水利工程水工建筑物設(shè)計施工

第二章水水工建建筑物設(shè)設(shè)計綜述述水工建建筑筑物2.1水利工程程設(shè)計的的任務(wù)和和特點一、水利利工程定義特點二、水利利技術(shù)工工作勘測：水水文、氣氣象、地地質(zhì)、地地理、經(jīng)經(jīng)濟及社社會信息息。規(guī)劃：統(tǒng)統(tǒng)一部署署，主要要依據(jù)社社會現(xiàn)實實、自然然環(huán)境。。工程設(shè)計計：運用用科學技技術(shù)、設(shè)設(shè)計理論論、設(shè)計計原理……。工程施工工：組織織人力、、物力高高質(zhì)量完完成任務(wù)務(wù)。工程管理理：已建建成工程程的調(diào)度度、運行行、維修修、監(jiān)測測、經(jīng)營營科技開發(fā)發(fā)：研究究新理論論、新材材料、新新工藝、、新結(jié)構(gòu)構(gòu)等，以以提高科科技水平平。2.1水利工程程設(shè)計的的任務(wù)和和特點三、水利利工程設(shè)設(shè)計設(shè)計一般般步驟技術(shù)預(yù)測測信息分析析科學類比比系統(tǒng)分析析方案設(shè)計計功能分析析安全分析析施工方案案經(jīng)濟分分析綜合評評價各學科科研制制了對對應(yīng)的的軟件件，便便于工工程師師設(shè)計計水利工工程的的自身身特點點個性突突出：：幾乎乎每個個工程程均有有其獨獨特的的水文文、地地質(zhì)、、自然然條件件規(guī)模大、風風險大：需需謹慎、嚴嚴格，必要要時需試驗研究規(guī)程規(guī)范指指導(dǎo)性強：：總結(jié)歷史史，參考經(jīng)經(jīng)驗，形成成規(guī)程規(guī)范范，少走彎彎路。施工外界干干擾大2.1水利工程設(shè)設(shè)計的任務(wù)務(wù)和特點2.1水利工程設(shè)設(shè)計的任務(wù)務(wù)和特點四、設(shè)計工工作水平根據(jù)有無參參考樣本和和工程經(jīng)驗驗，可分為為以下幾種種：開發(fā)型設(shè)計計：提出創(chuàng)造造性的新型型方案，但但難度大、、風險大、、投資高。。更新型設(shè)計計：在常規(guī)型型式、設(shè)計計原理的基基礎(chǔ)上改進進局部建筑筑物設(shè)計原原理，如碾碾壓混凝土土壩、面板板堆石壩。。適配型設(shè)計計：常規(guī)型式式上選擇適適當?shù)某叽绱?、材料和和布置型式式。工程設(shè)計優(yōu)優(yōu)劣的評價價適用性、安安全性、經(jīng)經(jīng)濟合理性性2.2設(shè)計的工作作步驟一、水工建建筑物設(shè)計計水利工程建建設(shè)的全過過程是一個個系統(tǒng)工程程。關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計工作者者需站在全全局的高度度解決問題題。功能需求、、資金、人人力投入，，投資風險險分析物力資源、、結(jié)構(gòu)型式式、工作特特點,施工導(dǎo)流方方案，環(huán)境境影響等2.2設(shè)計的工作作步驟二、設(shè)計階階段的工作作步驟收集資料及及信息明確總體規(guī)規(guī)劃及功能能提出方案方案比選推薦方案優(yōu)化設(shè)計和和細部構(gòu)造造初定施工方方案方案評價及及驗證2.2設(shè)計的工作作步驟三、分等和和分級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(zāi)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)模模、效益、、重要性2.2設(shè)計的工作作步驟2水工建筑物物的分級級別：五級永久性主要要建筑物：：大壩、廠廠房、泄洪洪閘…永久性次要要建筑物：：擋墻、導(dǎo)導(dǎo)墻、護岸岸…臨時建筑物物：施工圍圍堰、導(dǎo)流流建筑物…分級依據(jù)：：工程等別別、作用、、重要性水工建筑物物3不同級別水水工建筑物物有以下不不同要求：：級別不同，，設(shè)計基準準期也不相相同是研究工程程對策的參參照年限，，是為確定定可變作用用及與時間間有關(guān)的材材料性能取取值而選用用的時間參參數(shù)，它不不等同于設(shè)設(shè)計使用年年限。設(shè)計基準期期是一個基基準參數(shù)，，它的確定定不僅涉及及可變作用用（荷載）），還涉及及材料性能能，是在對對大量實測測數(shù)據(jù)進行行統(tǒng)計的基基礎(chǔ)上提出出來的，一一般情況下下不能隨意意更改。例例如我國規(guī)規(guī)范所采用用的設(shè)計地地震動參數(shù)數(shù)（包括反反映譜和地地震最大加加速度）的的基準期為為50年，如果要要求采用基基準期為100年的設(shè)計地地震動參數(shù)數(shù)，則不但但要對地震震動的概率率分布進行行專門研究究，還要對對建筑材料料乃至設(shè)備備的性能參參數(shù)進行專專門的統(tǒng)計計研究。水工建筑物物在設(shè)計基基準期內(nèi)的的要求1級擋水建筑筑物為100年，其它永永久建筑物物為50年2.2設(shè)計的工作作步驟2.2設(shè)計的工作作步驟級別不同，，抗御災(zāi)害害能力也不不同：防洪洪標準、抗抗震標準、、壩頂超高高級別不同，，安全性不不同包括強度、、穩(wěn)定、變變形三方面面水工建筑物物的結(jié)構(gòu)安安全級別級別不同，，運行可靠靠性不同級別不同，，建筑材料料不同：品品種、質(zhì)量量、耐久性性2.3水工建筑物物的安全性性一、水工建建筑物失事事統(tǒng)計統(tǒng)計歷史14000座高于15m的壩：1%統(tǒng)計近代的的壩：0.2％大壩破壞率大壩失事原原因統(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水工建筑物物的安全性性大壩失事時時間：一半以上失失事集中在在施工期（（16.7%）和使用初初期（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(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壩在不同時刻發(fā)生事故或或失事所占占百分比2.3水工建筑物物的安全性性二、安全儲儲備設(shè)計標準明明確規(guī)定：建筑物設(shè)計計必需具有有一定的安安全儲備安全儲備的的表示方法法單一安全系系數(shù)法分項系數(shù)極極限狀態(tài)設(shè)設(shè)計法三、極限狀狀態(tài)極限狀態(tài)的的定義當整個結(jié)構(gòu)構(gòu)（包括地地基）或結(jié)結(jié)構(gòu)的一部部分超過某某一特定狀狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)就不能滿滿足設(shè)計規(guī)規(guī)定的某種種功能要求求，這一特特定狀態(tài)就就叫該功能能的極限狀狀態(tài)。2.3水工建筑物物的安全性性極限狀態(tài)設(shè)設(shè)計分類（1）承載能力力極限狀態(tài)態(tài)當出現(xiàn)下列列狀態(tài)之一時，即認為為超過了承承載能力極極限狀態(tài)：：①剛體失去去平衡（如如傾覆等)；②材料強度度不足而破破壞；③結(jié)構(gòu)失穩(wěn)穩(wěn)(如壓屈等)；④結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變變?yōu)闄C動體體系；⑤結(jié)構(gòu)體產(chǎn)產(chǎn)生滲透失失穩(wěn)等現(xiàn)象象；（2）正常使用用極限狀態(tài)態(tài)定義：當當結(jié)構(gòu)或或構(gòu)件影影響正常常使用或或達到耐耐久性的的極限值值時，認認為達到到了正常常使用極極限狀態(tài)態(tài)。①影響結(jié)結(jié)構(gòu)正常常使用或或外觀變變形②對運行行人員、、設(shè)備、、儀表等等有不良良影響的的振動③對結(jié)構(gòu)構(gòu)外形、、耐久性性以及防防滲結(jié)構(gòu)構(gòu)抗?jié)B能能力有不不良影響響的局部部損壞（（包括裂裂縫）等等2.3水工建筑筑物的安安全性通俗的說說：承載能力力極限狀狀態(tài)是已已經(jīng)破壞壞不能使使用的狀狀態(tài)。正正常使用用極限狀狀態(tài)是還還可以勉勉強使用用。2.3水工建筑筑物的安安全性結(jié)構(gòu)功能能函數(shù)功能函數(shù)數(shù)結(jié)構(gòu)抗力力作用效應(yīng)應(yīng)極限狀態(tài)態(tài)方程基本變量量功能限值值2.3水工建筑筑物的安安全性四、設(shè)計計準則水工建筑筑物事故故或失事事的主要要因素作用的不不利性變變異：實實際值>設(shè)計值抗力的不不良性變變異：實實際值<設(shè)計值狀態(tài)方程程表達不不正確：：抗力或或作用效效應(yīng)的表表達、計計算錯誤誤1單一安全全系數(shù)法法（水工工規(guī)范））表達式：：安全系數(shù)數(shù)K考慮的因因素結(jié)構(gòu)的安安全等級；工作狀況況和作用用效應(yīng)組合；結(jié)構(gòu)和地地基的受受力特點點和計算算方法:模擬準確確度材料抗力力、作用用的實驗驗、勘測測方法和和取值規(guī)規(guī)則。不足之處處是定性的的標準，，沒有定定量的意意義；不同建筑筑物不可可比較；；同一結(jié)構(gòu)構(gòu)的不同同破壞狀狀況之間間不可比比較。2.3水工建筑筑物的安安全性2.3水工建筑筑物的安安全性2分項系數(shù)數(shù)極限狀狀態(tài)設(shè)計計法理論基礎(chǔ)：基基于概率率原理的的結(jié)構(gòu)可靠靠度分析析理論失效概率率：不能能完成預(yù)預(yù)定功能能的概率率，pf=P[g(.)<0]可靠度：：能完成成預(yù)定功功能的概概率，ps=1-pf分項系數(shù)數(shù)：考慮慮不同因因素變異異性來源源的系數(shù)數(shù)，將每每種因素素的影響響在不同同的工程程結(jié)構(gòu)上上統(tǒng)一考考慮，取取劃一的的分項系系數(shù)。①結(jié)構(gòu)重要要性系數(shù)數(shù)：2.3水工建筑筑物的安安全性②作用分項項系數(shù)：：③材料性能能分項系系數(shù)：④設(shè)計狀況況(工作狀況況)系數(shù)：⑤結(jié)構(gòu)系數(shù)數(shù)γd：反映極極限狀態(tài)態(tài)方程與與結(jié)構(gòu)實實有性能能的貼近近程度，，作用效效應(yīng)與抗抗力計算算的不定定性等。。2.3水工建筑筑物的安安全性極限狀態(tài)態(tài)設(shè)計式式：①承載能力力極限狀狀態(tài)設(shè)計計式：結(jié)構(gòu)重要要性系數(shù)數(shù)設(shè)計狀況況系數(shù)結(jié)構(gòu)系數(shù)數(shù)作用效應(yīng)應(yīng)函數(shù)結(jié)構(gòu)幾何何參數(shù)的的標準值值結(jié)構(gòu)抗力力函數(shù)2.3水工建筑筑物的安安全性②正常使用用極限狀狀態(tài)設(shè)計計式：結(jié)構(gòu)重要要性系數(shù)數(shù)結(jié)構(gòu)幾何何參數(shù)標標準值作用標準準值結(jié)構(gòu)系數(shù)數(shù)材料性能能標準值值設(shè)計狀況況系數(shù)φ、作用分項項系數(shù)gF、材料性能能分項系系數(shù)gf均為1.0功能限值值如應(yīng)力、、變形等等五、可靠靠指標可靠性：：安全性、、適用性性、耐久久性的合稱。。結(jié)構(gòu)可靠靠度理論論的基本本假定任何結(jié)構(gòu)構(gòu)都有失失效的可可能與結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計相關(guān)關(guān)的變量量均為隨隨機變量量當作用效效應(yīng)不超超過結(jié)構(gòu)構(gòu)抗力時時，結(jié)構(gòu)構(gòu)可靠，，否則，，結(jié)構(gòu)失失效結(jié)構(gòu)失效效僅由作作用效應(yīng)應(yīng)所致作用效應(yīng)應(yīng)計算分分析及強強度理論論的一切切方法與與公式仍仍適用結(jié)構(gòu)可靠靠度理論論的數(shù)學學力學基基礎(chǔ)概率論、、數(shù)理統(tǒng)統(tǒng)計理論論、隨機機過程理理論、隨隨機場理理論、工工程力學學理論、、計算力力學理論論、固體體力學理理論、強強度理論論等。2.3水工建筑筑物的安安全性2.3水工建筑筑物的安安全性可靠性的的尺度可靠度（（可靠概概率）：：在給定定的條件件下，在在基準期期內(nèi)完成成預(yù)定功功能的概概率。不可靠度度(失效概率率）：結(jié)結(jié)構(gòu)不能能完成預(yù)預(yù)定功能能的概率率?？煽恐笜藰耍ò踩笜耍?.3水工建筑筑物的安安全性功能函數(shù)數(shù)的分解解如果R、S在統(tǒng)計上上互不相相關(guān)，則則1、可靠指指標2.3水工建筑筑物的安安全性若R、S都為正態(tài)態(tài)分布，，均值和和均方差差分別為為則Z也為正態(tài)態(tài)分布，，均值和和均方差差分別為為可靠性指指標：2.3水工建筑筑物的安安全性Z的標準正正態(tài)化：：可靠指標標與中心心安全系系數(shù)的關(guān)關(guān)系：中心安全全系數(shù)：：結(jié)構(gòu)抗力力變異系系數(shù)：作用效應(yīng)應(yīng)變異系系數(shù)：2.3水工建筑筑物的安安全性2、可靠指指標的計計算方法法一次二階階矩法：：采用μ和σ2計算可靠靠度指標標均值一次次二階矩矩法（中中心點法法）極限狀態(tài)方方程為非線線性式、概概率分布難難以確定時時，將S和R線性化，在在均值處進行泰勒勒級數(shù)展開開，計算β不能考慮隨隨機變量的的實際分布布對非線性極極限狀態(tài)方方程，誤差差大改進一次二二階矩法（（驗算點、、JC法）將非正態(tài)分分布轉(zhuǎn)化為為正態(tài)分布布，將功能能函數(shù)在設(shè)計驗算點點處，做泰勒勒級數(shù)展開開，取線性性項計算βMonteCarlo法隨機有限元元法2.3水工建筑物物的安全性性3、目標可靠靠指標規(guī)范中給出出的可靠指指標應(yīng)當達達到值βT，用以保證設(shè)設(shè)計的水工工建筑物既既經(jīng)濟又安安全。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目標可靠指指標βT一類破壞：：指非突發(fā)發(fā)性破壞二類破壞：：指突發(fā)性性破壞全球分布的的兩大地震震帶環(huán)太平洋地地震帶（80%）:深層，臺灣灣、菲律賓賓中亞-地中海地震震帶（20%）:淺層，我國國西南、西西北地震破壞現(xiàn)現(xiàn)象地表和地基基破壞：地地裂、塌陷陷、山崩、、滑坡、液液化等建筑物破壞壞海嘯2.4水工建筑物物的抗震分分析2.4水工建筑物物的抗震分分析一、地震作作用地震規(guī)模的的評價：以釋放總能能量評價，，按里氏震震級分1～9級。烈度：表征地表運運動的危害害性，一般般以地震的的最大加速速度作為烈烈度的標準準；地震烈烈度分1～12度；6度以上為有有害地震。。基本烈度：：一般是指某某地區(qū)今后后50年內(nèi)可能發(fā)發(fā)生的較大大的地震，，其超越概概率為10％(中國地震烈度區(qū)區(qū)劃圖)。水庫誘發(fā)地地震：截至上世紀紀60年代,全球已有100例水庫誘發(fā)發(fā)地震,一般壩高>100m,庫容>5億m3（大2型）時需考考慮誘發(fā)地地震。地震測量：：地面加速度度、峰值加加速度，如如6級地震的a＝0.05g。水工建筑物物的地震作作用效應(yīng)斷層錯動砂土地層液液化庫水產(chǎn)生動動水壓力建筑物振動動開裂、傾傾倒填土產(chǎn)生動動土壓力水庫庫岸崩崩塌土石壩壩坡坡滑動地基沉降效效應(yīng)2.4水工建筑物物的抗震分分析2.4水工建筑物物的抗震分分析二、抗震設(shè)設(shè)計設(shè)計烈度：：一般將基基本烈度作作為設(shè)計烈烈度。抗震設(shè)防等等級：規(guī)定定建筑物需需要設(shè)防的的最小地震震烈度。表示場地地地震大于等等于6級時才需設(shè)設(shè)防，否則則可不設(shè)防防工程抗震設(shè)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工程抗震設(shè)設(shè)防等級抗震設(shè)計內(nèi)內(nèi)容抗震計算工程抗震措措施設(shè)計烈度為為6度時，可不不進行抗震震計算，只只考慮抗震震措施。設(shè)計烈度高高于9度時，或9度的高于250m的壅水建筑筑物，應(yīng)進進行專門的的抗震研究究?？拐鹪O(shè)計的的基本要求求：能抵御御設(shè)計烈度度地震，如如有損壞，，處理后仍仍可使用。。2.4水工建筑物物的抗震分分析2.4水工建筑物物的抗震分分析地震系數(shù)：：設(shè)計用地面面運動峰值值加速度與與重力加速速度的比值值。豎向地震加加速度代表表值取水平平向的2/3地震烈度789αh0.1g0.2g0.4g表2-8水平向設(shè)計計地震加速速度代表值值2.4水工建筑物物的抗震分分析三、地震震作用效應(yīng)應(yīng)作用的分類類靜態(tài)作用（（靜荷載））：自重、、溫度作用用動態(tài)作用（（動荷載））：地震作作用、風作作用、波浪浪作用運動方程質(zhì)量矩陣加速度列陣陣阻尼矩陣速度列陣剛度矩陣位移矩陣地面運動加加速度列陣陣2.4水工建筑物物的抗震分分析抗震分析方方法1、2級水工建筑筑物：實驗驗驗證抗震設(shè)防等等級為甲類類的水工建建筑物：動動力法乙、丙類水水工建筑物物：動力法法或擬靜力力法丁類水工建建筑物：擬擬靜力法或或采取抗震震措施動力法的數(shù)數(shù)值解法直接積分法法將地震地面面運動記錄錄直接輸入入結(jié)構(gòu)體系系來求解的的結(jié)構(gòu)的地地震反應(yīng)。。振型分解法法2.4水工建筑物物的抗震分分析四、水工建建筑物抗震震分析的主主要問題地震作用的的不確定性性及設(shè)計地地震參數(shù)和和波型的選選擇地震動輸入入機制結(jié)構(gòu)－庫水水－地基間間的動力相相互作用壩體和地基基的非線性性影響地震反應(yīng)的的動態(tài)設(shè)計計方法2.5水工建筑物物設(shè)計的規(guī)規(guī)范體系一、標準的的基本概念念標準的定義義標準的特性性ISO：國際標準準化組織二、國際標標準ISO2394《結(jié)構(gòu)可靠性性總原則》（1998）三、中國標標準我國標準分分類：國家標準、、行業(yè)標準準、地方標標準、企業(yè)業(yè)標準《水利利技技術(shù)術(shù)標標準準體體系系表表》（2001）《電力力標標準準體體系系表表》（1995）《建設(shè)設(shè)工工程程質(zhì)質(zhì)量量管管理理條條例例》（2000）2.6水工工建建筑筑物物施施工工過過程程的的狀狀況況分分析析施工工導(dǎo)導(dǎo)流流的的措措施施未建建成成的的建建筑筑物物上上臨臨時時泄泄流流：：壩壩體體泄泄流流將永永久久性性建建筑筑物物結(jié)結(jié)合合導(dǎo)導(dǎo)流流建建筑筑物物布布置置：：泄泄洪洪洞洞與與