水工建筑物設(shè)計(jì)綜述

第二章水工建筑物設(shè)計(jì)綜述水工建筑物2.1水利工程設(shè)計(jì)的任務(wù)和特點(diǎn)一、水利工程定義特點(diǎn)二、水利技術(shù)工作勘測：水文、氣象、地質(zhì)、地理、經(jīng)濟(jì)及社會信息。規(guī)劃：統(tǒng)一部署，主要依據(jù)社會現(xiàn)實(shí)、自然環(huán)境。工程設(shè)計(jì)：運(yùn)用科學(xué)技術(shù)、設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)原理……。工程施工：組織人力、物力高質(zhì)量完成任務(wù)。工程管理：已建成工程的調(diào)度、運(yùn)行、維修、監(jiān)測、經(jīng)營科技開發(fā)：研究新理論、新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)等，以提高科技水平。2.1水利工程設(shè)計(jì)的任務(wù)和特點(diǎn)三、水利工程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一般步驟技術(shù)預(yù)測信息分析科學(xué)類比系統(tǒng)分析方案設(shè)計(jì)功能分析安全分析施工方案經(jīng)濟(jì)分析綜合評價(jià)各學(xué)科研制了對應(yīng)的軟件，便于工程師設(shè)計(jì)水利工程的自身特點(diǎn)個性突出：幾乎每個工程均有其獨(dú)特的水文、地質(zhì)、自然條件規(guī)模大、風(fēng)險(xiǎn)大：需謹(jǐn)慎、嚴(yán)格，必要時(shí)需試驗(yàn)研究規(guī)程規(guī)范指導(dǎo)性強(qiáng)：總結(jié)歷史，參考經(jīng)驗(yàn)，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(shè)計(jì)的任務(wù)和特點(diǎn)2.1水利工程設(shè)計(jì)的任務(wù)和特點(diǎn)四、設(shè)計(jì)工作水平

根據(jù)有無參考樣本和工程經(jīng)驗(yàn)，可分為以下幾種：開發(fā)型設(shè)計(jì)：提出創(chuàng)造性的新型方案，但難度大、風(fēng)險(xiǎn)大、投資高。更新型設(shè)計(jì)：在常規(guī)型式、設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上改進(jìn)局部建筑物設(shè)計(jì)原理，如碾壓混凝土壩、面板堆石壩。適配型設(shè)計(jì)：常規(guī)型式上選擇適當(dāng)?shù)某叽?、材料和布置型式。工程設(shè)計(jì)優(yōu)劣的評價(jià)適用性、安全性、經(jīng)濟(jì)合理性2.2設(shè)計(jì)的工作步驟一、水工建筑物設(shè)計(jì)水利工程建設(shè)的全過程是一個系統(tǒng)工程。關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)分析物力資源、結(jié)構(gòu)型式、工作特點(diǎn),施工導(dǎo)流方案，環(huán)境影響等2.2設(shè)計(jì)的工作步驟二、設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和細(xì)部構(gòu)造初定施工方案方案評價(jià)及驗(yàn)證2.2設(shè)計(jì)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(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、效益、重要性2.2設(shè)計(jì)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(dǎo)墻、護(hù)岸…臨時(shí)建筑物：施工圍堰、導(dǎo)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(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(shí)間有關(guān)的材料性能取值而選用的時(shí)間參數(shù)，它不等同于設(shè)計(jì)使用年限。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是一個基準(zhǔn)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(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)地震動參數(shù)（包括反映譜和地震最大加速度）的基準(zhǔn)期為50年，如果要求采用基準(zhǔn)期為100年的設(shè)計(jì)地震動參數(shù)，則不但要對地震動的概率分布進(jìn)行專門研究，還要對建筑材料乃至設(shè)備的性能參數(shù)進(jìn)行專門的統(tǒng)計(jì)研究。水工建筑物在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)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(shè)計(jì)的工作步驟2.2設(shè)計(jì)的工作步驟級別不同，抗御災(zāi)害能力也不同：防洪標(biāo)準(zhǔn)、抗震標(biāo)準(zhǔn)、壩頂超高級別不同，安全性不同包括強(qiáng)度、穩(wěn)定、變形三方面水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全級別級別不同，運(yùn)行可靠性不同級別不同，建筑材料不同：品種、質(zhì)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(jì)統(tǒng)計(jì)歷史14000座高于15m的壩：1%統(tǒng)計(jì)近代的壩：0.2％大壩破壞率大壩失事原因統(tǒng)計(jì)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(dāng)5％洪水漫頂12％冰融作用4％壩體集中滲流11％運(yùn)用不當(dāng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定：建筑物設(shè)計(jì)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(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法三、極限狀態(tài)極限狀態(tài)的定義當(dāng)整個結(jié)構(gòu)（包括地基）或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)分類（1）承載能力極限狀態(tài)當(dāng)出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)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(qiáng)度不足而破壞；③結(jié)構(gòu)失穩(wěn)(如壓屈等)；④結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動體系；⑤結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生滲透失穩(wěn)等現(xiàn)象；（2）正常使用極限狀態(tài)定義：當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件影響正常使用或達(dá)到耐久性的極限值時(shí)，認(rèn)為達(dá)到了正常使用極限狀態(tài)。①影響結(jié)構(gòu)正常使用或外觀變形②對運(yùn)行人員、設(shè)備、儀表等有不良影響的振動③對結(jié)構(gòu)外形、耐久性以及防滲結(jié)構(gòu)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(jīng)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(qiáng)使用。2.3水工建筑物的安全性

結(jié)構(gòu)功能函數(shù)功能函數(shù)結(jié)構(gòu)抗力作用效應(yīng)

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(shè)計(jì)準(zhǔn)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(shí)際值>設(shè)計(jì)值抗力的不良性變異：實(shí)際值<設(shè)計(jì)值狀態(tài)方程表達(dá)不正確：抗力或作用效應(yīng)的表達(dá)、計(jì)算錯誤1單一安全系數(shù)法（水工規(guī)范）表達(dá)式：安全系數(shù)K考慮的因素結(jié)構(gòu)的安全等級；工作狀況和作用效應(yīng)組合；結(jié)構(gòu)和地基的受力特點(diǎn)和計(jì)算方法:模擬準(zhǔn)確度材料抗力、作用的實(shí)驗(yàn)、勘測方法和取值規(guī)則。不足之處是定性的標(biāo)準(zhǔn)，沒有定量的意義；不同建筑物不可比較；同一結(jié)構(gòu)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(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法理論基礎(chǔ)：基于概率原理的結(jié)構(gòu)可靠度分析理論失效概率：不能完成預(yù)定功能的概率，pf=P[g(.)<0]可靠度：能完成預(yù)定功能的概率，ps=1-pf分項(xiàng)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(jié)構(gòu)上統(tǒng)一考慮，取劃一的分項(xiàng)系數(shù)。①結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)： 2.蠶3水工壘建筑挨物的養(yǎng)安全砍性②作用稅分項(xiàng)系屢數(shù)：③材料棒性能分蛛項(xiàng)系數(shù)賺：④設(shè)計(jì)戀狀況(工作鈔狀況)系數(shù)刃：⑤結(jié)咐構(gòu)系漂數(shù)γd：反慎映極鎖限狀定態(tài)方坊程與淡結(jié)構(gòu)見實(shí)有拿性能朗的貼袖近程抗度，啊作用毀效應(yīng)懸與抗黨力計(jì)蘿算的篇不定時(shí)性等蓄。2.3水工寫建筑司物的毯安全弓性極限狀墾態(tài)設(shè)計(jì)傘式：①承池載能賭力極馳限狀展態(tài)設(shè)系計(jì)式：結(jié)構(gòu)朗重要與性系尚數(shù)設(shè)計(jì)狀丑況系數(shù)結(jié)構(gòu)系耕數(shù)作用矩效應(yīng)艷函數(shù)結(jié)構(gòu)幾兼何參數(shù)耕的標(biāo)準(zhǔn)傷值結(jié)構(gòu)抗覆力函數(shù)2.廚3水工建馳筑物的海安全性②正疊常使影用極綠限狀禿態(tài)設(shè)擔(dān)計(jì)式：結(jié)構(gòu)重河要性系視數(shù)結(jié)構(gòu)幾棵何參數(shù)屋標(biāo)準(zhǔn)值作用結(jié)標(biāo)準(zhǔn)爹值結(jié)構(gòu)系灣數(shù)材料罪性能西標(biāo)準(zhǔn)癥值設(shè)計(jì)狀險(xiǎn)況系數(shù)φ、作用嘆分項(xiàng)狼系數(shù)gF、材料性價(jià)能分項(xiàng)村系數(shù)gf均為1.炮0功能胸限值如應(yīng)尖力、螞變形雁等五、可驅(qū)靠指標(biāo)可靠性蒙：安全性列、適用炮性、耐岡久性的合稱副。結(jié)構(gòu)扮可靠素度理閑論的岔基本折假定任何結(jié)箏構(gòu)都有獻(xiàn)失效的鄭可能與結(jié)驢構(gòu)設(shè)臨計(jì)相生關(guān)的米變量友均為辛隨機(jī)倉變量當(dāng)作用顯效應(yīng)不雜超過結(jié)救構(gòu)抗力慮時(shí)，結(jié)寇構(gòu)可靠僑，否則吹，結(jié)構(gòu)沖失效結(jié)構(gòu)恢失效海僅由挽作用饒效應(yīng)役所致作用效漁應(yīng)計(jì)算糕分析及饑強(qiáng)度理急論的一抱切方法誦與公式究仍適用結(jié)構(gòu)可侍靠度理否論的數(shù)善學(xué)力學(xué)鴨基礎(chǔ)概率餐論、依數(shù)理盼統(tǒng)計(jì)誘理論挎、隨般機(jī)過疤程理常論、伶隨機(jī)申場理瞧論、氧工程擠力學(xué)碧理論銜、計(jì)貌算力畫學(xué)理象論、系固體科力學(xué)播理論促、強(qiáng)介度理賣論等。2.閘3水工建救筑物的格安全性2.必3水工建艙筑物的營安全性可靠性葡的尺度可靠度輝（可靠昌概率）辰：在給啞定的條選件下，流在基準(zhǔn)辰期內(nèi)完萍成預(yù)定迷功能的世概率。不可生靠度(失效概鞠率）：作結(jié)構(gòu)不銹能完成轎預(yù)定功再能的概挎率。可靠指問標(biāo)（安城全指標(biāo)昆）2.3水工建營筑物的便安全性功能函援?dāng)?shù)的分幅解如果R、S在統(tǒng)燙計(jì)上豪互不確相關(guān)美，則1、可靠腫指標(biāo)2.舞3水工播建筑炭物的潮安全械性若R、S都為蘿正態(tài)鵲分布撇，均確值和回均方襯差分棕別為則Z也為膽正態(tài)搬分布筐，均妥值和滿均方茄差分吧別為可靠棍性指牛標(biāo)：2.始3水工建醋筑物的窩安全性Z的標(biāo)歪準(zhǔn)正威態(tài)化飄：可靠指父標(biāo)與中麥心安全蜜系數(shù)的熱關(guān)系：中心損安全目系數(shù)振：結(jié)構(gòu)抗殃力變異筒系數(shù)：作用喉效應(yīng)早變異右系數(shù)眠：2.3水工建顯筑物的宿安全性2、可靠倆指標(biāo)的按計(jì)算方論法一次傾二階剝矩法押：采晚用μ和σ2計(jì)算攜可靠格度指撫標(biāo)均值始一次烤二階瞎矩法醫(yī)（中任心點(diǎn)從法）極限圾狀態(tài)堡方程刮為非煉線性朋式、放概率丙分布深難以宗確定分時(shí)，壓將S和R線性化浮，在均值處進(jìn)懲行泰壁勒級暗數(shù)展岸開，款計(jì)算β不能礙考慮床隨機(jī)烤變量止的實(shí)筒際分換布對非臭線性憶極限繩狀態(tài)優(yōu)方程瘋，誤肚差大改進(jìn)一米次二階州矩法（軌驗(yàn)算點(diǎn)棍、JC法）將非胡正態(tài)醒分布螞轉(zhuǎn)化突為正及態(tài)分栽布，扣將功項(xiàng)能函零數(shù)在設(shè)計(jì)設(shè)驗(yàn)算蜓點(diǎn)處，做棕泰勒級殼數(shù)展開初，取線徹性項(xiàng)計(jì)獸算βMo棋nt泛e粘Ca危rl這o法隨機(jī)有絮限元法2.棟3水工建底筑物的儀安全性3、目僑標(biāo)可位靠指我標(biāo)規(guī)范中極給出的派可靠指鴨標(biāo)應(yīng)當(dāng)使達(dá)到值βT，用以保殿證設(shè)計(jì)只的水工類建筑物叉既經(jīng)濟(jì)較又安全揀。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(biāo)可蘆靠指標(biāo)βT一類破想壞：指震非突發(fā)勾性破壞二類破跑壞：指學(xué)突發(fā)性丙破壞全球遺分布妥的兩買大地疼震帶環(huán)太來平洋下地震訪帶（80益%）:深層，岔臺灣、掙菲律賓中亞-地中海過地震帶痰（20泉%）:淺層，撒我國西宣南、西組北地震價(jià)破壞棒現(xiàn)象地表和招地基破窗壞：地扯裂、塌凱陷、山耀崩、滑嶄坡、液倒化等建筑盯物破站壞海嘯2.4水工建屬筑物的編抗震分或析2.末4水工認(rèn)建筑蹈物的腦抗震績分析一、要地震鑰作用地震規(guī)捎模的評婆價(jià)：以釋匙放總嫌能量里評價(jià)憤，按睛里氏園震級廢分1～9級。烈度：表征地謀表運(yùn)動債的危害椅性，一捎般以地宵震的最咳大加速亞度作為雨烈度的孤標(biāo)準(zhǔn)；德地震烈駁度分1～12度；6度以上施為有害訂地震?；拘叶葋G：一般是聾指某地跪區(qū)今后50年內(nèi)蘭可能鏈發(fā)生瘡的較厘大的伯地震淡，其抹超越音概率直為10％(中國地震已烈度監(jiān)區(qū)劃這圖)。水庫誘次發(fā)地震殖：截至沖上世婚紀(jì)60年代,全球已破有100例水孟庫誘催發(fā)地?fù)]震,一般壩盡高>10既0m,庫容>5億m3（大2型）櫻時(shí)需肌考慮卵誘發(fā)建地震速。地震測舉量：地面加具速度、桶峰值加生速度，究如6級地震坐的a＝0.礙05g。水工建巷筑物的替地震作蟲用效應(yīng)斷層錯慚動砂土地盟層液化庫水屋產(chǎn)生貫動水峰壓力建筑番物振仆動開院裂、饅傾倒填土產(chǎn)漆生動土騎壓力水庫淋庫岸劇崩塌土石駛壩壩稀坡滑呆動地基并沉降尼效應(yīng)2.末4水工贊建筑雷物的察抗震輪分析2.4水工建腹筑物的施抗震分這析二、亭抗震而設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)烈嚼度：一躬般將基遼本烈度等作為設(shè)殊計(jì)烈度員。抗震方設(shè)防坑等級哥：規(guī)牧定建尿筑物鵝需要田設(shè)防執(zhí)的最嫁小地堆震烈乘度。表示場責(zé)地地震順大于等盲于6級時(shí)才愛需設(shè)防蔬，否則瘋可不設(shè)螞防工程抗震設(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工程男抗震硬設(shè)防配等級抗震鬼設(shè)計(jì)具內(nèi)容抗震榆計(jì)算工程抗不震措施設(shè)計(jì)幣烈度場為6度時(shí)，勻可不進(jìn)乘行抗震歡計(jì)算，戰(zhàn)只考慮征抗震措躺施。設(shè)計(jì)幣烈度時(shí)高于9度時(shí)工，或9度的高殖于25哥0m的壅水請建筑物唱，應(yīng)進(jìn)皆行專門報(bào)的抗震臉研究?？拐饓卧O(shè)計(jì)港的基鞋本要承求：米能抵勒御設(shè)絡(luò)計(jì)烈畏度地洋震，話如有狼損壞愈，處偶理后瓣仍可鏈?zhǔn)褂孟隆?.4水工建師筑物的芝抗震分奶析2.猴4水工建膽筑物的覺抗震分王析地震系墾數(shù)：設(shè)計(jì)流用地歉面運(yùn)醉動峰趙值加循速度伶與重拾力加棟速度培的比尋值。豎向地茫震加速餅度代表畫值取水命平向的2/3地震烈度789αh0.1g0.2g0.4g表2-8水平虛向設(shè)趴計(jì)地更震加驗(yàn)速度水代表太值2.4水工辯建筑風(fēng)物的選抗震考分析三、以地震作墨用效應(yīng)作用的億分類靜態(tài)短作用抵（靜潔荷載規(guī)）：濟(jì)自重嚷、溫督度作寨用動態(tài)疏作用賀（動敬荷載壟）：因地震工作用捎、風(fēng)饒作用越、波凱浪作充用運(yùn)動與方程質(zhì)量豈矩陣加速王度列逢陣阻尼地矩陣速度列漆陣剛度矩惑陣位移矩托陣地面謙運(yùn)動熔加速押度列辦陣2.神4水工奮建筑向物的侮抗震火分析抗震分襖析方法1、2級水工左建筑物扮：實(shí)驗(yàn)付驗(yàn)證抗震染設(shè)防恢等級今為甲寶類的物水工己建筑宇物：渴動力片法乙、有丙類戒水工叛建筑暫物：舌動力或法或挎擬靜窄力法丁類針?biāo)X建筑汪物：它擬靜濁力法舍或采翠取抗吵震措滲施動力法報(bào)的數(shù)值訴解法直接積料分法將地震委地面運(yùn)冒動記錄戴直接輸芳入結(jié)構(gòu)寧體系來命求解的眾結(jié)構(gòu)的船地震反耽應(yīng)。振型分羅解法2.晶4水工建倆筑物的姜抗震分鹽析四、水崇工建筑部物抗震哭分析的查主要問悔題地震腎作用厲的不統(tǒng)確定文性及揚(yáng)設(shè)計(jì)牲地震看參數(shù)躁和波賺型的糠選擇地震動葉輸入機(jī)蘆制結(jié)構(gòu)倒－庫戒水－和地基任間的壘動力宰相互居作用壩體和聲地基的站非線性夢影響地震膜反應(yīng)課的動扶態(tài)設(shè)俗計(jì)方盟法2.5水工建繡筑物設(shè)布計(jì)的規(guī)扒范體系一、紋標(biāo)準(zhǔn)醬的基蝴本概悔念標(biāo)準(zhǔn)的缺定義標(biāo)準(zhǔn)重的特蜓性ISO：國際效標(biāo)準(zhǔn)化文組織二、國議際標(biāo)準(zhǔn)ISO截239狠4《結(jié)構(gòu)可性靠性總倆原則》（199述8）三、秤中國豎標(biāo)準(zhǔn)我國標(biāo)誼準(zhǔn)分類廁：國家標(biāo)麻準(zhǔn)、行封業(yè)標(biāo)準(zhǔn)換、地方冬標(biāo)準(zhǔn)、殊企業(yè)標(biāo)塘準(zhǔn)《水利技關(guān)術(shù)標(biāo)準(zhǔn)孤體系表》（200籮1）《電力標(biāo)盟準(zhǔn)體系井表》（19妥95）《建設(shè)薄工程芝質(zhì)量樸管理警條例》（20橡00）2.6水工耕建筑枝物施煙工過污程的俊狀況塊分析施工蚊導(dǎo)流著的措釣施未建浪成的路建筑衣物上幕臨時(shí)巡壽泄流紹：壩圾體泄搏流將永美久性重建筑婦物結(jié)戶合導(dǎo)萍流建咳筑物羽布置閘：泄櫻洪洞柱與導(dǎo)共流洞博結(jié)合隊(duì)，泄拋水、裕排沙雖孔與滑導(dǎo)流必孔結(jié)膝合利用沿臨時(shí)采剖面哈施工鋒期蓄亦洪修建褲