水工建筑物设计综述

第二章水工建筑物设计综述水工建筑物2.1水利工程设计的任务和特点一、水利工程定义特点二、水利技术工作勘测：水文、气象、地质、地理、经济及社会信息。规划：统一部署，主要依据社会现实、自然环境。工程设计：运用科学技术、设计理论、设计原理……。工程施工：组织人力、物力高质量完成任务。工程管理：已建成工程的调度、运行、维修、监测、经营科技开发：研究新理论、新材料、新工艺、新结构等，以提高科技水平。2.1水利工程设计的任务和特点三、水利工程设计设计一般步骤技术预测信息分析科学类比系统分析方案设计功能分析安全分析施工方案经济分析综合评价各学科研制了对应的软件，便于工程师设计水利工程的自身特点个性突出：几乎每个工程均有其独特的水文、地质、自然条件规模大、风险大：需谨慎、严格，必要时需试验研究规程规范指导性强：总结历史，参考经验，形成规程规范，少走弯路。施工外界干扰大2.1水利工程设计的任务和特点2.1水利工程设计的任务和特点四、设计工作水平

根据有无参考样本和工程经验，可分为以下几种：开发型设计：提出创造性的新型方案，但难度大、风险大、投资高。更新型设计：在常规型式、设计原理的基础上改进局部建筑物设计原理，如碾压混凝土坝、面板堆石坝。适配型设计：常规型式上选择适当的尺寸、材料和布置型式。工程设计优劣的评价适用性、安全性、经济合理性2.2设计的工作步骤一、水工建筑物设计水利工程建设的全过程是一个系统工程。关键环节设计工作者需站在全局的高度解决问题。功能需求、资金、人力投入，投资风险分析物力资源、结构型式、工作特点,施工导流方案，环境影响等2.2设计的工作步骤二、设计阶段的工作步骤收集资料及信息明确总体规划及功能提出方案方案比选推荐方案优化设计和细部构造初定施工方案方案评价及验证2.2设计的工作步骤三、分等和分级1水利工程(水利枢纽)的分等工程失常影响效益，工程失事造成灾难工程规模有大小，安全程度有高低水利工程分等级别：五等分等依据：工程规模、效益、重要性2.2设计的工作步骤2水工建筑物的分级级别：五级永久性主要建筑物：大坝、厂房、泄洪闸…永久性次要建筑物：挡墙、导墙、护岸…临时建筑物：施工围堰、导流建筑物…分级依据：工程等别、作用、重要性水工建筑物3不同级别水工建筑物有以下不同要求：级别不同，设计基准期也不相同是研究工程对策的参照年限，是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数，它不等同于设计使用年限。设计基准期是一个基准参数，它的确定不仅涉及可变作用（荷载），还涉及材料性能，是在对大量实测数据进行统计的基础上提出来的，一般情况下不能随意更改。例如我国规范所采用的设计地震动参数（包括反映谱和地震最大加速度）的基准期为50年，如果要求采用基准期为100年的设计地震动参数，则不但要对地震动的概率分布进行专门研究，还要对建筑材料乃至设备的性能参数进行专门的统计研究。水工建筑物在设计基准期内的要求1级挡水建筑物为100年，其它永久建筑物为50年2.2设计的工作步骤2.2设计的的工作作步骤骤级别不不同，，抗御御灾害害能力力也不不同：：防洪洪标准准、抗抗震标标准、、坝顶顶超高高级别不不同，，安全全性不不同包括强强度、、稳定定、变变形三三方面面水工建建筑物物的结结构安安全级级别级别不不同，，运行行可靠靠性不不同级别不不同，，建筑筑材料料不同同：品品种、、质量量、耐耐久性性2.3水工建建筑物物的安安全性性一、水水工建建筑物物失事事统计计统计历历史14000座高于于15m的坝：：1%统计近近代的的坝：：0.2％大坝破坏率大坝失失事原原因统统计失事原因所占比例失事原因所占比例地基及周边渗漏16％温度裂缝6％地基失稳15％蓄放水控制不当5％洪水漫顶12％冰融作用4％坝体集中渗流11％运用不当4％浸蚀水、穴居动物9％波浪作用2％地震6％原因不明10％2.3水工建建筑物物的安安全性性大坝失事时时间：一半以上失失事集中在在施工期（（16.7%）和使用初初期（26.8%）。事故或失事坝型事故或失事发生时间施工中第一次蓄水建成5年内建成5年后不清楚事故(2013件)混凝土及砌石坝2.64.64.211.710.8土石坝6.910.511.920.016.8失事(108座)混凝土及砌石坝2.811.13.73.70.9土石坝13.915.713.030.54.7表2-5坝在不同时刻发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、安全储储备设计标准明明确规定：建筑物设计计必需具有有一定的安安全储备安全储备的的表示方法法单一安全系系数法分项系数极极限状态设设计法三、极限状状态极限状态的的定义当整个结构构（包括地地基）或结结构的一部部分超过某某一特定状状态，结构构就不能满满足设计规规定的某种种功能要求求，这一特特定状态就就叫该功能能的极限状状态。2.3水工建筑物物的安全性性极限状态设设计分类（1）承载能力力极限状态态当出现下列列状态之一时，即认为为超过了承承载能力极极限状态：：①刚体失去去平衡（如如倾覆等)；②材料强度不不足而破坏坏；③结构失稳(如压屈等)；④结构转变变为机动体体系；⑤结构体产生生渗透失稳稳等现象；；（2）正常使用用极限状态态定义：当结结构或构件件影响正常常使用或达达到耐久性性的极限值值时，认为为达到了正正常使用极极限状态。。①影响结构构正常使用用或外观变变形②对运行人人员、设备备、仪表等等有不良影影响的振动动③对结构外外形、耐久久性以及防防渗结构抗抗渗能力有有不良影响响的局部损损坏（包括括裂缝）等等2.3水工建筑物物的安全性性通俗的说：：承载能力极极限状态是是已经破坏坏不能使用用的状态。。正常使用用极限状态态是还可以以勉强使用用。2.3水工建筑物物的安全性性结构功能函函数功能函数结构抗力作用效应极限状态方方程基本变量功能限值2.3水工建筑物物的安全性性四、设计准准则水工建筑物物事故或失失事的主要要因素作用的不利利性变异：：实际值>设计值抗力的不良良性变异：：实际值<设计值状态方程表表达不正确确：抗力或或作用效应应的表达、、计算错误误1单一安全系系数法（水水工规范））表达式：安全系数K考虑的因素素结构的安全全等级；工作状况和和作用效应应组合；结构和地基基的受力特特点和计算算方法:模拟准确度度材料抗力、、作用的实实验、勘测测方法和取取值规则。。不足之处是定性的标标准，没有有定量的意意义；不同建筑物物不可比较较；同一结构的的不同破坏坏状况之间间不可比较较。2.3水工建筑物物的安全性性2.3水工建筑物物的安全性性2分项系数极极限状态设设计法理论基础：基于于概率原理理的结构可靠度度分析理论论失效概率：：不能完成成预定功能能的概率，，pf=P[g(.)<0]可靠度：能能完成预定定功能的概概率，ps=1-pf分项系数：：考虑不同同因素变异异性来源的的系数，将将每种因素素的影响在在不同的工工程结构上上统一考虑虑，取划一一的分项系系数。①结构重要性性系数：2.3水工建筑物物的安全性性②作用分项项系数：③材料性能能分项系数数：④设计状况况(工作状况)系数：⑤结构系数数γd：反映极限限状态方程程与结构实实有性能的的贴近程度度，作用效效应与抗力力计算的不不定性等。。2.3水工建筑物物的安全性性极限状态设设计式：①承载能力力极限状态态设计式：结构重要性性系数设计状况系系数结构系数作用效应函函数结构几何参参数的标准准值结构抗力函函数2.3水工建筑物物的安全性性②正常使用用极限状态态设计式：结构重要性性系数结构几何参参数标准值值作用标准值值结构系数材料性能标标准值设计状况系系数φ、作用分项系系数gF、材料性能分分项系数gf均为1.0功能限值如应力、变变形等五、可靠指指标可靠性：安全性、适适用性、耐耐久性的合称。结构可靠度度理论的基基本假定任何结构都都有失效的的可能与结构设计计相关的变变量均为随随机变量当作用效应应不超过结结构抗力时时，结构可可靠，否则则，结构失失效结构失效仅仅由作用效效应所致作用效应计计算分析及及强度理论论的一切方方法与公式式仍适用结构可靠度度理论的数数学力学基基础概率论、数数理统计理理论、随机机过程理论论、随机场场理论、工工程力学理理论、计算算力学理论论、固体力力学理论、、强度理论论等。2.3水工建筑物物的安全性性2.3水工建筑物物的安全性性可靠性的尺尺度可靠度（可可靠概率））：在给定定的条件下下，在基准准期内完成成预定功能能的概率。。不可靠度(失效概率））：结构不不能完成预预定功能的的概率。可靠指标（（安全指标标）2.3水工建筑物物的安全性性功能函数的的分解如果R、S在统计上互互不相关，，则1、可靠指标标2.3水工建筑物物的安全性性若R、S都为正态分分布，均值值和均方差差分别为则Z也为正态分分布，均值值和均方差差分别为可靠性指标标：2.3水工建筑物物的安全性性Z的标准正态态化：可靠指标与与中心安全全系数的关关系：中心安全系系数：结构抗力变变异系数：：作用效应变变异系数：：2.3水工建筑物物的安全性性2、可靠指标标的计算方方法一次二阶矩矩法：采用用μ和σ2计算可靠度度指标均值一次二二阶矩法（（中心点法法）极限状态方方程为非线线性式、概概率分布难难以确定时时，将S和R线性化，在在均值处进行泰勒勒级数展开开，计算β不能考虑随随机变量的的实际分布布对非线性极极限状态方方程，误差差大改进一次二二阶矩法（（验算点、、JC法）将非正态分分布转化为为正态分布布，将功能能函数在设计验算点点处，做泰勒勒级数展开开，取线性性项计算βMonteCarlo法随机有限元元法2.3水工建筑物物的安全性性3、目标可靠靠指标规范中给出出的可靠指指标应当达达到值βT，用以保证设设计的水工工建筑物既既经济又安安全。安全级别Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级破坏类型一类破坏3.73.22.7二类破坏4.23.73.2目标可靠指指标βT一类破坏：：指非突发发性破坏二类破坏：：指突发性性破坏全球分布的的两大地震震带环太平洋地地震带（80%）:深层，台湾湾、菲律宾宾中亚-地中海地震震带（20%）:浅层，我国国西南、西西北地震破坏现象象地表和地基破破坏：地裂、、塌陷、山崩崩、滑坡、液液化等建筑物破坏海啸2.4水工建筑物的的抗震分析2.4水工建筑物的的抗震分析一、地震作用用地震规模的评评价：以释放总能量量评价，按里里氏震级分1～9级。烈度：表征地表运动动的危害性，，一般以地震震的最大加速速度作为烈度度的标准；地地震烈度分1～12度；6度以上为有害害地震。基本烈度：一般是指某地地区今后50年内可能发生生的较大的地地震，其超越越概率为10％(中国地震烈度区划划图)。水库诱发地震震：截至上世纪60年代,全球已有100例水库诱发地地震,一般坝高>100m,库容>5亿m3（大2型）时需考虑虑诱发地震。。地震测量：地面加速度、、峰值加速度度，如6级地震的a＝0.05g。水工建筑物的的地震作用效效应断层错动砂土地层液化化库水产生动水水压力建筑物振动开开裂、倾倒填土产生动土土压力水库库岸崩塌塌土石坝坝坡滑滑动地基沉降效应应2.4水工建筑物的的抗震分析2.4水工建筑物的的抗震分析二、抗震设计计设计烈度：一一般将基本烈烈度作为设计计烈度。抗震设防等级级：规定建筑筑物需要设防防的最小地震震烈度。表示场地地震震大于等于6级时才需设防防，否则可不不设防工程抗震设防等级建筑物级别场地基本烈度甲1（雍水）≥6乙1（非雍水）≥7丙2、3丁4、5表2－7工程抗震设防防等级抗震设计内容容抗震计算工程抗震措施施设计烈度为6度时，可不进进行抗震计算算，只考虑抗抗震措施。设计烈度高于于9度时，或9度的高于250m的壅水建筑物物，应进行专专门的抗震研研究。抗震设计的基基本要求：能能抵御设计烈烈度地震，如如有损坏，处处理后仍可使使用。2.4水工建筑物的的抗震分析2.4水工建筑物的的抗震分析地震系数：设计用地面运运动峰值加速速度与重力加加速度的比值值。竖向地震加速速度代表值取取水平向的2/3地震烈度789αh0.1g0.2g0.4g表2-8水平向设计地地震加速度代代表值2.4水工建筑物的的抗震分析三、地震作作用效应作用的分类静态作用（静静荷载）：自自重、温度作作用动态作用（动动荷载）：地地震作用、风风作用、波浪浪作用运动方程质量矩阵加速度列阵阻尼矩阵速度列阵刚度矩阵位移矩阵地面运动加速速度列阵2.4水工建筑物的的抗震分析抗震分析方法法1、2级水工建筑物物：实验验证证抗震设防等级级为甲类的水水工建筑物：：动力法乙、丙类水工工建筑物：动动力法或拟静静力法丁类水工建筑筑物：拟静力力法或采取抗抗震措施动力法的数值值解法直接积分法将地震地面运运动记录直接接输入结构体体系来求解的的结构的地震震反应。振型分解法2.4水工建筑物的的抗震分析四、水工建筑筑物抗震分析析的主要问题题地震作用的不不确定性及设设计地震参数数和波型的选选择地震动输入机机制结构－库水－－地基间的动动力相互作用用坝体和地基的的非线性影响响地震反应的动动态设计方法法2.5水工建筑物设设计的规范体体系一、标准的基基本概念标准的定义标准的特性ISO：国际标准化化组织二、国际标准准ISO2394《结构可靠性总总原则》（1998）三、中国标准准我国标准分类类：国家标准、行行业标准、地地方标准、企企业标准《水利技术标准准体系表》（2001）《电力标