水工建筑物的荷載計(jì)算

1、水工建筑物的荷載計(jì)算水工建筑物上的作用有：重力、水作用、滲透作用力、風(fēng)及波浪作用、冰及冰凍作用、溫度、土及泥沙作用、地震作用等。一、自重w=v一般素砼取23.524kN/m3，鋼筋砼取24.525kN/m3,漿砌石取21.523kN/m3,對(duì)土 石壩的材料重度應(yīng)根據(jù)具體性能及不同部位，分別取濕重度、干重度、飽和重度、浮重 度等幾種情況計(jì)算。水工建筑物上永久固定設(shè)備，如閘門、啟閉機(jī)等，其自重標(biāo)準(zhǔn)值采用設(shè)備標(biāo)牌重量作用分項(xiàng)系數(shù)：大體積混凝土、土石壩取1.0 ;對(duì)普通水工混凝土、金屬結(jié)構(gòu)（設(shè)備）取1.05 ,當(dāng)自重對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)取 0.95。地下工程的混凝土襯砌取 1.1 ,其對(duì)結(jié)構(gòu)有 利時(shí)取0.9。

2、二、水壓力水體對(duì)各種水工結(jié)構(gòu)均發(fā)生作用，作用結(jié)果是對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水壓力，其可分為靜水壓力和動(dòng)水壓力。1 靜水壓力水體靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)某結(jié)構(gòu)表面的作用力稱為靜水壓力（1）作用在壩、閘等結(jié)構(gòu)面上的水壓力P=1 wH 動(dòng)水壓力（1）漸變流時(shí)的時(shí)均壓強(qiáng):P=Vw w（2）管道及地下結(jié)構(gòu)上的水壓力計(jì)算。 內(nèi)水壓力：作用在管道內(nèi)壁上的靜水壓力； 外水壓力：作用于管道或襯砌外側(cè)的水壓力 對(duì)內(nèi)水壓力，為計(jì)算方便，常將其分解成均勻內(nèi)水壓力和非均勻內(nèi)水壓力兩部分。f p = Y h -Pwr = wi（1 COS，）對(duì)有壓隧洞的砼襯砌的外水壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值可按式（2-6 ）計(jì)算。Pek =- e H e（2-6 ）2 式中：P

3、ek 作用于襯砌上的外水壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值（ KN/m）;e外水壓力折減系數(shù)，可按表 2-1采用；He 作用水頭（m），按設(shè)計(jì)采用的地下水位線與隧洞中心線的 高差確定。同內(nèi)水壓力一樣，外水壓力也可分解成均勻外水壓力和非均勻外水壓力。非均勻外水壓力的合力方向垂直向上，合力的大小應(yīng)等于單位洞長(zhǎng)排開水體的重Ptr = %ghCOSr式中：ptr 過流面上計(jì)算點(diǎn)的時(shí)均壓強(qiáng)代表值(3幾一一水的密度(kg/m);g重力加速度(m/s 2)；h計(jì)算點(diǎn) A的水深(m);e結(jié)構(gòu)物底面與平面的夾角。(2)閘壩反弧段上的動(dòng)水壓力。Per =q 6V/RPxr 二 qV (COS 2 -COSPyr 二 qV(sin sin

4、 】)式中：q相應(yīng)設(shè)計(jì)狀況下反弧段上的單寬流量6 水的密度；V反弧段最低處的斷面平均流速R反弧半徑(m);三、揚(yáng)壓力水滲透引起的水壓力稱滲透壓力， 由下游水深而引起的水壓力稱浮托力N/m);(m3/s.m)；(m/s);滲透壓力和浮托力之和稱為揚(yáng)壓力。1.重力壩、拱壩的揚(yáng)壓力(1) 壩基無防滲帷幕和排水孔幕時(shí)，(2) 當(dāng)壩基上游設(shè)防滲帷幕和排水孔(3) 當(dāng)壩基上游有防滲帷幕和上游主排水孔并設(shè)下游副排水孔及抽排系統(tǒng)時(shí)，對(duì)寬縫重力壩、大頭壩河床段 a取0.2，岸坡段為0.3 ；對(duì)實(shí)體重力壩拱壩等。河床段取0.25，岸坡段取0.35，揚(yáng)壓力強(qiáng)度系數(shù)a 2取0.150.2 ;殘余揚(yáng)壓力系數(shù)a占排水強(qiáng)度

5、有關(guān)，一般情況下均取 0.5。2.水閘揚(yáng)壓力水閘擋水后，產(chǎn)生上下游水頭差 的水流沿鋪蓋及閘底板底面向下游滲 透，使閘底板底面上作用有揚(yáng)壓力。(1) 閘底板上的揚(yáng)壓力。對(duì)巖基 上水閘，板底底面上的揚(yáng)壓力分布圖形，可按實(shí)體重力壩的情況確定。(2) 兩岸墩墻揚(yáng)壓力。軟基上水 閘兩岸墩墻側(cè)向的滲透壓力分布可按 下列情況確定：四、土壓力及淤沙壓力1擋土建筑物的土壓力(1)靜止土壓力當(dāng)墻后填土表面水平，墻背后鉛直時(shí)(見圖 2-7(a)，作用在墻背的靜止土壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算:1 2 FokH KoH式中：忌一一靜止土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m），作用于距墻底 處，水平指3向墻背。 y 擋土墻后填土的重度（KN

6、/m）；擋土墻高度（m）;K=1- cosK0靜止土壓力系數(shù)，當(dāng)墻后為正常固結(jié)粘土?xí)r一一墻后填土的有效內(nèi)摩擦角（）（2）主動(dòng)土壓力計(jì)算 作用在擋土結(jié)構(gòu)單位長(zhǎng)度上的主動(dòng)土壓力，可按土力學(xué)基本公式計(jì)算。擋土墻后土壓力強(qiáng)度在垂直方向?yàn)槿切畏植迹▔筇钔疗烬R、無荷載）Fak I HR2Hak式中：Fak主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m其作用點(diǎn)距墻底處，與水平面呈C ；）的3夾角（見圖2-7（b）;ka主動(dòng)土壓力系數(shù)，可按土力學(xué)及有關(guān)規(guī)范計(jì)算。2 淤沙壓力Psk 丄 sbh；tg2（45 -寸）2 2式中：FSk 淤沙壓力標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m）sb 淤沙的浮重度（KN/m）hs擋水建筑物前泥沙的淤積高度（m：s

7、 淤沙的內(nèi)摩擦角（）3上埋式埋管的土壓力對(duì)壩下埋管或倒虹吸管， 往往管上埋有土體，這些土體將對(duì)管身產(chǎn)生垂直土壓力和 側(cè)向土壓力（見圖2-8 ）。作用在單位長(zhǎng)度上的垂直土壓力的標(biāo)準(zhǔn)值Fsk和側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值 Ftk可按下式計(jì)算：Fsk = K s H d DiFtk =Kt HoDd式中：Fsk、Ftk 埋管垂直和側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m）H管頂以上填土高度（m）d埋管外直徑（m3Y管上填土的重度（KN/m）K.埋管垂直土壓力系數(shù)，與地基剛度有關(guān)，且與其成正比，可根據(jù)地基情況 按圖2-9查取。ho埋管中心線以上填土高度（mDd埋管凸出地基的高度（mcpKt側(cè)向土壓力系數(shù)Kt二tg2（45_q）

8、填土的內(nèi)摩擦角，可按表（2-2 ）查用五、浪壓力水庫或水閘蓄水后，其壩（閘）前水深加大，水面寬度及長(zhǎng)度增加，水面在風(fēng)力作 用下，形成較大的波浪，并產(chǎn)生附加水壓力作用在擋水結(jié)構(gòu)上，該力稱為浪壓力。1 波浪要素一般來講，波浪要素包括平均波高（hm）,平均坡長(zhǎng)（Lm）,平均波周期（T）等（見圖2-10 ） 對(duì)平原、濱海地區(qū)的水庫及水閘，宜按莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算波浪要素值：ghmgH m 0.720 450.0018(gD /v；)07= 0.13th卩.-)0.13th 0.7(gHm/vj)gTmVo= 13.9(-ghmVo0.5H當(dāng)芒一05時(shí),LmgT；2LmgT；2兀Hmth2 二gh2%2V

9、o1 1= 0.00625vJ (-gD-)VogLmgD 滬=0.0386(遙)2 V。V。式中：hm平均波咼（m；Tm平均波周期（S ）； i-m水域平均水深（n）；Vo計(jì)算風(fēng)速（m/s）;D風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度（m）。對(duì)丘陵、平原地區(qū)水庫，其風(fēng)浪要素值宜按鶴地水庫試驗(yàn)公式計(jì)算:式中：h2%累積頻率為2%勺波高（m；Lm平均波長(zhǎng)（m。鶴地公式適用于水深較大，計(jì)算風(fēng)速VoV 265m/s，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度D時(shí)，浪壓力分布如圖22-12(a)所示，單位長(zhǎng)度擋水建筑物迎水面上的浪壓力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算:1 .RvKWLm(h1% hz)42-12(b)所示,2-12(c)所示，單(2)當(dāng)HHcr但Hv “ 時(shí)，壩前產(chǎn)

10、生淺水波，其浪壓力分布如圖2單位長(zhǎng)度的浪壓力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：PWk 弓 %+hz)(YwH +Rf)+HRf (3) 當(dāng)Hv H=r時(shí)，則閘、壩前產(chǎn)生破碎波，此時(shí)浪壓力分布如圖 位長(zhǎng)度上的波浪壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：Rwk =2 P。(1.505)0%(0.7 )H 1六、地震作用1 概述一般對(duì)設(shè)計(jì)烈度為6度以下地區(qū)的建筑物，可不考慮地震作用；而設(shè)計(jì)烈度在9度以上地震區(qū)的水工建筑物或高度大于250m的壅水建筑物，必須進(jìn)行專門的抗震研究。基本烈度是指在50年基準(zhǔn)期內(nèi)，一般場(chǎng)地條件下，可能遭遇的地震事件中，超越 概率P50為0.01所對(duì)應(yīng)的地震烈度。2地震作用力計(jì)算(1)地震慣性力1)水平地震慣

11、性力采用擬靜力法計(jì)算地震作用效應(yīng)時(shí)，沿建筑物高度作用于質(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力代表值應(yīng)按下式計(jì)算：Fi=：hGEri/g(2-31 )4(2-32 )十一n G1 4旦(hj/H)4e22)垂直地震慣性力：一般：、應(yīng)取水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值 的-?？偟牡卣鹱?用效應(yīng)也可將豎向地震作用效應(yīng)乘以0.5偶合系數(shù)后與水平地震作用效應(yīng)直接相加。(2)地震動(dòng)水壓力 水閘、重力壩等上游面垂直的情況下，水深y處的地震動(dòng)水壓力代表值應(yīng)按式(2-33)Pw(h)(h)Ho(3) 地震動(dòng)土壓力當(dāng)重力壩或水閘一側(cè)有填土?xí)r，則應(yīng)考慮地震作用引起的土體對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓 力，即地震動(dòng)土壓力。七、冰壓力和凍脹力1 冰壓

12、力 冰壓力可分為靜冰壓力和動(dòng)冰壓力。(1)靜冰壓力：水庫水面結(jié)冰后，當(dāng)氣溫回升時(shí)，冰蓋產(chǎn)生膨脹，則對(duì)建筑物產(chǎn) 生擠壓作用，稱為靜冰壓力。作用于其表面單位長(zhǎng)度上的靜冰壓力標(biāo)準(zhǔn)值按表2-11采用。表2-10 靜冰壓力標(biāo)準(zhǔn)值冰層厚度(m)0.40.60.81.01.2靜冰壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m)851802152452801靜冰壓力垂直作用于結(jié)構(gòu)物前沿，其作用點(diǎn)取冰面以下-冰厚處3(2)動(dòng)冰壓力：Fbk = 0.07vdi Afb2 凍脹力凍脹力可分為切向凍脹力、水平凍脹力、豎向凍脹力。八、山體圍巖壓力當(dāng)巖體較破碎時(shí)，其可能產(chǎn)生塌落、滑移，而施加在隧洞襯砌上的壓力，稱為圍巖 壓力。qvk = (0.2 0.3) rBqh (0.05 0.10) rH九、風(fēng)荷載及雪荷載對(duì)砼壩、土石壩等結(jié)構(gòu)物，風(fēng)雪荷載占全部荷載的比重很小，一般可忽略不計(jì)，但 對(duì)渡槽、進(jìn)水塔、啟閉機(jī)房、泵房等架空、高聳結(jié)構(gòu)物，則必須計(jì)入風(fēng)、雪荷載的作用。1 風(fēng)荷載對(duì)一些架空建筑物、廠房等結(jié)構(gòu)物其側(cè)面受風(fēng)的作用后，垂直作用于建筑物側(cè)表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按式(2-48 )計(jì)算Wk二-JsWo2 雪荷載對(duì)電站廠房、泵站廠房、渡槽等建筑物頂面，由于降雪時(shí)的積雪對(duì)其作用稱為雪荷 載。Sk 二rS。