水工建筑物-第三章-水工建筑物的作用

水工建筑物

2023年12月1日賴國偉第三章

水工建筑物的作用及作用效應(yīng)組合第一節(jié)作用的定義與分類

一、作用的定義

使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形的各種原因總稱為結(jié)構(gòu)上的作用。直接作用：是指直接施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力，也可稱為“荷載〞。間接作用：那么是指使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生外加變形或約束變形的原因，如地震、溫度作用等。長期以來，工程界習(xí)慣將上述兩類作用不加區(qū)分均稱為“荷載〞，如自重荷載、水荷載、地震荷載、溫度荷載等。已頒發(fā)的國家標(biāo)準(zhǔn)《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定將各種荷載統(tǒng)稱為作用，亦即采用了“作用〞這一概念來取代習(xí)用的“荷載〞這一概念。二、作用的分類

1、按隨時間的變異分類永久作用：即在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)量值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計的作用。例如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力等。可變作用：即在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)量值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可忽略的作用。例如水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力以及風(fēng)、雪、人群、堆放物品等作用。偶然作用：即在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)出現(xiàn)概率很小，一旦出現(xiàn)其量值很大且持續(xù)時間很短的作用。例如校核洪水位時的水荷載(包括靜水壓力、揚(yáng)壓力和動水壓力)、地震作用等。

2、按隨空間位置的變異分固定作用：指在結(jié)構(gòu)空間位置上具有固定分布的作用。例如結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備重等?？蓜幼饔茫褐冈诮Y(jié)構(gòu)空間位置上的一定范圍內(nèi)可以任意分布的作用。其作用位置和數(shù)值都是可以變動的。例如水電站廠房內(nèi)行車輪壓作用，在吊車梁的長度方向任意變化，起吊物及小車(天車)位置不同，輪壓不同。3、按引起結(jié)構(gòu)的反響分靜態(tài)作用：指在結(jié)構(gòu)上不產(chǎn)生加速度或產(chǎn)生的加速度可以忽略不計的作用。例如結(jié)構(gòu)自重、水電站機(jī)組檢修堆放在安裝場的機(jī)件重。動態(tài)作用：指在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生不可忽略的加速度的作用，例如地震作用。對于這類作用，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，應(yīng)當(dāng)考慮其動力效應(yīng)，有的可以用乘一個動力系數(shù)的方法來考慮，有的那么應(yīng)采用結(jié)構(gòu)動力學(xué)的方法來計算分析。4、按屬于平安系數(shù)設(shè)計法的標(biāo)準(zhǔn)分類

上述作用分類是基于結(jié)構(gòu)可靠度理論的標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50199—1994)給出的。

對于基于平安系數(shù)設(shè)計法的標(biāo)準(zhǔn)有《混凝土重力壩設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(SL319-2005)、《混凝土拱壩設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》〔SL282-2003〕。該標(biāo)準(zhǔn)將直接施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力，稱為荷載。該標(biāo)準(zhǔn)的作用分類為：

根本荷載

→

出現(xiàn)時機(jī)較多的荷載，例如結(jié)構(gòu)自重、正常蓄水位時的水荷載(包括靜水壓力、揚(yáng)壓力和動水壓力)及浪壓力、泥沙壓力、土壓力、冰壓力等荷載。

特殊荷載

→出現(xiàn)時機(jī)較少的荷載，例如校核洪水位時的水荷載(包括靜水壓力、揚(yáng)壓力和動水壓力)及浪壓力、地震荷載等荷載。第二節(jié)水工建筑物的自重作用水工建筑物自重屬于恒定荷載，對水工建筑物的工作狀態(tài)起著重要作用。水工建筑物本身的自重：可按G=γ·V確定。式中：γ——材料容重〔重度〕，kN/m3；V——體積，m3。一、混凝土材料自重作用對拱壩壩塊自重G可按辛普森公式計算：式中γ——混凝土的容重，kN/m3；

△Z——計算壩塊的垂直高度，m；

A1、A2、Am——分別為上端截面、下端截面和中間截面的面積，m2。二、土石材料自重作用：對土石材料，需根據(jù)其所在位置與浸潤線和水位的關(guān)系，有選擇地使用以下不同的容重：

土體的干容重土體的自然容重土體的飽和容重土體的浮容重三、土壓力(1)當(dāng)剛性連接建筑物在土壓力作用下或因地基不均勻沉陷發(fā)生變位，至使側(cè)向土壓力減小時，可作為主動土壓力進(jìn)行分析。(2)當(dāng)剛性連接建筑物建造在堅硬的巖基上，同時自身剛度較大，變形較小時，可作為靜止土壓力進(jìn)行分析。(3)當(dāng)剛性連接建筑物在其他荷載作用下有向填土一側(cè)變位時，土壩對連接建筑物產(chǎn)生被動土壓力。作用在光滑、豎直迎土面上的各種土壓力強(qiáng)度計算公式如下：式中：γ為土的容重，kN／m3；H為計算點(diǎn)的土深，m；φ為土的內(nèi)摩擦角。

四、泥沙壓力〔按主動土壓力計算〕作用在壩、水閘等擋水建筑物上的水平淤沙壓力，可按一般〔主動〕土壓力公式計算：當(dāng)上游壩面傾斜時，除水平泥沙壓力外還存在鉛直泥砂壓力，計算方法與計算鉛直水壓力的方法相同。?斜面上鉛直的淤沙壓力即為淤積在其上的泥砂自重〔按浮容重計算〕?！并俪梢颍核畮煨钏螅霂焖髁魉俳档筒②呌诹?，挾帶的泥沙隨流速減小而沉積于壩前，其過程是先沉積大顆粒，而后沉積細(xì)顆粒。②淤積高程：壩前淤積逐年增高，可根據(jù)河流的挾沙量進(jìn)行估算，估算年限通常為50-100年。③指標(biāo)：淤積的泥沙逐年固結(jié)，容重和內(nèi)摩擦角也在逐年變化，很難算準(zhǔn)，設(shè)計時可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取定，象黃河這樣的多沙河流應(yīng)由試驗(yàn)定出。〕式中：

pn——為在鉛直面上泥沙對壩體某點(diǎn)的壓力強(qiáng)度，kN/m2；γ′——為泥沙的浮容重；Φ

——為泥沙的內(nèi)摩擦角；

hn——為該點(diǎn)以上的淤沙厚度。第三節(jié)水工建筑物的溫度作用溫度應(yīng)力〔或稱變溫應(yīng)力〕：當(dāng)結(jié)構(gòu)的溫度有所改變時，它的每一局部都將由于溫度的升高或降低而發(fā)生膨脹或收縮。如果這種熱脹或冷縮變形受到結(jié)構(gòu)外在約束或內(nèi)部各個局部之間的相互約束的限制而不能自由進(jìn)行時，結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，這局部應(yīng)力即是所謂的變溫應(yīng)力，通常又稱溫度應(yīng)力。溫度作用〔或溫度荷載〕：由于結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度變化，根據(jù)有關(guān)力學(xué)即可計算出溫度應(yīng)力來，所以工程中就將結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的、且對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力變形等作用效應(yīng)的溫度變化稱為溫度作用〔或溫度荷載〕。這里主要介紹工程中廣泛采用的混凝土結(jié)構(gòu)的溫度作用。一、溫度作用與溫度應(yīng)力的變化過程1、溫度作用的變化過程對于工程中廣泛采用的混凝土建筑物，其中的溫度作用的開展過程，可分為三個階段：①早期——自混凝土澆筑開始，至水泥水化熱作用根本結(jié)束止。該階段為溫度升高期。②中期——自水泥水化熱作用根本結(jié)束起，至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度止。該階段為溫度降落期。③晚期——混凝土完全冷卻以后的運(yùn)行期。準(zhǔn)穩(wěn)定溫度：在運(yùn)行期，離開結(jié)構(gòu)外表較近〔不到7m〕點(diǎn)的溫度，因受外界氣溫或水溫的影響和太陽的輻射，會隨著時間而有一定的波動，如圖中所示，最后在Ta的上下作有周期性的變化，這種溫度稱為準(zhǔn)穩(wěn)定溫度。穩(wěn)定溫度：對于大體積結(jié)構(gòu)，如重力壩，因混凝土是一種導(dǎo)溫性質(zhì)極為不良的材料，如果不采用人工冷卻措施，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度要從最高溫度降低到穩(wěn)定溫度的過程是非常緩慢的，往往需要數(shù)十年甚至上百年時間。當(dāng)大體積結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)以后，其溫度幾乎不隨外界氣溫或水溫的波動而波動。2、溫度應(yīng)力的變化過程由于混凝土彈性模量隨著齡期而變化，相應(yīng)于溫度作用的開展過程，溫度應(yīng)力的開展過程也可分為三個階段：〔1〕早期溫度應(yīng)力——在溫升階段，混凝土體積膨脹因受到壩基或下部壩塊的約束而引起水平方向的壓應(yīng)力。由于此時混凝土剛開始硬化，混凝土塑性大而彈性模量較小，因而引起的早期溫度壓應(yīng)力數(shù)值不大。〔2〕中期、晚期溫度應(yīng)力——在溫降階段，隨著體積收縮，先抵消上述壓應(yīng)力(這局部往往可忽略不計)，隨后在混凝土內(nèi)引起水平拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過極限抗拉強(qiáng)度時，就會開裂。在施工期間，由于外表散熱或寒潮沖擊，混凝土內(nèi)部的溫度和外表的溫度不同，這種內(nèi)外溫差也是一種溫度荷載，可能引起外表開裂。二、假設(shè)干情況下的溫度應(yīng)力分析1、由根底溫差引起的應(yīng)力設(shè)有一靠近根底的澆筑塊，總溫降為T，在基巖約束的影響下，底部將產(chǎn)生水平拉應(yīng)力σx、水平剪應(yīng)力τ和垂直正應(yīng)力σy。對于剛性地基，貼近基巖面的水平拉應(yīng)力可以到達(dá)：式中：Ec和α分別為混凝土的彈性模量和線膨脹系數(shù)；T為總溫降；Tj為入倉溫度；Tr為最高溫升；Ta為穩(wěn)定溫度。

當(dāng)澆筑塊較高時，在距基巖面約0.15L〔L為澆筑塊的長度〕處的水平拉應(yīng)力將下降到基巖面的50%；約0.4L處，將下降到0?？紤]到基巖并非剛性，也將產(chǎn)生彈性變形，以上各種應(yīng)力均將有所降低。在計算中，可用“有效彈性模量Ee〞來代替上式中混凝土的彈性模量Ec：式中：ER為基巖的彈性模量。2、溫變荷載對拱壩的影響溫降時：受兩岸基巖約束，拱壩的軸線縮短，向下游變位；

由此產(chǎn)生的剪力、彎矩的方向與水壓力產(chǎn)生的剪力、彎矩的方向相同；軸力的方向與水壓力產(chǎn)生的方向相反?！獪亟祵误w應(yīng)力不利溫升時：受兩岸基巖約束，拱壩的軸線伸長，向上游變位；

由此產(chǎn)生的剪力、彎矩的方向與水壓力產(chǎn)生的剪力、彎矩的方向相反，軸力的方向與水壓力產(chǎn)生的方向相同?！獪厣龑渭绶€(wěn)定不利

3、由內(nèi)外溫差引起的應(yīng)力對于壩塊上部，基巖約束的影響很小。由于側(cè)面散熱而在沿厚度方向形成顯著的內(nèi)外溫差。對于高度和長度都比較大的壩塊，由此而產(chǎn)生的外表拉應(yīng)力約為：式中：T為澆筑塊的內(nèi)外溫差。

→內(nèi)外溫差所引起的溫度應(yīng)力越接近外表越大，是產(chǎn)生外表裂縫的主要原因。4、幾點(diǎn)說明

當(dāng)按彈性體計算混凝土結(jié)構(gòu)的溫度和濕度變化引起的應(yīng)力時，可考慮混凝土的徐變作用〔即當(dāng)外荷載持續(xù)作用時，混凝土的變形隨時間而逐漸增加，混凝土內(nèi)的應(yīng)力那么隨時間而“松弛〞〔減小〕〕而予以降低。重力壩、大頭壩、平板壩等一般均設(shè)置溫度伸縮縫，作為防裂措施，因此設(shè)計時周期性溫度變化不是主要荷載。拱壩和連拱壩，由于它們是固接于巖基上的整體結(jié)構(gòu)，壩身不設(shè)永久性伸縮縫，設(shè)計時必須將周期性溫度變化列為主要荷載。土石壩，一般不考慮溫度荷載。

三、溫度作用的計算方法

在水工設(shè)計中，對混凝土結(jié)構(gòu)溫度作用的考慮分為施工期和運(yùn)行期：施工期溫度作用：指早期混凝土的水化熱溫升和中期混凝土冷卻的溫降。運(yùn)行期溫度作用：指晚期混凝土冷卻后，由于外界環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的溫度作用。

這里主要介紹運(yùn)行期溫度變化〔即溫度作用〕的計算。運(yùn)行期溫度作用的計算起點(diǎn)：與施工方法有關(guān)，如下〔1〕當(dāng)采用分塊澆筑，最后接縫灌漿形成整體結(jié)構(gòu)的施工程序〔如一般拱壩〕，運(yùn)行期溫度作用的計算起點(diǎn)應(yīng)取形成整體時的溫度場。

〔2〕當(dāng)采用通倉澆筑的施工方法時，那么應(yīng)取施工期最高溫度場為運(yùn)行期溫度作用的計算起點(diǎn)。

1、桿件結(jié)構(gòu)由于其截面尺寸較小，無論考慮溫度的年周期變化或月變幅的影響，均可假定溫度沿截面厚度方向線性分布，并以截面平均溫度Tm和截面內(nèi)外溫差Td表示：式中：Ti、Te為桿件內(nèi)、外外表的計算溫度。2、平板結(jié)構(gòu)對于平板結(jié)構(gòu)，或厚度與曲率半徑之比L／R<0.5的某種殼體結(jié)構(gòu)(此時壩面曲率對溫度場的影響可以忽略)，可將平板結(jié)構(gòu)沿厚度方向呈非線性分布的計算溫度T(x)分解為三局部：即截面平均溫度Tm、等效線性溫差Td和非線性溫差Tn。拱壩計算的拱梁分載法僅計及Tm、Td的變化，而不考慮Tn。非線性溫差Tn雖是引起結(jié)構(gòu)外表裂縫的重要原因，但其引起的應(yīng)力具有自身平衡的性質(zhì)，不影響結(jié)構(gòu)整體的變位和內(nèi)力，故可不計。平均溫度Tm和截面內(nèi)外溫差Td具體計算公式可參閱:《水工建筑物荷載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(DL5077—1997)《混凝土拱壩設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(SL282-2003)《混凝土重力壩設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(SL319-2005)拱壩的平均溫度荷載還可按經(jīng)驗(yàn)公式計算，美國墾務(wù)局的經(jīng)驗(yàn)公式：或修正后的經(jīng)驗(yàn)公式：式中：這里T為計算高程處拱圈的厚度。

〔該經(jīng)驗(yàn)公式忽略了許多影響因素，如水溫沿水深的變化、當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件的影響等，有較大的誤差?！?、大體積混凝土結(jié)構(gòu)和其他空間形狀復(fù)雜的非桿件結(jié)構(gòu)。

應(yīng)根據(jù)其邊值條件，按連續(xù)介質(zhì)的熱傳導(dǎo)理論計算結(jié)構(gòu)在任意時刻的溫度場，兩個不同計算時刻的溫度場的差值〔變化〕即為該結(jié)構(gòu)的溫度作用。T(x,y,x,t)為結(jié)構(gòu)在任意時刻非穩(wěn)定溫度場，根據(jù)熱力學(xué)有關(guān)定理，可推導(dǎo)出其控制方程是：式中：θ為混凝土的絕熱溫升；ac為混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)。初始條件是：t=0時，T=T0(X,Y,Z)。邊界條件有：定溫度邊界：如與庫水接觸的壩面，巖石地基面上。T＝Φ1式中，Φ1為定溫度邊界的溫度，0C。放熱邊界：比方與空氣接觸的壩面上。式中：lX、lY、lZ為邊界的單位法線向量；T2為空氣或流水的溫度，0C；λc為導(dǎo)熱系數(shù)；βc為外表放熱系數(shù)。目前常用有限單元法求解上微分方程。金安橋重力壩穩(wěn)定溫度場小灣拱壩穩(wěn)定溫度場第四節(jié)水工建筑物的滲流作用一、根本概念1、揚(yáng)壓力的概念滲流：由于混凝土、土石料等工程常用建材與根底——巖基或土基均不同程度地存在連通的孔隙或裂隙，因而在壓力水如庫水的作用下，水工建筑物及根底內(nèi)會出現(xiàn)流動的水流。這種在孔隙或裂隙介質(zhì)中流動的水稱為滲流。揚(yáng)壓力：滲流水壓力是各向相等的，當(dāng)我們考慮建筑物底面或其他水平截面的這種荷載時，其方向是向上的，因此，工程習(xí)慣上稱滲流水壓力為揚(yáng)壓力。滲流水壓力：一般稱呼。揚(yáng)壓力：作用于水工建筑物周圍的滲流水壓力習(xí)慣上稱為揚(yáng)壓力?！?xí)慣稱呼孔隙水壓力：有時等同滲流水壓力〔非孔隙變形引起，且當(dāng)孔隙水流動時〕。假設(shè)揚(yáng)壓力計算點(diǎn)在下游水位以下，在一些情況下〔見重力壩局部〕，揚(yáng)壓力習(xí)慣被分解成兩局部：浮托力與滲透壓力。其中：浮托力：是由下游水深H2所形成的上舉力。滲透壓力：是由上、下游水位差(H1-H2)所形成的上舉力。具體為滲流從上游流向下游的過程中，逐步消耗著水頭，相應(yīng)于計算點(diǎn)剩余〔或損失〕水頭的壓力。該點(diǎn)所受的總水壓力：即揚(yáng)壓力=該點(diǎn)的滲透壓力+浮托力?上式不存在普遍性!僅為水工工程設(shè)計習(xí)慣做法。假設(shè)假設(shè)建基面為一流線，上下游水頭差H=H1—H2，即為該流線開始點(diǎn)的剩余〔或損失〕水頭——該流線初始剩余水頭。附帶說明：假設(shè)揚(yáng)壓力計算點(diǎn)在下游水位以下，在一些情況下〔見重力壩局部〕，揚(yáng)壓力習(xí)慣被分解成兩局部：浮托力與滲透壓力。即揚(yáng)壓力=該點(diǎn)的滲透壓力+浮托力?上式不存在普遍性!僅為水工工程設(shè)計習(xí)慣做法。?假設(shè)要使上式有普遍性，應(yīng)將書中P45第一行“假設(shè)該點(diǎn)在下游水位以下〞的說法修改為：“假設(shè)在過該點(diǎn)流線出口處如存在靜水壓力〞即可！揚(yáng)壓力有效作用面積：實(shí)際上幾乎作用在100%的截面面積上，因?yàn)樵诮孛鍭B附近的，存在幾乎完全通過孔隙的不規(guī)那么的曲線。所以，在20世紀(jì)60年代以后，揚(yáng)壓力的作用面積系數(shù)α2=1.0的結(jié)論已被各國的標(biāo)準(zhǔn)所采用。2、有效應(yīng)力、孔隙水壓力、總應(yīng)力當(dāng)孔隙水因受壓而逐漸排除時，所加的荷重才逐漸轉(zhuǎn)移到土粒骨架上，這一過程稱為固結(jié)過程。土粒骨架所承擔(dān)的應(yīng)力稱為有效應(yīng)力σ′，孔隙水所承擔(dān)的應(yīng)力稱孔隙水壓力u，兩者之和稱為總應(yīng)力σ。當(dāng)水庫剛建成蓄水時，水可能尚未滲入材料內(nèi)部〔否那么后面說法不對〕。此時，對土體施加荷重，土體內(nèi)的應(yīng)力為總應(yīng)力，等于有效應(yīng)力。即當(dāng)水庫長期蓄水運(yùn)行后，水已充分滲入壩體和地基內(nèi)，那么在計算時應(yīng)計入滲流水壓力，此時有效應(yīng)力等于總應(yīng)力減去滲流水壓力。即二、滲流分析的方法1、流體力學(xué)法：由達(dá)西定律和穩(wěn)定滲流的連續(xù)性條件方程及邊界條件，求解：式中kx、ky、kz分別為坐標(biāo)軸各向的滲透系數(shù)。?由上述穩(wěn)定滲流的連續(xù)性方程及相應(yīng)的邊界條件，求解找出滲流場的水頭值H(x,y,z)，那么可求解出滲流區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)的滲流要素：H〔滲透水頭〕、J〔滲透坡降〕、v〔流速〕。2、水力學(xué)法：在流體力學(xué)根底上，做假設(shè)干假定、簡化、求解滲流區(qū)域內(nèi)的平均滲流要素。3、有限單元法：流體力學(xué)的數(shù)值解法。4、手工繪制流網(wǎng)法：利用流網(wǎng)的性質(zhì)〔曲線正方形〕，繪制滲流區(qū)域的流網(wǎng)圖，求解滲流區(qū)域內(nèi)的滲流要素。5、實(shí)驗(yàn)方法：常用的有電模擬法、電網(wǎng)絡(luò)等模擬試驗(yàn)法。由于本錢、周期以及計算機(jī)技術(shù)進(jìn)步等原因，目前應(yīng)用不多。三、滲透力計算滲透力定義：水在透水材料中流動的過程中將受到透水材料阻力的作用，使水頭逐漸損失。同時，水的滲透將對透水材料骨架產(chǎn)生拖曳力，導(dǎo)致透水材料體中的應(yīng)力與變形發(fā)生變化。這種滲透水流對透水材料骨架產(chǎn)生的拖曳力稱為滲透力。滲透力是一種體積分布力。滲透力計算：〔1〕可以推導(dǎo)，在不考慮滲流在鉛直方向產(chǎn)生的浮托力的情況下，單位透水材料沿滲流方向所受的滲透力γ為：

式中，為滲透坡降。?相應(yīng)情況下滲透力作用方向：沿流線方向?！?〕在一般情況下〔考慮滲流在鉛直方向產(chǎn)生的浮托力的情況下〕，滲透體積力沿坐標(biāo)軸向的分力γx、γy、γz：由，可得式中γw為水的容重；p為滲流壓力。?需指出的是，上式中的第三式右邊第二項(xiàng)為滲流在鉛直方向產(chǎn)生的浮托力。結(jié)構(gòu)某一區(qū)域〔例如體積為V〕的總滲透力各分力：可通過積分得到

式中：dV為體積微分。當(dāng)求解總滲透力的體積V較小時，總滲透力可以簡化為：四、考慮滲流作用的兩種方式滲透體積力方式：揚(yáng)壓力面力方式：五、幾點(diǎn)注記巖體內(nèi)的滲流主要是集中在裂隙內(nèi)流動。但常簡化成等效多孔介質(zhì)模型分析。

如果將壩體或地基視為連續(xù)多孔材料，并認(rèn)為壩體或地基的滲流可視為層流并符合達(dá)西定律，那么可以根據(jù)邊界條件求解二維或三維的以滲透水頭為變量的拉普拉斯方程式——求出滲流場內(nèi)各點(diǎn)的滲透水頭——然后求得在計算截面上的壓力(揚(yáng)壓力)。但由于邊界條件通常也很復(fù)雜，難以確定，因此在一般情況下，都是參照已建工程的原型觀測成果，采用簡化圖形的方法以確定揚(yáng)壓力。

滲流分析理論說明應(yīng)按滲流體積力來考慮庫水對壩體的作用，但對于透水性較小的混凝土重力壩設(shè)計中，仍然將庫水壓力作為外表力作用在壩面。這是因?yàn)樵趬误w靠近上游面的部位一般都設(shè)有壩身排水管，因而只是在壩體的上游面附近才作用有滲流體積力。對于透水性較大的土石壩，一般采用滲流體積力來考慮庫水對壩體的作用，但對于透水性較小的薄心墻、薄斜墻、混凝土面板堆石壩的面板，有時需要計算外表靜水壓力。第五節(jié)水工建筑物的流體作用

一、靜水作用

不流動的水作用在建筑物上的壓力稱為靜水壓力。

二、動水作用動水作用：是水體在流動過程中對建筑物產(chǎn)生的作用。動水作用對水工建筑物產(chǎn)生的作用力包括：水體在其流動邊界上產(chǎn)生的摩阻力。建筑物過水外表上的壁面動水壓力。泄水建筑物在拋射水流時的產(chǎn)生的反作用力。地震時建筑物外表因振動產(chǎn)生的動水壓力等。溢流壩在溢流時，作用在壩面上的動水壓力：一般通過水工試驗(yàn)確定，也可按以下方式作近似計算。按動量方程可推出在反弧段(DE段)上的合力為：水平力〔指向上游〕：垂直力〔垂直向下〕：式中:q——單寬流量,m3/s/m。v——反弧段上平均流速，m/s，可近似按能量方程推算。θ、θ′——反弧段起始和末端半徑與鉛垂線間夾角。r——反弧段半徑，一般取4-10h〔h為反弧段上最低點(diǎn)處水深〕，流速較大時宜取較大的反弧段半徑，m。g——重力加速度，m/s2。三、波浪作用水庫水面在風(fēng)的作用下生成風(fēng)浪，對建筑物的迎風(fēng)面會產(chǎn)生浪壓力。(1)波浪三要素：與風(fēng)速、吹程和水深有關(guān)。在自由庫面上，波浪三要素為波浪的波長L1波浪的高度h1波浪中心線壅高h(yuǎn)0

當(dāng)建筑物的迎風(fēng)面為垂直面時，波浪撞擊在壁面上產(chǎn)生反射波。反射波與入射波疊加產(chǎn)生駐波。駐波波高為風(fēng)成波波高的兩倍。(2)波浪的分類當(dāng)壩前水深H1>〔L1/2〕時：波浪運(yùn)動不受庫底的約束，稱為深水波。當(dāng)Hk<H1<〔L1/2〕時：波浪運(yùn)動受到庫底影響，波速降低，波長縮短，波浪中心線增大，稱為淺水波。當(dāng)H1<Hk時：波浪發(fā)生破碎，稱為破碎波。

注：Hk為使波浪破碎的臨界水深。〔3〕官廳水庫公式〔適用于山區(qū)峽谷水庫〕該公式為《混凝土重力壩設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》推薦，適用于山區(qū)峽谷水庫，吹程1～13km，風(fēng)速4～16m/s時，深水波情況下波浪要素的求解。波浪的高度：波浪的波長：波浪中心線壅高：臨界水深：式中：V為庫面上的風(fēng)速，m/s；D為庫面的波浪吹程，km。求解出波浪要素，判斷波浪的類型，就可以求解作用在重力壩上的浪壓力大小及壩頂在最大靜水位上的超高。在正常蓄水位和設(shè)計洪水位時，宜采用相應(yīng)洪水期多年平均最大風(fēng)速的1.5～2.0倍；在校核洪水位時，宜采用相應(yīng)洪水期多年平均最大風(fēng)速。寬廣庫水面：吹程D——壩到對岸的最大距離狹窄庫水面：吹程D=5倍平均庫水面寬深水波的浪壓力〔合力〕：單位壩段寬度的波浪壓力為可以簡化為：?深水波的浪壓力合力作用點(diǎn)位置：自己考慮?！?〕莆田試驗(yàn)站公式〔適用于平原濱海地區(qū)水庫用〕該公式為《碾壓式土石壩設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》〔SL274-2001〕和《水閘設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》〔SL265-2001〕推薦，適用于平原濱海地區(qū)水庫，淺水波、破碎波情況下波浪要素的求解?！补铰浴惩潦瘔魏退l的波浪公式不詳細(xì)講。四、冰作用靜冰壓力：江河渠湖或水庫等水面結(jié)冰后，因溫度升高冰層膨脹而對建筑物產(chǎn)生的壓力。

動冰壓力：流動冰塊對建筑物撞擊時的作用力。冰壓力對中等以上高度的壩并不重要，但對低壩、水閘、閘墩、胸墻等結(jié)構(gòu)物，冰壓力那么往往成為比較重要的荷載。五、高速水流作用泄水建筑物中的水流流速增加到一定的程度時(V>16~18m/s)，隨之出現(xiàn)一些高速水流如所特有的問題，如高佛氏數(shù)、大雷諾數(shù)、紊動強(qiáng)烈、對邊界變化非常敏感，很容易產(chǎn)生沖擊波、摻氣、空穴等現(xiàn)象。〔1〕空穴〔空化〕與空蝕空穴〔空化〕：在水流中，如果水體內(nèi)部的局部壓力降低到氣化壓力之下，該點(diǎn)的水體將發(fā)生氣化，形成氣化泡?？栈蓦S水流運(yùn)動到高壓力區(qū)時，隨即潰滅破裂，同時還伴隨爆裂聲、沖擊力等發(fā)生，這一現(xiàn)象稱為空穴〔空化〕?？瘴g：空穴發(fā)生在固體邊壁外表的地方時，空穴泡潰滅的巨大沖擊力作用在固體邊壁材料上，使外表遭受破壞。這樣的破壞稱為空蝕?？昭ㄊ且环N水流現(xiàn)象〔是因〕，空蝕是建筑物的一種破壞形式〔是果〕?！?〕摻氣

水流在泄槽或溢流壩中流動時，水流中摻入空氣的過程叫水流摻氣。自然摻氣：是水流在沿固體邊界未受到任何突變或另一股水流的干擾下，水氣界面(自由面)到達(dá)某種臨界狀態(tài)后，空氣自然摻入水流的過程。水面自然摻氣使水體膨脹，水深加大；加劇水流紊動，導(dǎo)致建筑物振動；產(chǎn)生霧化等，影響水工建筑物正常工作。強(qiáng)迫摻氣：是水流受到閘門槽、閘墩、升跌坎、水躍的漩滾或兩股水流交匯等外界條件突變時，水流原有流動狀態(tài)受到破壞，引起局部強(qiáng)烈擾動，致使空氣摻入的過程。如泄洪洞在泄流時，在埋深缺乏的情況下可能產(chǎn)生吸入漩渦，導(dǎo)致水流摻氣。在溢流壩和泄槽中，常設(shè)有摻氣坎，用強(qiáng)迫摻氣的方法減輕或消除可能產(chǎn)生的空蝕破壞。摻氣程度：與流速大小、水深和結(jié)構(gòu)外表的粗糙程度有關(guān)。溢流壩面摻氣水深ha：可按下式計算

式中:v——斷面平均流速；ξ——修正系數(shù)，一般為1.0～1.4，視流速及斷面收縮情況而定，當(dāng)v>20m/s時，宜用較大值；h——摻氣前水深。

〔3〕脈動脈動的根本特征是流場內(nèi)的流速和壓力隨著時間不斷地變化。脈動壓力作用在建筑物外表可能產(chǎn)生以下問題：產(chǎn)生振動。當(dāng)水流壓力脈動的頻率與建筑物的固有頻率接近時，可能產(chǎn)生共振，嚴(yán)重的威脅建筑物的平安。在壓力脈動頻率中，影響最大的是頻率低、能量大的主頻率。產(chǎn)生負(fù)壓。脈動壓力有正有負(fù)。當(dāng)瞬時負(fù)壓大于平均壓力時，建筑物外表會出現(xiàn)瞬時負(fù)壓。反復(fù)出現(xiàn)負(fù)壓，可能導(dǎo)致空蝕破壞等工程問題。〔4〕沖擊波在高速下泄的泄槽水流中，由于邊界條件改變而形成的水面擾動波稱為沖擊波。引起沖擊波的常見因素：有邊墻在平面上的擴(kuò)散、收縮或彎曲。

沖擊波的不利影響：使槽內(nèi)局部水深增加，在槽內(nèi)反復(fù)折沖前行，增加水流壓力脈動，使斷面單寬流量不均勻，增加消能的困難。六、水工建筑物的沖刷作用和防護(hù)必須采取妥善的手段將下泄水流的危害消除。泄水建筑物消能的原那么：就是要將下泄水流的能量消剎在水流漩滾紊動中。泄水建筑物的消能方式：分為體內(nèi)消能和體外消能。體內(nèi)消能：是在建筑物外表或內(nèi)部產(chǎn)生水流紊動消能。如階梯式消能工、寬尾墩消能工等輔助消能工。體外消能：是在泄水建筑物的下游某一指定地方通過一定方式消剎水能。常用的有底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能。第六節(jié)水工建筑物的地震作用地震會引起對水工建筑物的動力作用，在地震區(qū)筑壩，必須考慮地震作用。水工建筑物抗震計算應(yīng)考慮的地震作用有：建筑物自重和其上的荷重所產(chǎn)生的地震慣性力地震動水壓力地震動土壓力影響地震作用的主要因素為地震烈度：表示地震時在一定地點(diǎn)的地面震動的強(qiáng)烈程度，分0～12度〔按12個烈度等級劃分烈度〕。地面運(yùn)動強(qiáng)度建筑物的動力特性抗震設(shè)計中常用到根本烈度和設(shè)計烈度的概念(1)根本烈度：指建筑所在地區(qū)，50年基準(zhǔn)期內(nèi)，可能遭遇的地震事件中，超越概率為0.10所對應(yīng)的烈度。一般為《中國地震烈度區(qū)劃圖〔1990〕》上所標(biāo)示的地震烈度值，對重大工程應(yīng)通過專門的場地地震危險性分析工作確定。(2)設(shè)計烈度：指在根本烈度根底上確定的作為工程設(shè)防依據(jù)的地震烈度。一般情況下，設(shè)計烈度等于根本烈度。【附超越概率：在一定時期內(nèi)，工程場地可能遭遇大于或等于給定的地震烈度值或地震動參數(shù)值的概率。我國的房屋建筑采用采用三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)，即“小震不壞，中震可修，大震不倒〞。其中：小震指該地區(qū)50年內(nèi)超越概率約為63%的地震烈度，即眾值烈度，又稱多遇地震；中震指該地區(qū)50年內(nèi)超越概率約為10%的地震烈度，又稱為根本烈度或設(shè)防烈度；大震指該地區(qū)50年內(nèi)超越概率約為2%～3%的地震烈度，又稱罕遇地震。】(3)對于1級水工建筑物，設(shè)計烈度可根據(jù)工程的重要性、受害后果的危害性及工程地點(diǎn)的地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在根本烈度的根底上提高1度。(4)設(shè)計烈度在6度以下，可不進(jìn)行抗震設(shè)計；在7度以上，應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計；高于9度或高度超過250m的壅水建筑物，應(yīng)專門研究論證。工程抗震設(shè)防類別確定：應(yīng)根據(jù)建筑物重要性和工程場地根本烈度確定。劃分工程抗震設(shè)防類別的目的：選擇結(jié)構(gòu)抗震計算方法和調(diào)整重要性系數(shù)。工程抗震設(shè)防類別建筑物級別場地基本烈度甲1（壅水）≥6乙1（非壅水）、2（壅水）丙2（非壅水）、3≥7

丁4、5工程抗震設(shè)防類別

結(jié)構(gòu)抗震分析方法有：擬靜力法反響譜法時程法地震作用效應(yīng)的計算方法選用：按DL5073-1997《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：甲類設(shè)防的水工建筑物：用動力法；乙、丙類設(shè)防的水工建筑物：用動力法或擬靜力法；丁類設(shè)防的水工建筑物：用擬靜力法或著重采取抗震措施。動力法一、地震慣性力〔擬靜力法〕1、水平向地震慣性力沿建筑物高度作用于質(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力代表值可統(tǒng)一用下式計算：式中:

Fi為作用在質(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力代表值，kN。

ah為水平向設(shè)計地震加速度代表值(見下表)。ξ為地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，除另外規(guī)定外，取ξ=0.25。GEi為集中在質(zhì)點(diǎn)i的重力，kN。

αi為質(zhì)點(diǎn)i的動態(tài)分布系數(shù)。g為重力加速度，取m/s2。(g=9.81m/s2)

設(shè)計烈度7890.1g0.2g0.4g水平向設(shè)計地震加速度代表值?質(zhì)點(diǎn)的動態(tài)分布系數(shù)αi，是根據(jù)對地震區(qū)設(shè)計或已建的各類水工建筑物進(jìn)行大量動力分析的根底上，按不同結(jié)構(gòu)類型、高度歸納出的大體上能反映結(jié)構(gòu)動態(tài)反響特征的地震作用效應(yīng)沿高度分布規(guī)律。?對不同的水工建筑物，或在建筑物不同高度處，αi有不同的取值規(guī)定，由此得出分布的地震作用仍以靜態(tài)作用形式給出。〔1〕重力壩上質(zhì)點(diǎn)的動態(tài)分布系數(shù)αi:

式中：n——壩體計算質(zhì)點(diǎn)總數(shù)；H——壩高，溢流壩的H應(yīng)算至閘墩頂，m；

hi、hj——分別為質(zhì)點(diǎn)i、j高度，m；GE——為產(chǎn)生地震慣性力的建筑物總重力作用的標(biāo)準(zhǔn)值，kN。重力壩的水平向地震慣性力的求解計算步驟①將壩體分塊，i=1，n。②計算各塊的自重GEi、距計算基面的高度hi及。③計算。各塊的動態(tài)分布系數(shù)：各塊的地震慣性力：④計算總水平向地震慣性力的作用點(diǎn)高度Hc：?地震慣性力方向應(yīng)取對壩體穩(wěn)定和應(yīng)力最不利的方向。

(2)拱壩上質(zhì)點(diǎn)的動態(tài)分布系數(shù)αi:

對于拱壩,各層拱圈各質(zhì)點(diǎn)水平向地震慣性力沿徑向作用,其動態(tài)分布系數(shù)αi在壩頂取3.0,壩基取1.0，沿高程按線性內(nèi)插,沿拱圈均勻分布。(3)土石壩上質(zhì)點(diǎn)的動態(tài)分布系數(shù)(4)水閘上質(zhì)點(diǎn)的動態(tài)分布系數(shù)2、豎向地震慣性力當(dāng)考慮豎向地震作用時，

豎向設(shè)計地震加速度代表值取當(dāng)同時考慮計算水平向和豎向地震作用效應(yīng)時：豎向地震作用效應(yīng)乘以0.5的遇合系數(shù)。二、地震動水壓力地震時，壩前、壩后的水也隨著震動，形成作用在壩面上的激蕩力，稱為地震動水壓力。1、采用擬靜力法計算重力壩地震作用效應(yīng)時壩面鉛直時，①水深y處的地震動水壓強(qiáng)按下式計算：式中

：py為作用在直立迎水壩面水深y處的地