总体设计能力

水利水电工程专业案例,水工结构篇,第一章总体设计能力,第一节工程等别与水工建筑物级别划分依据和原则第二节洪水标准第三节工程建设场址及坝(闸)址、厂(站)址第四节主要建筑物的基本型式及选择第五节水利水电工程枢纽布置第六节安全超高及顶高程确定第七节水工建筑物稳定与强度安全标准第八节水工建筑物抗震设计基本要求第九节水工建筑物荷载和组合第十节天然建材第十一节水工建筑物的工程地质条件及建基条件,考试大纲,熟练掌握水利水电工程等别与水工建筑物级别划分。熟练掌握永久及临时水工建筑物洪水标准。熟练掌握挡水建筑物设计安全超高及顶高程确定。熟练掌握水工建筑物抗滑稳定和强度安全标准。熟练掌握工程场地基本烈度、地震设防烈度及抗震设计基本要求。熟练掌握水工建筑物主要荷载（作用）、荷载（作用）分类和荷载（作用）组合。,第一章总体设计能力,掌握工程建设场址、坝（闸）址、厂（站）址选择应考虑的主要因素。掌握水利水电工程主要建筑物基本型式和适用条件。掌握水利水电工程枢纽布置应考虑的主要因素。了解土、石料的基本性能、物理力学指标及工程选用原则。了解水工建筑物的工程地质条件和建基要求。,考试大纲,第一章总体设计能力,第一节工程等别与水工建筑物级别划分依据和原则,一、工程等别,水利水电工程的等别，应根据其工程规模、效益及在国民经济中的重要性，划分为五等，按表1-1-1确定。,表1-1-1水利水电工程分等指标,（1）对综合利用的水利水电工程，当按各综合利用项目的分等指标确定的等别不同时，其工程等别应按其中最高等别确定。注：水库总库容指水库最高水位以下的静库容；（2）拦河水闸工程的等别，应根据其过闸流量，按表1-1-2确定。,工程等别,第一节工程等别和水工建筑物,表1-1-2拦河水闸工程分等指标,3*15MW,15孔12m,50年16600m3/s,中型,表1-1-3灌溉、排水泵站分等指标,（3）灌溉、排水泵站的等别，应根据其装机流量与装机功率，按表1-1-3确定。注：1装机流量、装机功率系指包括备用机组在内的单站指标；2当泵站按分等指标分属两个不同等别时，其等别按其中高的等别确定3.由多级或多座泵站联合组成的泵站系统工程的等别，可按其系统的指标确定。4.工业、城镇供水泵站的等别，应根据其供水对象的重要性，按表1-1-1确定。,工程等别,第一节工程等别和水工建筑物,表1-1-4引水枢纽工程分等指标,（4）引水枢纽工程等别应根据引水流量的大小，按表1-1-4确定。,工程等别,第一节工程等别和水工建筑物,二、水工建筑物级别,1永久性水工建筑物级别(表1.1.5)（1）失事后损失巨大，可提高一级；损失不大可降低一级。经过论证并报主管部门批准。（2）坝高超过表1-1-6指标，其级别可提高一级，但洪水标准可不提高。（3）地质条件复杂或采用新型结构时，可提高一级，但洪水标准不予提高。,水工建筑物,第一节工程等别和建筑物级别,表1-1-5永久性水工建筑物级别,表1-1-6水库大坝提级指标(括号内为水电工程等级划分及设计安全标准指标),二、水工建筑物级别,水工建筑物,第一节工程等别和建筑物级别,水口，级别提高，但洪水标准可不提高。电口，洪水标准相应提高，但抗震设计标准不提高。,表1-1-7防洪建筑物级别,二、水工建筑物级别,（4）堤防工程的级别根据堤防工程的防洪标准确定，见表1-1-8。堤防工程的级别先按保护对象确定防洪标准，再按防洪标准确定级别。堤防上的闸、涵、泵站等穿堤建筑物的级别，按所在堤防级别与建筑物相应级别高者确定。,水工建筑物,第一节工程等别和建筑物级别,表1-1-8堤防工程的级别,表1-1-9灌排渠沟工程分级指标,二、水工建筑物级别,表1.1.9中，按港灌溉流量和排水流量分属不同级别时，按较高级别确定。,水工建筑物,第一节工程等别和建筑物级别,表1-1-10灌排建筑物分级指标,二、水工建筑物级别,2临时性水工建筑物级别水利水电工程施工期使用的临时性挡水和泄水建筑物的级别，应根据保护对象的重要性、失事后果、使用年限和临时性建筑物规模，按表1.111确定。,水工建筑物,第一节工程等别和建筑物级别,二、水工建筑物级别,2临时性水工建筑物级别1)根据表1.111指标分属不同级别时，其级别应按其中较高级别确定。但对3级临时性水工建筑物，符合该级别规定的指标不得少于两项。2)利用临时性水工建筑物挡水发电、通航时，经过技术经济论证，3级以下临时性水工建筑物的级别可提高一级。,水工建筑物,第一节工程等别和建筑物级别,二、水工建筑物级别,2临时性水工建筑物级别3)表1.111中临时性建筑物规模，需高度和库容两项指标同时满足才能确定。,水工建筑物,第一节工程等别和建筑物级别,表1-1-11临时性水工建筑物级别,第二节洪水标准,一、一般规定,二、山区、丘陵区水利水电工程的永久性水工建筑物,三、平原、滨海区水利水电工程的永久性水工建筑物,四、其他水利工程的永久性水工建筑物,五、堤防工程,六、城、乡防洪标准,七、临时性水工建筑物,第二节洪水标准,1一般规定（1）水工建筑物的洪水标准，应按山区、丘陵区和平原、滨海区分别确定。（2）挡水高度低于15m，且上下游最大水头差小于10m时，其洪水标准按平原、滨海区标准确定；反之，按山区、丘陵区标准确定。（3）梯级开发，还应结合江河治理和开发利用规划，统筹研究，相互协调。,表1-2-1山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准重现期(年),第二节洪水标准,在执行表1.2.1时，需注意的几点：1.土石坝下游有居民区和重要农业区及工业经济区时，1级建筑物校核洪水标准应采用范围值的上限。2对土石坝，如失事下游将造成特别重大灾害时，1级建筑物的校核洪水标准，应取可能最大洪水（PMF）或重现期10000年标准；24级建筑物的校核洪水标准，可提高一级。,第二节洪水标准,在执行表1.2.1时，需注意的几点：3.由于计算理论和方法上不同，在选择10000年洪水还是PMF时，应根据计算成果的合理性来确定。当用水文气象法求得的PMF较为合理时，采用PMF；当用频率分析法求得的重现期为10000年的洪水较为合理时，采用10000年的洪水；当两者可靠程度相同时，为安全起见，应采用其中较大者。,第二节洪水标准,山区、丘陵区水利水电工程的永久性泄水建筑物消能防冲设计的洪水标准，可低于泄水建筑物的洪水标准，根据泄水建筑物的级别按表1.2.2确定。,表1-2-2山区、丘陵区水利水电工程消能防冲建筑物洪水标准,表1-2-3水电站厂房洪水标准重现期(年),表1-2.4坝体施工期临时度汛洪水标准重现期(年),表1-2-5导流泄水建筑物封堵后坝体度汛洪水标准重现期(年),第二节洪水标准,(1)平原区永久性水工建筑物洪水标准，应按表1.2.6确定。(2)潮汐河口建筑物的潮水标准，应根据其级别，按表1.2.7确定。对1级、2级建筑物，若确定的设计潮水位低于当地历史最高潮水位时，应采用当地历史最高潮水位校核。（3）平原区水电站厂房的洪水标准，应根据其级别，按表1.2.6确定。（4）平原、滨海区泄水建筑物消能防冲洪水标准，分别按表1.2.6和表1.2.7确定。,表1-2-6平原区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准重现期（年）,表1-2-7潮汐河口段和滨海区水利水电工程永久性水工建筑物潮水标准,表1-2-8灌溉和治涝工程永久性水工建筑物洪水标准,表1-2-9供水工程永久性水工建筑物洪水标准重现期(年),表1-2-10泵站建筑物洪水标准重现期(年),表1-2-11城市的等级和防洪标准,表1-2-12乡村防护区的等级和防洪标准,表1-2-13临时性水工建筑物洪水标准重现期(年),一、坝址选择,2.地质条件,1.地形条件,5.施工条件,6.建筑材料,4.库区淹没,7.其他,第三节场址及坝(闸)址、厂(站)址,3.枢纽布置,潘家口坝址选择,二、闸址选择,三、水电站厂房厂址选择,四、泵站站址选择,一、挡水建筑物1.地形地质条件2.建筑物布置条件3.施工条件及工期4.建筑材料5.工程量和工程投资,第四节主要建筑物基本型式及选择,龙口坝型比选,龙口水利枢纽位于黄河干流上，“U”形河谷宽约800m，坝高50m，100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核，相应下泄流量分别为7560m3/s和8270m3/s。河床覆盖层较浅，但基岩内存在多层泥化夹层。比较3种坝型：当地材料坝，混凝土闸坝，混凝土重力坝。,龙口坝型比选,1.当地材料坝(1)龙口坝址两岸为陡崖，泄洪流量大，岸边溢洪道布置困难；(2)黄河为多泥沙河流，岸边排沙洞难以满足排沙要求；(3)电站发电引用流量大，当地材料坝，电站布置困难。,龙口坝型比选,2.混凝土闸坝(1)由于龙口工程坝基存在多层泥化夹层，轻型泄水闸坝难以满足深层抗滑稳定要求。(2)泄水闸在正常蓄水时挡水水头35.0m，闸墩承受水压力大，闸墩支承结构复杂。,龙口坝型比选,3.混凝土重力坝(1)混凝土重力坝布置紧凑，可将泄流、排沙及电站厂房建筑物均布置在河床中。(2)可分期导流，施工方便。(3)附近混凝土骨料丰富，质量满足要求。故选定实体混凝土重力坝为设计坝型。,推荐方案平面,龙口水利枢纽,推荐方案立视,二、泄水建筑物,三、发电引水建筑物,四、输(排)水(渠系)建筑物,五、发电厂房(泵站)及开关站(变电站),六、堤防,七、通航、过木及过鱼建筑物,第五节水利水电工程枢纽布置,一、枢纽布置设计的一般原则二、枢纽布置方案选择考虑的主要因素1.地形地质条件2.建筑物布置及泄洪消能条件3.施工条件及工期4.运行管理条件5.提前发电蓄水效益6.工程量和工程投资,刘家峡水电站,乌江渡水电站,水口水电站,黄河万家寨水利枢纽,万家寨底孔排沙泄洪,二滩水电站,李家峡水电站,李家峡水电站,隔河岩水电站,隔河岩水电站大坝泄洪,天生桥一级水电站,渔子溪一级水电站,对于“安全超高”的定义不同的规范有所差异，如等级规范SL252-2000、土石坝设计规范SL274-2001等“安全超高”包括“波浪爬高、风壅增高和安全加高”三项；有的规范如水闸规范、溢洪道规范、泵站规范等“安全超高”仅指安全加高。因此在使用中应特别注意其差别。,第六节安全超高及顶高程确定,一、永久性挡水建筑物,1.按工程设计情况和校核情况时的静水位加相应的波浪爬高、风壅增高和安全加高确定。其安全加高应不小于表1-6-1中的规定。,2.防浪墙顶部高程可按上述1条确定，但挡水建筑物顶部高程应不低于水库正常蓄水位。,表1-6-1永久性挡水建筑物安全加高(m),3.土石坝的土质防渗体顶部在设计静水位以上的超高，应在表1-6-2规定的范围内选取，防渗体顶部高程并应不低于校核情况下的静水位。,4.确定地震区土石坝顶部超高时，应另计入地震坝顶沉陷和地震涌浪高度。地震涌浪高度，可根据坝前水深和设计烈度的大小，采用0.51.5m。当库区有可能发生大体积坍岸或滑坡引起涌浪时，其安全加高应进行专门研究。,表1-6-2设计情况下土石坝土质防渗体顶部超高(m),二、临时性挡水建筑物,三、溢洪道(挡水、泄洪),四、水闸(挡水：正常、最高；泄洪：设计、校核),五、堤防工程(允许越浪),六、城市防洪工程,七、泵站,表1-6-3临时性挡水建筑物安全加高(m),表1-6-4溢洪道安全超高下限值(m),表1-6-5水闸安全超高下限值(m),表1-6-6堤防工程的安全加高值(m),表1-6-7防洪建筑物安全超高(m),表1-6-8泵房挡水部位顶部安全超高下限值(m),第七节水工建筑物稳定与强度安全标准,一、分项系数极限状态法,1.承载能力极限状态,2.正常使用极限状态,3.作用及材料性能标准值,表1-7-1水工建筑物结构安全级别,表1-7-2混凝土重力坝作用分项系数,表1-7-3混凝土重力坝材料性能分项系数,表1-7-4混凝土重力坝基本组合结构系数,表1-7-5拱坝抗滑稳定分项系数,表1-7-6拱坝应力结构系数,表1-7-7大坝常态混凝土强度标准值,表1-7-8大坝碾压混凝土强度标准值,二、单一安全系数法,1.碾压式土石坝,2.混凝土重力坝,3.混凝土拱坝,4.水闸,5.水电站厂房,6.泵站,7.堤防工程,表1-7-9碾压式土石坝抗滑稳定最小安全系数,表1-7-10混凝土重力坝坝基面抗滑稳定安全系数K,表1-7-11混凝土重力坝坝基面抗滑稳定安全系数K,表1-7-12拱坝抗滑稳定安全系数,表1-7-13闸室基底压力最大值与最小值之比的允许值,表1-7-14土基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值,表1-7-15岩基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值,表1-7-16水电站厂房抗滑稳定最小安全系数,表1-7-17厂房地基面不均匀系数的允许值,表1-7-18泵站抗滑稳定安全系数允许值,表1-7-19泵房基础底面压应力不均匀系数的允许值,表1-7-20土堤抗滑稳定安全系数,第八节水工建筑物抗震设计基本要求,一、地震震级和地震烈度中国地震动参数区划图GB18306-2001，直接采用地震动参数地震动峰值加速度和地震反应谱特征周期。地震基本烈度数值可由GB18306-2001查取地震动峰值加速度并按表1-8-1确定，,二、工程抗震设防类别水工建筑物的工程抗震设防类别应根据其重要性和工程场地基本烈度按表1-8-2的规定确定。,三、抗震设计基本要求,表1-8-1地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表,表1-8-2工程抗震设防类别,第九节水工建筑物荷载和组合,一、水工建筑物上的荷载,1.自重,2.水压力,3.扬压力,4.土压力及泥沙压力,5.浪压力,6.冰压力,7.温度荷载,8.地震荷载,二、荷载组合,第十节天然建材,一、天然