水工建筑物設計綜述

第二章水工建筑物設計綜述水工建筑物2.1水利工程設計的任務和特點一、水利工程定義特點二、水利技術工作勘測：水文、氣象、地質、地理、經濟及社會信息。規(guī)劃：統(tǒng)一部署，主要依據(jù)社會現(xiàn)實、自然環(huán)境。工程設計：運用科學技術、設計理論、設計原理……。工程施工：組織人力、物力高質量完成任務。工程管理：已建成工程的調度、運行、維修、監(jiān)測、經營科技開發(fā)：研究新理論、新材料、新工藝、新結構等，以提高科技水平。2.1水利工程設計的任務和特點三、水利工程設計設計一般步驟技術預測信息分析科學類比系統(tǒng)分析方案設計功能分析安全分析施工方案經濟分析綜合評價各學科研制了對應的軟件，便于工程師設計水利工程的自身特點個性突出：幾乎每個工程均有其獨特的水文、地質、自然條件規(guī)模大、風險大：需謹慎、嚴格，必要時需試驗研究規(guī)程規(guī)范指導性強：總結歷史，參考經驗，形成規(guī)程規(guī)范，少走彎路。施工外界干擾大2.1水利工程設計的任務和特點2.1水利工程設計的任務和特點四、設計工作水平

根據(jù)有無參考樣本和工程經驗，可分為以下幾種：開發(fā)型設計：提出創(chuàng)造性的新型方案，但難度大、風險大、投資高。更新型設計：在常規(guī)型式、設計原理的基礎上改進局部建筑物設計原理，如碾壓混凝土壩、面板堆石壩。適配型設計：常規(guī)型式上選擇適當?shù)某叽纭⒉牧虾筒贾眯褪?。工程設計優(yōu)劣的評價適用性、安全性、經濟合理性2.2設計的工作步驟一、水工建筑物設計水利工程建設的全過程是一個系統(tǒng)工程。關鍵環(huán)節(jié)設計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，投資風險分析物力資源、結構型式、工作特點,施工導流方案，環(huán)境影響等2.2設計的工作步驟二、設計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)化設計和細部構造初定施工方案方案評價及驗證2.2設計的工作步驟三、分等和分級1水利工程(水利樞紐)的分等工程失常影響效益，工程失事造成災難工程規(guī)模有大小，安全程度有高低水利工程分等級別：五等分等依據(jù)：工程規(guī)模、效益、重要性2.2設計的工作步驟2水工建筑物的分級級別：五級永久性主要建筑物：大壩、廠房、泄洪閘…永久性次要建筑物：擋墻、導墻、護岸…臨時建筑物：施工圍堰、導流建筑物…分級依據(jù)：工程等別、作用、重要性水工建筑物3不同級別水工建筑物有以下不同要求：級別不同，設計基準期也不相同是研究工程對策的參照年限，是為確定可變作用及與時間有關的材料性能取值而選用的時間參數(shù)，它不等同于設計使用年限。設計基準期是一個基準參數(shù)，它的確定不僅涉及可變作用（荷載），還涉及材料性能，是在對大量實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計的基礎上提出來的，一般情況下不能隨意更改。例如我國規(guī)范所采用的設計地震動參數(shù)（包括反映譜和地震最大加速度）的基準期為50年，如果要求采用基準期為100年的設計地震動參數(shù)，則不但要對地震動的概率分布進行專門研究，還要對建筑材料乃至設備的性能參數(shù)進行專門的統(tǒng)計研究。水工建筑物在設計基準期內的要求1級擋水建筑物為100年，其它永久建筑物為50年2.2設計的工作步驟2.2設計的工作步驟級別不同，抗御災害能力也不同：防洪標準、抗震標準、壩頂超高級別不同，安全性不同包括強度、穩(wěn)定、變形三方面水工建筑物的結構安全級別級別不同，運行可靠性不同級別不同，建筑材料不同：品種、質量、耐久性2.3水工建筑物的安全性

一、水工建筑物失事統(tǒng)計統(tǒng)計歷史14000座高于15m的壩：1%統(tǒng)計近代的壩：0.2％大壩破壞率大壩失事原因統(tǒng)計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5％洪水漫頂12％冰融作用4％壩體集中滲流11％運用不當4％浸蝕水、穴居動物9％波浪作用2％地震6％原因不明10％2.3水工建筑物的安全性大壩失事時間：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)生時間施工中第一次蓄水建成5年內建成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、安全儲備設計標準明確規(guī)定：建筑物設計必需具有一定的安全儲備安全儲備的表示方法單一安全系數(shù)法分項系數(shù)極限狀態(tài)設計法三、極限狀態(tài)極限狀態(tài)的定義當整個結構（包括地基）或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)，結構就不能滿足設計規(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)設計分類（1）承載能力極限狀態(tài)當出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了承載能力極限狀態(tài)：

①剛體失去平衡（如傾覆等)；②材料強度不足而破壞；③結構失穩(wěn)(如壓屈等)；④結構轉變?yōu)闄C動體系；⑤結構體產生滲透失穩(wěn)等現(xiàn)象；（2）正常使用極限狀態(tài)定義：當結構或構件影響正常使用或達到耐久性的極限值時，認為達到了正常使用極限狀態(tài)。①影響結構正常使用或外觀變形②對運行人員、設備、儀表等有不良影響的振動③對結構外形、耐久性以及防滲結構抗?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)是還可以勉強使用。2.3水工建筑物的安全性

結構功能函數(shù)功能函數(shù)結構抗力作用效應

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、設計準則水工建筑物事故或失事的主要因素作用的不利性變異：實際值>設計值抗力的不良性變異：實際值<設計值狀態(tài)方程表達不正確：抗力或作用效應的表達、計算錯誤1單一安全系數(shù)法（水工規(guī)范）表達式：安全系數(shù)K考慮的因素結構的安全等級；工作狀況和作用效應組合；結構和地基的受力特點和計算方法:模擬準確度材料抗力、作用的實驗、勘測方法和取值規(guī)則。不足之處是定性的標準，沒有定量的意義；不同建筑物不可比較；同一結構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分項系數(shù)極限狀態(tài)設計法理論基礎：基于概率原理的結構可靠度分析理論失效概率：不能完成預定功能的概率，pf=P[g(.)<0]可靠度：能完成預定功能的概率，ps=1-pf分項系數(shù)：考慮不同因素變異性來源的系數(shù)，將每種因素的影響在不同的工程結構上統(tǒng)一考慮，取劃一的分項系數(shù)。①結構重要性系數(shù)： 2.三3水工三建筑三物的三安全三性②作三用分三項系三數(shù)：③材三料性三能分三項系三數(shù)：④設三計狀三況(工作三狀況)系數(shù)三：⑤結三構系三數(shù)γd：反三映極三限狀三態(tài)方三程與三結構三實有三性能三的貼三近程三度，三作用三效應三與抗三力計三算的三不定三性等三。2.三3水工三建筑三物的三安全三性極限三狀態(tài)三設計三式：①承三載能三力極三限狀三態(tài)設三計式：結構三重要三性系三數(shù)設計三狀況三系數(shù)結構三系數(shù)作用三效應三函數(shù)結構三幾何三參數(shù)三的標三準值結構三抗力三函數(shù)2.三3水工三建筑三物的三安全三性②正三常使三用極三限狀三態(tài)設三計式：結構三重要三性系三數(shù)結構三幾何三參數(shù)三標準三值作用三標準三值結構三系數(shù)材料三性能三標準三值設計三狀況三系數(shù)φ、作用三分項三系數(shù)gF、材料三性能三分項三系數(shù)gf均為1.三0功能三限值如應三力、三變形三等五、三可靠三指標可靠三性：安全三性、三適用三性、三耐久三性的合三稱。結構三可靠三度理三論的三基本三假定任何三結構三都有三失效三的可三能與結三構設三計相三關的三變量三均為三隨機三變量當作三用效三應不三超過三結構三抗力三時，三結構三可靠三，否三則，三結構三失效結構三失效三僅由三作用三效應三所致作用三效應三計算三分析三及強三度理三論的三一切三方法三與公三式仍三適用結構三可靠三度理三論的三數(shù)學三力學三基礎概率三論、三數(shù)理三統(tǒng)計三理論三、隨三機過三程理三論、三隨機三場理三論、三工程三力學三理論三、計三算力三學理三論、三固體三力學三理論三、強三度理三論等。2.三3水工三建筑三物的三安全三性2.三3水工三建筑三物的三安全三性可靠三性的三尺度可靠三度（三可靠三概率三）：三在給三定的三條件三下，三在基三準期三內完三成預三定功三能的三概率三。不可三靠度(失效三概率三）：三結構三不能三完成三預定三功能三的概三率。可靠三指標三（安三全指三標）2.三3水工三建筑三物的三安全三性功能三函數(shù)三的分三解如果R、S在統(tǒng)三計上三互不三相關三，則1、可三靠指三標2.三3水工三建筑三物的三安全三性若R、S都為三正態(tài)三分布三，均三值和三均方三差分三別為則Z也為三正態(tài)三分布三，均三值和三均方三差分三別為可靠三性指三標：2.三3水工三建筑三物的三安全三性Z的標三準正三態(tài)化三：可靠三指標三與中三心安三全系三數(shù)的三關系三：中心三安全三系數(shù)三：結構三抗力三變異三系數(shù)三：作用三效應三變異三系數(shù)三：2.三3水工三建筑三物的三安全三性2、可三靠指三標的三計算三方法一次三二階三矩法三：采三用μ和σ2計算三可靠三度指三標均值三一次三二階三矩法三（中三心點三法）極限三狀態(tài)三方程三為非三線性三式、三概率三分布三難以三確定三時，三將S和R線性三化，三在均值處進三行泰三勒級三數(shù)展三開，三計算β不能三考慮三隨機三變量三的實三際分三布對非三線性三極限三狀態(tài)三方程三，誤三差大改進三一次三二階三矩法三（驗三算點三、JC法）將非三正態(tài)三分布三轉化三為正三態(tài)分三布，三將功三能函三數(shù)在設計三驗算三點處，三做泰三勒級三數(shù)展三開，三取線三性項三計算βMo三nt三e三Ca三rl三o法隨機三有限三元法2.三3水工三建筑三物的三安全三性3、目三標可三靠指三標規(guī)范三中給三出的三可靠三指標三應當三達到三值βT，用以三保證三設計三的水三工建三筑物三既經三濟又三安全三。安全級別Ⅰ級Ⅱ級Ⅲ級破壞類型一類破壞3.73.22.7二類破壞4.23.73.2目標三可靠三指標βT一類三破壞三：指三非突三發(fā)性三破壞二類三破壞三：指三突發(fā)三性破三壞全球三分布三的兩三大地三震帶環(huán)太三平洋三地震三帶（80三%）:深層三，臺三灣、三菲律三賓中亞-地中三海地三震帶三（20三%）:淺層三，我三國西三南、三西北地震三破壞三現(xiàn)象地表三和地三基破三壞：三地裂三、塌三陷、三山崩三、滑三坡、三液化三等建筑三物破三壞海嘯2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析一、三地震三作用地震三規(guī)模三的評三價：以釋三放總三能量三評價三，按三里氏三震級三分1～9級。烈度三：表征三地表三運動三的危三害性三，一三般以三地震三的最三大加三速度三作為三烈度三的標三準；三地震三烈度三分1～12度；6度以三上為三有害三地震三?；救叶热阂话闳侵溉车厝齾^(qū)今三后50年內三可能三發(fā)生三的較三大的三地震三，其三超越三概率三為10％(中國地震三烈度三區(qū)劃三圖)。水庫三誘發(fā)三地震三：截至三上世三紀60年代,全球三已有10三0例水三庫誘三發(fā)地三震,一般三壩高>1三00三m,庫容>5億m3（大2型）三時需三考慮三誘發(fā)三地震三。地震三測量三：地面三加速三度、三峰值三加速三度，三如6級地三震的a＝0.三05g。水工三建筑三物的三地震三作用三效應斷層三錯動砂土三地層三液化庫水三產生三動水三壓力建筑三物振三動開三裂、三傾倒填土三產生三動土三壓力水庫三庫岸三崩塌土石三壩壩三坡滑三動地基三沉降三效應2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析二、三抗震三設計設計三烈度三：一三般將三基本三烈度三作為三設計三烈度三?？拐鹑O防三等級三：規(guī)三定建三筑物三需要三設防三的最三小地三震烈三度。表示三場地三地震三大于三等于6級時三才需三設防三，否三則可三不設三防工程抗震設防等級建筑物級別場地基本烈度甲1（雍水）≥6乙1（非雍水）≥7丙2、3丁4、5表2－7工程三抗震三設防三等級抗震三設計三內容抗震三計算工程三抗震三措施設計三烈度三為6度時三，可三不進三行抗三震計三算，三只考三慮抗三震措三施。設計三烈度三高于9度時三，或9度的三高于25三0m的壅三水建三筑物三，應三進行三專門三的抗三震研三究。抗震三設計三的基三本要三求：三能抵三御設三計烈三度地三震，三如有三損壞三，處三理后三仍可三使用三。2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析地震三系數(shù)三：設計三用地三面運三動峰三值加三速度三與重三力加三速度三的比三值。豎向三地震三加速三度代三表值三取水三平向三的2/三3地震烈度789αh0.1g0.2g0.4g表2-三8水平三向設三計地三震加三速度三代表三值2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析三、三地三震作三用效三應作用三的分三類靜態(tài)三作用三（靜三荷載三）：三自重三、溫三度作三用動態(tài)三作用三（動三荷載三）：三地震三作用三、風三作用三、波三浪作三用運動三方程質量三矩陣加速三度列三陣阻尼三矩陣速度三列陣剛度三矩陣位移三矩陣地面三運動三加速三度列三陣2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析抗震三分析三方法1、2級水三工建三筑物三：實三驗驗三證抗震三設防三等級三為甲三類的三水工三建筑三物：三動力三法乙、三丙類三水工三建筑三物：三動力三法或三擬靜三力法丁類三水工三建筑三物：三擬靜三力法三或采三取抗三震措三施動力三法的三數(shù)值三解法直接三積分三法將地三震地三面運三動記三錄直三接輸三入結三構體三系來三求解三的結三構的三地震三反應三。振型三分解三法2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析四、三水工三建筑三物抗三震分三析的三主要三問題地震三作用三的不三確定三性及三設計三地震三參數(shù)三和波三型的三選擇地震三動輸三入機三制結構三－庫三水－三地基三間的三動力三相互三作用壩體三和地三基的三非線三性影三響地震三反應三的動三態(tài)設三計方三法2.三5水工三建筑三物設三計的三規(guī)范三體系一、三標準三的基三本概三念標準三的定三義標準三的特三性IS三O：國三際標三準化三組織二、三國際三標準IS三O2三39三4《結構三可靠三性總三原則》（19三98）三、三中國三標準我國三標準三分類三：國家三標準三、行三業(yè)標三準、三地方三標準三、企三業(yè)標三準《水利三技術三標準三體系三表》（20三01）《電力三標準三體系三表》（19三95）《建設三工程三質量三管理三條例》（20三00）2.三6水工三建筑三物施三工過三程的三狀況三分析施工三導流三的措三施未建三成的三建筑三物上三臨時三泄流三：壩三體泄三流將永三久性三建筑三物結三合導三流建三筑物三布置三：泄三洪洞三與導三流洞三結合三，泄三水、三排沙三孔與三導流三孔結三合利用三臨時三剖面三施工三期蓄三洪修建三專用三的導三流建三筑物大壩