1、第二章 水工建筑物設(shè)計(jì)綜述水 工 建 筑 物2.1 水利工程設(shè)計(jì)的任務(wù)和特點(diǎn)一、水利工程定義特點(diǎn)二、水利技術(shù)工作勘測(cè)：水文、氣象、地質(zhì)、地理、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)信息。規(guī)劃：統(tǒng)一部署，主要依據(jù)社會(huì)現(xiàn)實(shí)、自然環(huán)境。工程設(shè)計(jì)：運(yùn)用科學(xué)技術(shù)、設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)原理。工程施工：組織人力、物力高質(zhì)量完成任務(wù)。工程管理：已建成工程的調(diào)度、運(yùn)行、維修、監(jiān)測(cè)、經(jīng)營科技開發(fā)：研究新理論、新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)等，以提高科技水平。2.1 水利工程設(shè)計(jì)的任務(wù)和特點(diǎn)三、水利工程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一般步驟技術(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)各學(xué)科研制了對(duì)應(yīng)的軟件，便于工程師設(shè)計(jì)水利工程的自身特點(diǎn)個(gè)性

2、突出：幾乎每個(gè)工程均有其獨(dú)特的水文、地質(zhì)、自然條件規(guī)模大、風(fēng)險(xiǎn)大：需謹(jǐn)慎、嚴(yán)格，必要時(shí)需試驗(yàn)研究規(guī)程規(guī)范指導(dǎo)性強(qiáng)：總結(jié)歷史，參考經(jīng)驗(yàn)，形成規(guī)程規(guī)范，少走彎路。施工外界干擾大2.1 水利工程設(shè)計(jì)的任務(wù)和特點(diǎn)2.1 水利工程設(shè)計(jì)的任務(wù)和特點(diǎn)四、設(shè)計(jì)工作水平 根據(jù)有無參考樣本和工程經(jīng)驗(yàn)，可分為以下幾種：開發(fā)型設(shè)計(jì)：提出創(chuàng)造性的新型方案，但難度大、風(fēng)險(xiǎn)大、投資高。更新型設(shè)計(jì)：在常規(guī)型式、設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上改進(jìn)局部建筑物設(shè)計(jì)原理，如碾壓混凝土壩、面板堆石壩。適配型設(shè)計(jì)：常規(guī)型式上選擇適當(dāng)?shù)某叽纭⒉牧虾筒贾眯褪?。工程設(shè)計(jì)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)適用性、安全性、經(jīng)濟(jì)合理性2.2 設(shè)計(jì)的工作步驟一、水工建筑物設(shè)計(jì)水利工程建設(shè)

3、的全過程是一個(gè)系統(tǒng)工程。關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)工作者需站在全局的高度解決問題。功能需求、資金、人力投入，投資風(fēng)險(xiǎn)分析物力資源、結(jié)構(gòu)型式、工作特點(diǎn),施工導(dǎo)流方案，環(huán)境影響等2.2 設(shè)計(jì)的工作步驟二、設(shè)計(jì)階段的工作步驟收集資料及信息明確總體規(guī)劃及功能提出方案方案比選推薦方案優(yōu)化設(shè)計(jì)和細(xì)部構(gòu)造初定施工方案方案評(píng)價(jià)及驗(yàn)證2.2 設(shè)計(jì)的工作步驟三、分等和分級(jí)1 水利工程(水利樞紐)的分等工程失常影響效益，工程失事造成災(zāi)難 工程規(guī)模有大小，安全程度有高低水利工程分等級(jí)別：五等分等依據(jù)：工程規(guī)模、效益、重要性2.2 設(shè)計(jì)的工作步驟2 水工建筑物的分級(jí)級(jí)別：五級(jí)永久性主要建筑物：大壩、廠房、泄洪閘永久性次要建筑物：擋墻

4、、導(dǎo)墻、護(hù)岸臨時(shí)建筑物：施工圍堰、導(dǎo)流建筑物分級(jí)依據(jù)：工程等別、作用、重要性水工建筑物3 不同級(jí)別水工建筑物有以下不同要求：級(jí)別不同，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期也不相同是研究工程對(duì)策的參照年限，是為確定可變作用及與時(shí)間有關(guān)的材料性能取值而選用的時(shí)間參數(shù)，它不等同于設(shè)計(jì)使用年限。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是一個(gè)基準(zhǔn)參數(shù)，它的確定不僅涉及可變作用（荷載），還涉及材料性能，是在對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上提出來的，一般情況下不能隨意更改。例如我國規(guī)范所采用的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)（包括反映譜和地震最大加速度）的基準(zhǔn)期為50年，如果要求采用基準(zhǔn)期為100年的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)，則不但要對(duì)地震動(dòng)的概率分布進(jìn)行專門研究，還要對(duì)建筑材料乃至設(shè)備的性

5、能參數(shù)進(jìn)行專門的統(tǒng)計(jì)研究。水工建筑物在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的要求1級(jí)擋水建筑物為100年，其它永久建筑物為50年2.2 設(shè)計(jì)的工作步驟2.2 設(shè)計(jì)的工作步驟級(jí)別不同，抗御災(zāi)害能力也不同：防洪標(biāo)準(zhǔn)、抗震標(biāo)準(zhǔn)、壩頂超高級(jí)別不同，安全性不同包括強(qiáng)度、穩(wěn)定、變形三方面水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別級(jí)別不同，運(yùn)行可靠性不同級(jí)別不同，建筑材料不同：品種、質(zhì)量、耐久性2.3 水工建筑物的安全性 一、水工建筑物失事統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)歷史14000座高于15m的壩：1%統(tǒng)計(jì)近代的壩：0.2大壩破壞率大壩失事原因統(tǒng)計(jì)失事原因所占比例失事原因所占比例地基及周邊滲漏16溫度裂縫6地基失穩(wěn)15蓄放水控制不當(dāng)5洪水漫頂12冰融作用4壩體集中滲流

6、11運(yùn)用不當(dāng)4浸蝕水、穴居動(dòng)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壩失事時(shí)間：一半以上失事集中在施工期（16.7%）和使用初期（26.8%）。事故或失事壩型事故或失事發(fā)生時(shí)間施工中第一次蓄水建成5年內(nèi)建成5年后不清楚事故(2013件)混凝土及砌石壩2.64.64.211.710.8土石壩6.910.511.920.016.8失事(108座)混凝土及砌石壩2.811.13.73.70.9土石壩13.915.713.030.54.7表2-5 壩在不同時(shí)刻發(fā)生事故或失事所占百分比2.3 水工建筑物的安全性二、安全儲(chǔ)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定：建筑物設(shè)計(jì)必需具有一定的安全儲(chǔ)備安全儲(chǔ)備的表

7、示方法單一安全系數(shù)法分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法三、極限狀態(tài)極限狀態(tài)的定義當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)（包括地基）或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某種功能要求，這一特定狀態(tài)就叫該功能的極限狀態(tài)。2.3 水工建筑物的安全性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)分類（1）承載能力極限狀態(tài) 當(dāng)出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)為超過了承載能力極限狀態(tài)： 剛體失去平衡（如傾覆等)； 材料強(qiáng)度不足而破壞； 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)(如壓屈等) ； 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系； 結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生滲透失穩(wěn)等現(xiàn)象；（2）正常使用極限狀態(tài)定義：當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件影響正常使用或達(dá)到耐久性的極限值時(shí)，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、設(shè)備、儀表等有不

8、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（包括裂縫）等2.3 水工建筑物的安全性通俗的說：承載能力極限狀態(tài)是已經(jīng)破壞不能使用的狀態(tài)。正常使用極限狀態(tài)是還可以勉強(qiáng)使用。2.3 水工建筑物的安全性 結(jié)構(gòu)功能函數(shù)功能函數(shù)結(jié)構(gòu)抗力作用效應(yīng) 極限狀態(tài)方程基本變量功能限值2.3 水工建筑物的安全性四、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則水工建筑物事故或失事的主要因素作用的不利性變異：實(shí)際值設(shè)計(jì)值抗力的不良性變異：實(shí)際值設(shè)計(jì)值狀態(tài)方程表達(dá)不正確：抗力或作用效應(yīng)的表達(dá)、計(jì)算錯(cuò)誤1 單一安全系數(shù)法（水工規(guī)范）表達(dá)式：安全系數(shù)K考慮的因素結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)； 工作狀況和作用效應(yīng)組合； 結(jié)構(gòu)和地基的受力特點(diǎn)和計(jì)算方

9、法:模擬準(zhǔn)確度材料抗力、作用的實(shí)驗(yàn)、勘測(cè)方法和取值規(guī)則。不足之處是定性的標(biāo)準(zhǔn)，沒有定量的意義；不同建筑物不可比較； 同一結(jié)構(gòu)的不同破壞狀況之間不可比較。2.3 水工建筑物的安全性2.3 水工建筑物的安全性2 分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法理論基礎(chǔ)：基于概率原理的結(jié)構(gòu)可靠度分析理論失效概率：不能完成預(yù)定功能的概率，pf =Pg(.)100m,庫容5億m3（大2型）時(shí)需考慮誘發(fā)地震。地震測(cè)量：地面加速度、峰值加速度，如6級(jí)地震的a0.05g。水工建筑物的地震作用效應(yīng)斷層錯(cuò)動(dòng)砂土地層液化庫水產(chǎn)生動(dòng)水壓力建筑物振動(dòng)開裂、傾倒填土產(chǎn)生動(dòng)土壓力水庫庫岸崩塌土石壩壩坡滑動(dòng)地基沉降效應(yīng)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、抗震設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)烈度：一般將基本烈度作為設(shè)計(jì)烈度?？拐鹪O(shè)防等級(jí)：規(guī)定建筑物需要設(shè)防的最小地震烈度。表示場(chǎng)地地震大于等于6級(jí)時(shí)才需設(shè)防，否則可不設(shè)防工程抗震設(shè)防等級(jí)建筑物級(jí)別場(chǎng)地基本烈度甲1（雍水）6乙1（非雍水）7丙2、3丁4、5表27 工程抗震設(shè)防等級(jí)抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容抗震計(jì)算工程抗震措施設(shè)計(jì)烈度為6度時(shí)，可不進(jìn)行抗震計(jì)算，只考慮抗震措施。設(shè)計(jì)烈度高于9度時(shí)，或9度的高于250m的壅水建筑物，應(yīng)進(jìn)行專門的抗震研究。抗震設(shè)計(jì)的基本要求：能抵御設(shè)計(jì)烈度地震，如有損壞，處理后仍可使用。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數(shù)：設(shè)計(jì)用地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度與重力

11、加速度的比值。豎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 水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值2.4 水工建筑物的抗震分析三、 地震作用效應(yīng)作用的分類靜態(tài)作用（靜荷載）：自重、溫度作用動(dòng)態(tài)作用（動(dòng)荷載）：地震作用、風(fēng)作用、波浪作用運(yùn)動(dòng)方程質(zhì)量矩陣加速度列陣阻尼矩陣速度列陣剛度矩陣位移矩陣地面運(yùn)動(dòng)加速度列陣2.4 水工建筑物的抗震分析抗震分析方法1、2級(jí)水工建筑物：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證抗震設(shè)防等級(jí)為甲類的水工建筑物：動(dòng)力法乙、丙類水工建筑物：動(dòng)力法或擬靜力法丁類水工建筑物：擬靜力法或采取抗震措施動(dòng)力法的數(shù)值解法直接積分法 將地震地面運(yùn)動(dòng)記錄直接輸入結(jié)構(gòu)體系來求解的結(jié)構(gòu)的地震反

12、應(yīng)。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問題地震作用的不確定性及設(shè)計(jì)地震參數(shù)和波型的選擇地震動(dòng)輸入機(jī)制結(jié)構(gòu)庫水地基間的動(dòng)力相互作用壩體和地基的非線性影響地震反應(yīng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法2.5 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)的定義標(biāo)準(zhǔn)的特性ISO：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織二、國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2394結(jié)構(gòu)可靠性總原則（1998）三、中國標(biāo)準(zhǔn)我國標(biāo)準(zhǔn)分類：國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水利技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系表（2001）電力標(biāo)準(zhǔn)體系表（1995）建設(shè)工程質(zhì)量管理?xiàng)l例（2000）2.6 水工建筑物施工過程的狀況分析施工導(dǎo)流的措施未建成的建筑物上臨時(shí)泄流：壩體泄流將永久性建筑物結(jié)合導(dǎo)流建筑物布置：泄洪洞與導(dǎo)流洞結(jié)合，泄水、排沙孔與導(dǎo)流孔結(jié)合利用臨時(shí)剖面施工期蓄洪修建專用的導(dǎo)流建筑物大壩施工期失事的原因洪水漫頂、壩坡滑動(dòng)、地基滑動(dòng)、不均勻沉降、壩體開裂水工建筑物施工期的工作特點(diǎn)尺寸不足、材料強(qiáng)度低、孔隙水多，固結(jié)度低。某些作用的最大值是在施工期出現(xiàn)的本章重點(diǎn)內(nèi)容水利工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)水工建筑物的設(shè)計(jì)步驟水電工程和水工建筑物如何分級(jí)？極限狀態(tài)的概念水利工程的安全儲(chǔ)備在設(shè)計(jì)中如何體現(xiàn)？可靠度、失效概率、可靠指標(biāo)水工建筑物如何進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)？2.2 設(shè)計(jì)的工作步驟和特點(diǎn)2.2