水工建筑物荷載的計算

1、§2-1 水工建筑物的荷載計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算。水工建筑物上永久固定設(shè)備，如閘門、啟閉機等，其自重標(biāo)準(zhǔn)值采用設(shè)備標(biāo)牌重量作用分項系數(shù)：大體積混凝土、土石壩取1.0；對普通水工混凝土、金屬結(jié)構(gòu)（設(shè)備）取1.05，當(dāng)自重對結(jié)構(gòu)有利時取0.95。地下工程的混凝土襯砌取1.1，其對結(jié)構(gòu)有利時取0.

2、9。二、水壓力水體對各種水工結(jié)構(gòu)均發(fā)生作用，作用結(jié)果是對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水壓力，其可分為靜水壓力和動水壓力。1靜水壓力水體靜止?fàn)顟B(tài)下對某結(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PH= PV=（2）管道及地下結(jié)構(gòu)上的水壓力計算。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。對內(nèi)水壓力，為計算方便，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。 對有壓隧洞的砼襯砌的外水壓強標(biāo)準(zhǔn)值可按式（2-6）計算。 （2-6）式中：作用于襯砌上的外水壓強標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m2）；外水壓力折減系數(shù)，可按表2-1采用；作用水頭(m)，按設(shè)計采用的地下水位線與隧洞中心線的

3、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)等于單位洞長排開水體的重量。2動水壓力（1）漸變流時的時均壓強： 式中：過流面上計算點的時均壓強代表值（N/m2）；水的密度（kg/m3）；g重力加速度(m/s2)；h計算點A的水深(m)；結(jié)構(gòu)物底面與平面的夾角。（2）閘壩反弧段上的動水壓力。 式中：q相應(yīng)設(shè)計狀況下反弧段上的單寬流量(m3/s.m)；水的密度；V反弧段最低處的斷面平均流速(m/s)；R反弧半徑(m)；三、揚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滲透壓力和浮托力之和稱為揚壓力。1重

4、力壩、拱壩的揚壓力（1）壩基無防滲帷幕和排水孔幕時， （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，對寬縫重力壩、大頭壩河床段取0.2，岸坡段為0.3；對實體重力壩拱壩等。河床段取0.25，岸坡段取0.35，揚壓力強度系數(shù)2取0.150.2；殘余揚壓力系數(shù)2與排水強度有關(guān)，一般情況下均取0.5。2水閘揚壓力水閘擋水后，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壓力。（1）閘底板上的揚壓力。對巖基上水閘，板底底面上的揚壓力分布圖形，可按實體重力壩的情況確定。（2）兩岸墩墻揚壓力。軟基上水閘兩岸墩墻側(cè)向的滲透

5、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(見圖2-7(a)，作用在墻背的靜止土壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計算： 式中：Fok靜止土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m），作用于距墻底處，水平指 向墻背。擋土墻后填土的重度（KN/m3）；H擋土墻高度(m)；Ko靜止土壓力系數(shù)，當(dāng)墻后為正常固結(jié)粘土?xí)rKo=1-墻后填土的有效內(nèi)摩擦角（°）（2）主動土壓力計算作用在擋土結(jié)構(gòu)單位長度上的主動土壓力，可按土力學(xué)基本公式計算。擋土墻后土壓力強度在垂直方向為三角形分布（墻后填土平齊、無荷載）。 式中：主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m，其作用點距墻底處，與

6、水平面呈的夾角（見圖2-7(b)）；ka主動土壓力系數(shù)，可按土力學(xué)及有關(guān)規(guī)范計算。2淤沙壓力 式中：Psk淤沙壓力標(biāo)準(zhǔn)值 （KN/m）淤沙的浮重度 （KN/m3）hs擋水建筑物前泥沙的淤積高度 （m）淤沙的內(nèi)摩擦角（°）3上埋式埋管的土壓力對壩下埋管或倒虹吸管，往往管上埋有土體，這些土體將對管身產(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可按下式計算： 式中：Fsk、Ftk埋管垂直和側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m）Hd管頂以上填土高度（m）D1埋管外直徑（m）管上填土的重度（KN/m3）Ks埋管垂直土壓力系數(shù)，與地基剛度有關(guān)

7、，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（m）Dd埋管凸出地基的高度（m）Kt側(cè)向土壓力系數(shù) 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（Lm），平均波周期（Tm）等（見圖2-10）。對平原、濱海地區(qū)的水庫及水閘，宜按莆田試驗站公式計算波浪要素值： 當(dāng) 當(dāng) 式中：hm平均波高（m）；Tm平均波周期（s）;Hm水域平均水深（m）；vo計算風(fēng)速（m/s）；D風(fēng)區(qū)

8、長度（m）。 對丘陵、平原地區(qū)水庫，其風(fēng)浪要素值宜按鶴地水庫試驗公式計算： 式中：h2%累積頻率為2%的波高（m）；Lm平均波長（m）。鶴地公式適用于水深較大，計算風(fēng)速vo265m/s，風(fēng)區(qū)長度D7.5km的水庫。對內(nèi)陸的峽谷水庫，宜按官廳公式計算各風(fēng)浪要素值： 式中：h當(dāng)=20-250時，為累積頻率5%的波高h(yuǎn)5%，當(dāng)=250-1000時，為累積頻率為10%的波高h(yuǎn)10%。 2波浪壓力計算對作用在鉛直迎水面建筑物上的風(fēng)浪壓力，應(yīng)根據(jù)建筑物前的水深情況，按以下三種波態(tài)分別計算：（1）當(dāng)閘壩前水深H滿足HHcr和H時，浪壓力分布如圖2-12(a)所示，單位長度擋水建筑物迎水面上的浪壓力標(biāo)準(zhǔn)值按下

9、式計算： （2）當(dāng)HHcr但H時，壩前產(chǎn)生淺水波，其浪壓力分布如圖2-12(b)所示，單位長度的浪壓力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算： （3）當(dāng)HHcr時，則閘、壩前產(chǎn)生破碎波，此時浪壓力分布如圖2-12(c)所示，單位長度上的波浪壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計算： 六、地震作用1概述一般對設(shè)計烈度為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?；玖叶仁侵冈?0年基準(zhǔn)期內(nèi)，一般場地條件下，可能遭遇的地震事件中，超越概率P50為0.01所對應(yīng)的地震烈度。2地震作用力計算（1）地震慣性力1）水平地震慣性力采用擬靜力法計算地震作用效應(yīng)

10、時，沿建筑物高度作用于質(zhì)點i的水平向地震慣性力代表值應(yīng)按下式計算： （2-31） （2-32）2）垂直地震慣性力：一般應(yīng)取水平向設(shè)計地震加速度代表值?？偟牡卣鹱饔眯?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處的地震動水壓力代表值應(yīng)按式（2-33） （3）地震動土壓力當(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結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動態(tài)壓力，即地震動土壓力。七、冰壓力和凍脹力1冰壓力冰壓力可分為靜冰壓力和動冰壓力。（1）靜冰壓力：水庫水面結(jié)冰后，當(dāng)氣溫回升時，冰蓋產(chǎn)生膨脹，則對建筑物產(chǎn)生擠壓作用，稱為靜冰壓力

11、。作用于其表面單位長度上的靜冰壓力標(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)85180215245280靜冰壓力垂直作用于結(jié)構(gòu)物前沿，其作用點取冰面以下冰厚處。（2）動冰壓力： 2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，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。 九、風(fēng)荷載及雪荷載對砼壩、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，但對渡槽、進(jìn)水塔、啟閉機房、泵房等架空、高聳結(jié)構(gòu)物，則必須計入風(fēng)、雪荷載的作用。1風(fēng)荷載對一些架空建筑物

12、、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）計算 2雪荷載對電站廠房、泵站廠房、渡槽等建筑物頂面，由于降雪時的積雪對其作用稱為雪荷載。 十、其它荷載1溫度作用溫度作用是與結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的間接作用，當(dāng)外界氣溫或水溫發(fā)生變化時，則結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度發(fā)生變化，使其產(chǎn)生膨脹或收縮。2灌漿壓力壓力灌漿可分為固結(jié)灌漿、回填灌漿、接觸灌漿及接縫灌漿等幾種。一般只考慮地下結(jié)構(gòu)的砼襯砌拱頂與圍巖之間的回填灌漿壓力；鋼襯與外圍混凝土之間的接觸灌漿壓力。對灌漿壓力的標(biāo)準(zhǔn)值，可取回填灌漿、接觸灌漿的設(shè)計壓力值乘以小于1.0的面積系數(shù)。§2-2水工建筑物上的作用以及作用

13、效應(yīng)組合一、 作用及作用效應(yīng)組合 作用-外界環(huán)境對水工建筑物的影響作用效應(yīng)-建筑物對外界的響應(yīng)作用的變異性和隨機性-應(yīng)隨時間變異按隨機過程看待，可統(tǒng)計分析建筑物承受的作用分為：直接作用、間接作用。永久作用、可變作用、偶然作用。二、 作用效應(yīng)分析分析方法 物理模型；數(shù)學(xué)模型；解析法、差分法、有限元法經(jīng)驗類比有限元彈性分析方法間介三、 水工建筑物三種工作狀況水工建筑物的工作狀態(tài)為：持久狀況、短暫狀況、偶然狀況。四、 作用效應(yīng)組合： 水工建筑物設(shè)計的兩類極限設(shè)計狀態(tài)為：承載能力極限狀態(tài)、正常使用狀態(tài)。1按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計：分兩種作用效應(yīng)組合：基本組合-持久狀況或短暫狀況下，永久作用和可變作用的組合偶然組合-偶然作用下，永久作用和可變作用和一種偶然作用的效應(yīng)組合2 按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計：短期組合-持久狀況或短暫狀況下，永久作用效應(yīng)和可變作用的短期效應(yīng)的組合長期組合-持久狀況下，永久作用效應(yīng)和可變作用的長期效應(yīng)組合五、 水工建筑物的安全性1、安全儲備1）單一的安全系數(shù)法2）分項系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計法2、設(shè)計準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)的可