水利工程水工建筑物設(shè)計施工

第二章水工建筑物設(shè)計綜述水工建筑物2.1

水利工程設(shè)計的任務(wù)和特點一、水利工程定義特點二、水利技術(shù)工作勘測：水文、氣象、地質(zhì)、地理、經(jīng)濟及社會信息。規(guī)劃：統(tǒng)一部署，主要依據(jù)社會現(xiàn)實、自然環(huán)境。工程設(shè)計：運用科學(xué)技術(shù)、設(shè)計理論、設(shè)計原理……。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)計的任務(wù)和特點三、水利工程設(shè)計設(shè)計一般步驟技術(shù)預(yù)測信息分析科學(xué)類比系統(tǒng)分析方案設(shè)計功能分析安全分析施工方案經(jīng)濟分析綜合評價各學(xué)科研制了對應(yīng)的軟件，便于工程師設(shè)計水利工程的自身特點個性突出：幾乎每個工程均有其獨特的水文、地質(zhì)、自然條件規(guī)模大、風(fēng)險大：需謹(jǐn)慎、嚴(yán)格，必要時需試驗研究規(guī)程規(guī)范指導(dǎo)性強：總結(jié)歷史，參考經(jīng)驗，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)計的任務(wù)和特點2.1

水利工程設(shè)計的任務(wù)和特點四、設(shè)計工作水平

根據(jù)有無參考樣本和工程經(jīng)驗，可分為以下幾種：開發(fā)型設(shè)計：提出創(chuàng)造性的新型方案，但難度大、風(fēng)險大、投資高。更新型設(shè)計：在常規(guī)型式、設(shè)計原理的基礎(chǔ)上改進局部建筑物設(shè)計原理，如碾壓混凝土壩、面板堆石壩。適配型設(shè)計：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)計優(yōu)劣的評價適用性、安全性、經(jīng)濟合理性2.2

設(shè)計的工作步驟一、水工建筑物設(shè)計水利工程建設(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)險分析物力資源、結(jié)構(gòu)型式、工作特點,施工導(dǎo)流方案，環(huán)境影響等2.2

設(shè)計的工作步驟二、設(shè)計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)計和細部構(gòu)造初定施工方案方案評價及驗證2.2

設(shè)計的工作步驟三、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、護岸…臨時建筑物：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間有關(guān)的材料性能取值而選用的時間參數(shù)，它不等同于設(shè)計使用年限。設(shè)計基準(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，是在對大量實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計的基礎(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)計地震動參數(shù)，則不但要對地震動的概率分布進行專門研究，還要對建筑材料乃至設(shè)備的性能參數(shù)進行專門的統(tǒng)計研究。水工建筑物在設(shè)計基準(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)計的工作步驟2.2設(shè)計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)計統(tǒng)計歷史14000座高于15m的壩：1%統(tǒng)計近代的壩：0.2％大壩破壞率大壩失事原因統(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(dāng)5％洪水漫頂12％冰融作用4％壩體集中滲流11％運用不當(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)計標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定：建筑物設(shè)計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)法分項系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計法三、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，即認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到耐久性的極限值時，認為達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：實際值>設(shè)計值抗力的不良性變異：實際值<設(shè)計值狀態(tài)方程表達不正確：抗力或作用效應(yīng)的表達、計算錯誤1單一安全系數(shù)法（水工規(guī)范）表達式：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)和地基的受力特點和計算方法:模擬準(zhǔn)確度材料抗力、作用的實驗、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分項系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計法理論基礎(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，取劃一的分項系數(shù)。①結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)： 2.三3水工三建筑三物的三安全三性②作用三分項三系數(shù)三：③材料三性能三分項三系數(shù)三：④設(shè)計三狀況(工作三狀況)系數(shù)三：⑤結(jié)構(gòu)三系數(shù)γd：反三映極三限狀三態(tài)方三程與三結(jié)構(gòu)三實有三性能三的貼三近程三度，三作用三效應(yīng)三與抗三力計三算的三不定三性等三。2.三3水工三建筑三物的三安全三性極限三狀態(tài)三設(shè)計三式：①承載三能力三極限三狀態(tài)三設(shè)計三式：結(jié)構(gòu)三重要三性系三數(shù)設(shè)計三狀況三系數(shù)結(jié)構(gòu)三系數(shù)作用三效應(yīng)三函數(shù)結(jié)構(gòu)三幾何三參數(shù)三的標(biāo)三準(zhǔn)值結(jié)構(gòu)三抗力三函數(shù)2.三3水工三建筑三物的三安全三性②正常三使用三極限三狀態(tài)三設(shè)計三式：結(jié)構(gòu)三重要三性系三數(shù)結(jié)構(gòu)三幾何三參數(shù)三標(biāo)準(zhǔn)三值作用三標(biāo)準(zhǔn)三值結(jié)構(gòu)三系數(shù)材料三性能三標(biāo)準(zhǔn)三值設(shè)計三狀況三系數(shù)φ、作用三分項三系數(shù)gF、材料三性能三分項三系數(shù)gf均為1.三0功能三限值如應(yīng)三力、三變形三等五、三可靠三指標(biāo)可靠三性：安全三性、三適用三性、三耐久三性的合三稱。結(jié)構(gòu)三可靠三度理三論的三基本三假定任何三結(jié)構(gòu)三都有三失效三的可三能與結(jié)三構(gòu)設(shè)三計相三關(guān)的三變量三均為三隨機三變量當(dāng)作三用效三應(yīng)不三超過三結(jié)構(gòu)三抗力三時，三結(jié)構(gòu)三可靠三，否三則，三結(jié)構(gòu)三失效結(jié)構(gòu)三失效三僅由三作用三效應(yīng)三所致作用三效應(yīng)三計算三分析三及強三度理三論的三一切三方法三與公三式仍三適用結(jié)構(gòu)三可靠三度理三論的三數(shù)學(xué)三力學(xué)三基礎(chǔ)概率三論、三數(shù)理三統(tǒng)計三理論三、隨三機過三程理三論、三隨機三場理三論、三工程三力學(xué)三理論三、計三算力三學(xué)理三論、三固體三力學(xué)三理論三、強三度理三論等。2.三3水工三建筑三物的三安全三性2.三3水工三建筑三物的三安全三性可靠三性的三尺度可靠三度（三可靠三概率三）：三在給三定的三條件三下，三在基三準(zhǔn)期三內(nèi)完三成預(yù)三定功三能的三概率三。不可三靠度(失效三概率三）：三結(jié)構(gòu)三不能三完成三預(yù)定三功能三的概三率?？煽咳笜?biāo)三（安三全指三標(biāo)）2.三3水工三建筑三物的三安全三性功能三函數(shù)三的分三解如果R、S在統(tǒng)三計上三互不三相關(guān)三，則1、可三靠指三標(biāo)2.三3水工三建筑三物的三安全三性若R、S都為三正態(tài)三分布三，均三值和三均方三差分三別為則Z也為三正態(tài)三分布三，均三值和三均方三差分三別為可靠三性指三標(biāo)：2.三3水工三建筑三物的三安全三性Z的標(biāo)三準(zhǔn)正三態(tài)化三：可靠三指標(biāo)三與中三心安三全系三數(shù)的三關(guān)系三：中心三安全三系數(shù)三：結(jié)構(gòu)三抗力三變異三系數(shù)三：作用三效應(yīng)三變異三系數(shù)三：2.三3水工三建筑三物的三安全三性2、可三靠指三標(biāo)的三計算三方法一次三二階三矩法三：采三用μ和σ2計算三可靠三度指三標(biāo)均值三一次三二階三矩法三（中三心點三法）極限三狀態(tài)三方程三為非三線性三式、三概率三分布三難以三確定三時，三將S和R線性三化，三在均值處進三行泰三勒級三數(shù)展三開，三計算β不能三考慮三隨機三變量三的實三際分三布對非三線性三極限三狀態(tài)三方程三，誤三差大改進三一次三二階三矩法三（驗三算點三、JC法）將非三正態(tài)三分布三轉(zhuǎn)化三為正三態(tài)分三布，三將功三能函三數(shù)在設(shè)計三驗算三點處，三做泰三勒級三數(shù)展三開，三取線三性項三計算βMo三nt三e三Ca三rl三o法隨機三有限三元法2.三3水工三建筑三物的三安全三性3、目三標(biāo)可三靠指三標(biāo)規(guī)范三中給三出的三可靠三指標(biāo)三應(yīng)當(dāng)三達到三值βT，用以三保證三設(shè)計三的水三工建三筑物三既經(jīng)三濟又三安全三。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)三可靠三指標(biāo)βT一類三破壞三：指三非突三發(fā)性三破壞二類三破壞三：指三突發(fā)三性破三壞全球三分布三的兩三大地三震帶環(huán)太三平洋三地震三帶（80三%）:深層三，臺三灣、三菲律三賓中亞-地中三海地三震帶三（20三%）:淺層三，我三國西三南、三西北地震三破壞三現(xiàn)象地表三和地三基破三壞：三地裂三、塌三陷、三山崩三、滑三坡、三液化三等建筑三物破三壞海嘯2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析一、三地震三作用地震三規(guī)模三的評三價：以釋三放總?cè)芰咳u價三，按三里氏三震級三分1～9級。烈度三：表征三地表三運動三的危三害性三，一三般以三地震三的最三大加三速度三作為三烈度三的標(biāo)三準(zhǔn)；三地震三烈度三分1～12度；6度以三上為三有害三地震三。基本三烈度三：一般三是指三某地三區(qū)今三后50年內(nèi)三可能三發(fā)生三的較三大的三地震三，其三超越三概率三為10％(中國地震三烈度三區(qū)劃三圖)。水庫三誘發(fā)三地震三：截至三上世三紀(jì)60年代,全球三已有10三0例水三庫誘三發(fā)地三震,一般三壩高>1三00三m,庫容>5億m3（大2型）三時需三考慮三誘發(fā)三地震三。地震三測量三：地面三加速三度、三峰值三加速三度，三如6級地三震的a＝0.三05g。水工三建筑三物的三地震三作用三效應(yīng)斷層三錯動砂土三地層三液化庫水三產(chǎn)生三動水三壓力建筑三物振三動開三裂、三傾倒填土三產(chǎn)生三動土三壓力水庫三庫岸三崩塌土石三壩壩三坡滑三動地基三沉降三效應(yīng)2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析二、三抗震三設(shè)計設(shè)計三烈度三：一三般將三基本三烈度三作為三設(shè)計三烈度三?？拐鹑O(shè)防三等級三：規(guī)三定建三筑物三需要三設(shè)防三的最三小地三震烈三度。表示三場地三地震三大于三等于6級時三才需三設(shè)防三，否三則可三不設(shè)三防工程抗震設(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工程三抗震三設(shè)防三等級抗震三設(shè)計三內(nèi)容抗震三計算工程三抗震三措施設(shè)計三烈度三為6度時三，可三不進三行抗三震計三算，三只考三慮抗三震措三施。設(shè)計三烈度三高于9度時三，或9度的三高于25三0m的壅三水建三筑物三，應(yīng)三進行三專門三的抗三震研三究?？拐鹑O(shè)計三的基三本要三求：三能抵三御設(shè)三計烈三度地三震，三如有三損壞三，處三理后三仍可三使用三。2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析地震三系數(shù)三：設(shè)計三用地三面運三動峰三值加三速度三與重三力加三速度三的比三值。豎向三地震三加速三度代三表值三取水三平向三的2/三3地震烈度789αh0.1g0.2g0.4g表2-三8水平三向設(shè)三計地三震加三速度三代表三值2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析三、三地三震作三用效三應(yīng)作用三的分三類靜態(tài)三作用三（靜三荷載三）：三自重三、溫三度作三用動態(tài)三作用三（動三荷載三）：三地震三作用三、風(fēng)三作用三、波三浪作三用運動三方程質(zhì)量三矩陣加速三度列三陣阻尼三矩陣速度三列陣剛度三矩陣位移三矩陣地面三運動三加速三度列三陣2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析抗震三分析三方法1、2級水三工建三筑物三：實三驗驗三證抗震三設(shè)防三等級三為甲三類的三水工三建筑三物：三動力三法乙、三丙類三水工三建筑三物：三動力三法或三擬靜三力法丁類三水工三建筑三物：三擬靜三力法三或采三取抗三震措三施動力三法的三數(shù)值三解法直接三積分三法將地三震地三面運三動記三錄直三接輸三入結(jié)三構(gòu)體三系來三求解三的結(jié)三構(gòu)的三地震三反應(yīng)三。振型三分解三法2.三4水工三建筑三物的三抗震三分析四、三水工三建筑三物抗三震分三析的三主要三問題地震三作用三的不三確定三性及三設(shè)計三地震三參數(shù)三和波三型的三選擇地震三動輸三入機三制結(jié)構(gòu)三－庫三水－三地基三間的三動力三相互三作用壩體三和地三基的三非線三性影三響地震三反應(yīng)三的動三態(tài)設(shè)三計方三法2.三5水工三建筑三物設(shè)三計的三規(guī)范三體系一、三標(biāo)準(zhǔn)三的基三本概三念標(biāo)準(zhǔn)三的定三義標(biāo)準(zhǔn)三的特三性IS三O：國三際標(biāo)三準(zhǔn)化三組織二、三國際三標(biāo)準(zhǔn)IS三O2三39三4《結(jié)構(gòu)三可靠三性總?cè)瓌t》（19三98）三、三中國三標(biāo)準(zhǔn)我國三標(biāo)準(zhǔn)三分類三：國家三