISO

18、2394結(jié)構(gòu)可靠性總原則。首次提出工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式的具體規(guī)定；首次提出了設(shè)計(jì)壽命的概念并對(duì)各種結(jié)構(gòu)給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)壽命的規(guī)定。 世界上的許多國(guó)家并無(wú)很多規(guī)范，尤其由政府頒發(fā)的就更少，多是一些權(quán)威性的學(xué)術(shù)團(tuán)體制定的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定。美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)1989年組織編寫(xiě)的“水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)土木工程導(dǎo)則”。第一卷“大壩的規(guī)劃設(shè)計(jì)與有關(guān)課題環(huán)境”；第二卷“水道”；第三卷“廠房及有關(guān)課題”；第四卷“小型水電站”；第五卷“抽水蓄能和潮汐電站。三、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)； 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；地方標(biāo)準(zhǔn)； 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 2001年水利部發(fā)布的水利技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系表列出水利技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)615項(xiàng)，有勘測(cè)、設(shè)計(jì)、工程項(xiàng)目審查、咨詢、評(píng)估、工程安全鑒定以及工程施工、驗(yàn)收、運(yùn)行管理的基本依據(jù)。該體系表中具體專業(yè)門(mén)類有：綜合、水文、水資源、水環(huán)境、水利水電、防洪抗旱、供水節(jié)水、灌溉排水、水土保持、小水電及農(nóng)村電氣化和綜合利用等。 1995年頒布的電力標(biāo)準(zhǔn)體系表中涉及水力發(fā)電工程的標(biāo)準(zhǔn)有402項(xiàng)。 本書(shū)的參考