《水利水电》水工建筑物的设计方法

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【问】水工建筑物的主要设计方法有哪些？

【答】1.抗滑稳定分析：在各种荷载组合情况下，水工建筑物都要保持其稳定。稳定分析是水工建筑物设计的一项重要内容。现今水工建筑物的稳定分析采用整体宏观的半经验法。

2.主要荷载：按照《水工建筑物荷载设计规范》水工建筑物的荷载按作用随时间的变异性，可分为作用荷载、可变作用荷载和偶然作用荷载。

在水工建筑物设计时，首先要计算建筑物上所承受的荷载，然后再进行荷载组合，以及进行抗滑稳定分析、应力分析、渗流计算、沉降计算、应力应变计算和抗震设计等。

3.应力分析：强度和稳定性是表示建筑物安全的两个重要方面。强度问题的研究，一般包括对内力、应力、变形、位移和裂缝的研究。当应力不超过材料的强度，变形和位移不超过建筑物正常工作状态的允许值，以及在混凝土内不出现裂缝或限制裂缝在允许范围以内时，就认为建筑物处于正常运行状态。因此，应力分析是校核强度和稳定的前提。

重力坝应力分析的方法可归纳为理论计算和模型试验两大类。目前常用的模型试验方法有偏光弹性试验、激光全息试验和脆性材料试验。对于中、小型工程，一般可只进行理论计算，而对于十分重要的工程或在情况比较复杂时才进行模型试验。理论计算方法主要有材料力学法、有限元法。材料力学方法比较常用，用于中、低坝且地质条件较简单时;对于高坝尤其是当地质条件复杂时，除了用材料力学法计算外，宜同时进行模型试验或采用有限元法进行计算。

设计的坝体断面需满足规定的应力条件。在基本荷载组合下，重力坝坝基面的大垂直正应力应小于坝基容许压应力，小垂直正应力应大于零;在地震情况下，坝基容许出现不大的拉应力。对于坝体应力，在基本荷载组合下，下游面大主压应力不大于混凝土允许压应力;上游面的小主压应力应大于零。

4.渗流分析：对于土石坝，因为它的坝体材料在一定程度上是透水的，通常允许有限的水流通过其坝体而运动，所以土石坝除研究地基的渗流外，还要研究土石坝坝体中的渗流以及坝体内产生的孔隙压力。

导致大坝灾难性破坏的原因及基本模式有五种：①溢洪道的泄洪能力不足，洪水漫过原来按不过水坝设计的坝顶，溢流而下;②坝体连同部分地基沿软弱面发生滑移破坏;③坝体因扬压力过大而沿坝基面滑动;④坝体或坝基因管涌或流土而破坏;⑤坝的上、下边坡发生滑移破坏。渗流在后四种模式中起着重要的作用。此外，水库水的过量渗漏、水库岸坡的稳定性、水库诱发地震等，也都与渗流的作用密切相关。

根据大坝的结构特点和设计要求，进行如下三方面的计算就可达到选取恰当的防渗措施和校验建筑物在渗流作用下是否安全的目的。

（1）确定渗透压力：对于混凝土坝(或水闸)地基中的有压渗流，要确定沿建筑物地下轮廓线的渗透压力分布，计算扬压力，以便验算建筑物的稳定性。对于土石坝的无压渗流，应确定浸润线位置和坝体、坝基内的渗透力分布，以便验算坝坡和坝基的稳定，确定防渗体(防渗铺盖、斜墙、心墙或截水墙等)的长度和厚度等几何尺寸。

（2）确定渗透坡降(或流速)：首先应确定渗流的出逸坡降，验算出口处有无发生局部流土和管涌破坏的危险。对于粗细粒两层土的交界面，以及坝底与地基的接触面，则应检验是否会发生接触冲刷和流土。对于土石坝坝体中的各种防渗体，也应验算其抗渗强度是否满足要求。

（3）确定渗流量：需要计算流入下游地基或排水设备的渗流量，以便为估算水库的漏水损失和确定排水设各提供可靠的设计依据。岩体的渗流问题，实质上是通过裂隙介质的水的流动问题，要正确计算上述三项指标是比较困难的，只能作近似计算。对于某些松散的岩体，以及节理裂隙发育且无规律的岩体，也可视为多孔介质进行计算。对于十分重要或地质条件复杂的水利水电枢纽，宜选取足够大的渗流域，进行枢纽坝区的三维渗流计算，确保满足上述三项指标。对土石坝，还应确定浸润线的位置。

5.应力应变计算：高土石坝通常要用有限元法计算坝体坝基及岸坡接头在填土自重及其他荷载作用下的填土应力应变，以判断是否发生剪切破坏、有无过量的变形、是否存在拉力区和裂缝、防渗土体是否发生水力劈裂，为坝体稳定分析和与土坝连接建筑物设计提供依据。

6.沉降计算：土石坝设计时要确定坝体和坝基在自重作用下的沉降量与时间的关系及完工后的总沉降量。据此计算竣工后为抵消沉降而预留的坝顶超填，预测不均匀沉降量，判断坝体产生裂缝的可能性和预防措施。常用分层总和法计算，即把坝体坝基分为若干层，根据坝体和坝基土的压缩曲线计算时刻t各层中心所受竖向总应力、孔隙压力、有效应力及相应沉降量;将各层沉降量叠加，得到时刻t及完工后坝体和坝基的沉降量。

7.抗震设计：强烈的地震往往造成极大的破坏，水库的修建往往可以诱发地震。水库诱发地震主要是指因为水库蓄水后，库水渗透到岩石中，使岩体孔隙水压力增大，导致断层面的有效应力减小、抗剪强度降低，以至产生滑动。通过抗震计算使水工建筑物满足稳定要求和强度要求。为了减小地震荷载，要将坝址选在地震运动较弱，对于坝体抗震有利的地段，避开不利的地段，不得在危险地段建坝。

地震震级是表示地震时释放能量大小的尺度。地震烈度是指某一地区地面和各类建筑物遭受一次地震影响的强弱程度。一次地震只有一个震级，然而随震中距离的远近，却可以有不同的烈度。地震荷载是大坝遭受地震时所承受的荷载，包括了地震惯性力、水平向地震动水压力和地震动土压力。其大小与建筑物所在地区的地震烈度有关。地震荷载计算方法有动力法和拟静力法两种。

抗震设计时常用到基本烈度和设计烈度。基本烈度是指建筑物所在地区在今后一定时期内可能遭遇的大地震烈度。作为抗震设计中实际采用的烈度，称为设计烈度。对于重要建筑物的设计烈度可在基本烈度的基础上提高1度。

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