水利水電工程師考點：水工建筑物主要設計方法

一、主要荷載

根據《水工建筑物荷載設計規范》(DL 5077—1997)，水工建筑物的荷載按作用隨時間的變異性，可分為永久作用荷載、可變作用荷載和偶然作用荷載。

1.永久作用荷載：包括結構自重和永久設各自重、土壓力、淤沙壓力、地應力、圍巖壓力、預應力。

2.可變作用荷載：包括靜水壓力、揚壓力、動水壓力、水錘壓力、浪壓力、外水壓力、風荷載、雪荷載、冰壓力、凍脹力、溫度荷載、土壤孔隙水壓力、灌漿壓力等。

3.偶然作用荷載：包括地震作用、校核洪水位時的靜水壓力、揚壓力、浪壓力及水重等。

水工建筑物設計時，首先要計算建筑物上所承受的荷載，然后再進行荷載組合，以及進行抗滑穩定分析、應力分析、滲流計算、沉降計算、應力應變計算和抗震設計等。

二、抗滑穩定分析

在各種荷載組合情況下，水工建筑物都應保持其穩定。穩定分析是水工建筑物設計的一項重要內容。目前水工建筑物的穩定分析采用整體宏觀的半經驗法。

例如，一般重力壩失穩發生在壩底與基巖的接觸面，因為此處受庫水壓力最大，壩底混凝土與巖基不易完全接觸好，或者混凝土凝固收縮和溫度收縮時，接觸面產生局部的微小裂縫。在設計中，通常校核重力壩沿壩基面的抗滑穩定;如果巖基內有軟弱夾層，則要核算沿軟弱夾層的抗滑穩定;對處于岸坡的壩段，當地形、地質條件不利于壩的穩定時，也要對在三向荷載作用下的穩定問題進行研究。

三、應力分析

強度和穩定性是表示建筑物安全的兩個重要方面。強度問題的研究，通常包括對內力、應力、變形、位移和裂縫的研究。當應力不超過材料的強度，變形和位移不超過建筑物正常工作狀態的允許值，以及在混凝土內不出現裂縫或限制裂縫在允許范圍以內時，就認為建筑物處于正常運行狀態。因此，應力分析是校核強度和穩定的前提。

重力壩應力分析的方法可歸納為理論計算和模型試驗兩大類。目前常用的模型試驗方法有偏光彈性試驗、激光全息試驗和脆性材料試驗。對于中、小型工程，一般可只進行理論計算，而對于十分重要的工程或在情況比較復雜時才進行模型試驗。理論計算方法主要有材料力學法、有限元法。材料力學方法比較常用，用于中、低壩且地質條件較簡單時;對于高壩尤其是當地質條件復雜時，除用材料力學法計算外，宜同時進行模型試驗或采用有限元法進行計算。

設計的壩體斷面需滿足規定的應力條件。在基本荷載組合下，重力壩壩基面的最大垂直正應力應小于壩基容許壓應力，最小垂直正應力應大于零;在地震情況下，壩基容許出現不大的拉應力。對于壩體應力，在基本荷載組合下，下游面最大主壓應力不大于混凝土允許壓應力;上游面的最小主壓應力應大于零。

四、滲流分析

對于土石壩，因它的壩體材料在一定程度上是透水的，一般允許有限的水流通過其壩體而運動，所以土石壩除研究地基的滲流外，還要研究土石壩壩體中的滲流以及壩體內產生的孔隙壓力。

導致大壩災難性破壞的原因及基本模式有五種：①溢洪道的泄洪能力不足，洪水漫過原來按不過水壩設計的壩頂，溢流而下;②壩體連同部分地基沿軟弱面發生滑移破壞;③壩體因揚壓力過大而沿壩基面滑動;④壩體或壩基因管涌或流土而破壞;⑤壩的上、下邊坡發生滑移破壞。滲流在后四種模式中起著重要的作用。此外，水庫水的過量滲漏、水庫岸坡的穩定性、水庫誘發地震等，也都與滲流的作用密切相關。

根據大壩的結構特點和設計要求，進行如下三方面的計算就可達到選取恰當的防滲措施和校驗建筑物在滲流作用下是否安全的目的。

(一)確定滲透壓力

對于混凝土壩(或水閘)地基中的有壓滲流，要確定沿建筑物地下輪廓線的滲透壓力分布，計算揚壓力，以便驗算建筑物的穩定性。對于土石壩的無壓滲流，應確定浸潤線位置和壩體、壩基內的滲透力分布，以便驗算壩坡和壩基的穩定，確定防滲體(防滲鋪蓋、斜墻、心墻或截水墻等)的長度和厚度等幾何尺寸。

(二)確定滲透坡降(或流速)

首先應確定滲流的出逸坡降，驗算出口處有無發生局部流土和管涌破壞的危險。對于粗細粒兩層土的交界面，以及壩底與地基的接觸面，則應檢驗是否會發生接觸沖刷和流土。對于土石壩壩體中的各種防滲體，也應驗算其抗滲強度是否滿足要求。

(三)確定滲流量

需要計算流入下游地基或排水設備的滲流量，以便為估算水庫的漏水損失和確定排水設各提供可靠的設計依據。

巖體的滲流問題，實質上是通過裂隙介質的水的流動問題，要正確計算上述三項指標是比較困難的，只能作近似計算。對于某些松散的巖體，以及節理裂隙發育且無規律的巖體，也可視為多孔介質進行計算。

對于十分重要或地質條件復雜的水利水電樞紐，宜選取足夠大的滲流域，進行樞紐壩區的三維滲流計算，確保滿足上述三項指標。

對土石壩，還應確定浸潤線的位置。

五、沉降計算

土石壩設計時要確定壩體和壩基在自重作用下的沉降量與時間的關系及完工后的總沉降量。據此計算竣工后為抵消沉降而預留的壩頂超填，預測不均勻沉降量，判斷壩體產生裂縫的可能性和預防措施。常用分層總和法計算，即把壩體壩基分為若干層，根據壩體和壩基土的壓縮曲線計算時刻t各層中心所受豎向總應力、孔隙壓力、有效應力及相應沉降量;將各層沉降量疊加，得到時刻t及完工后壩體和壩基的沉降量。

六、應力應變計算

高土石壩一般要用有限元法計算壩體壩基及岸坡接頭在填土自重及其他荷載作用下的填土應力應變，以判斷是否發生剪切破壞、有無過量的變形、是否存在拉力區和裂縫、防滲土體是否發生水力劈裂，為壩體穩定分析和與土壩連接建筑物設計提供依據。

七、抗震設計

強烈的地震往往造成極大的破壞，水庫的修建往往可以誘發地震。水庫誘發地震主要是指由于水庫蓄水后，庫水滲透到巖石中，使巖體孔隙水壓力增大，導致斷層面的有效應力減小、抗剪強度降低，以至產生滑動。通過抗震計算使水工建筑物滿足穩定要求和強度要求。

為了減小地震荷載，應將壩址選在地震運動較弱，對壩體抗震有利的地段，避開不利的地段，不得在危險地段建壩。

地震震級是表示地震時釋放能量大小的尺度。地震烈度是指某一地區地面和各類建筑物遭受一次地震影響的強弱程度。一次地震只有一個震級，然而隨震中距離的遠近，卻可以有不同的烈度。

地震荷載是大壩遭受地震時所承受的荷載，包括地震慣性力、水平向地震動水壓力和地震動土壓力。其大小與建筑物所在地區的地震烈度有關。地震荷載計算方法有動力法和擬靜力法兩種。

抗震設計時常用到基本烈度和設計烈度?；�本烈度是指建筑物所在地區在今后一定時期內可能遭遇的最大地震烈度。作為抗震設計中實際采用的烈度，稱為設計烈度。對于重要建筑物的設計烈度可在基本烈度的基礎上提高1度。

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