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一級建造師考試《水利水電》易考點：水工建筑物主要設(shè)計方法

1F52熟悉水工建筑物主要設(shè)計方法

一、主要荷載

根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》(DL -)，水工建筑物的荷載按作用隨時間的變異性，可分為永久作用荷載、可變作用荷載和偶然作用荷載。

1.永久作用荷載：包括結(jié)構(gòu)自重和永久設(shè)各自重、土壓力、淤沙壓力、地應(yīng)力、圍巖壓力、預(yù)應(yīng)力。

2.可變作用荷載：包括靜水壓力、揚壓力、動水壓力、水錘壓力、浪壓力、外水壓力、風(fēng)荷載、雪荷載、冰壓力、凍脹力、溫度荷載、土壤孔隙水壓力、灌漿壓力等。

3.偶然作用荷載：包括地震作用、校核洪水位時的靜水壓力、揚壓力、浪壓力及水重等。

水工建筑物設(shè)計時，首先要計算建筑物上所承受的荷載，然后再進(jìn)行荷載組合，以及進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析、應(yīng)力分析、滲流計算、沉降計算、應(yīng)力應(yīng)變計算和抗震設(shè)計等。

二、抗滑穩(wěn)定分析

在各種荷載組合情況下，水工建筑物都應(yīng)保持其穩(wěn)定。穩(wěn)定分析是水工建筑物設(shè)計的一項重要內(nèi)容。目前水工建筑物的穩(wěn)定分析采用整體宏觀的半經(jīng)驗法。

例如，一般重力壩失穩(wěn)發(fā)生在壩底與基巖的接觸面，因為此處受庫水壓力最大，壩底混凝土與巖基不易完全接觸好，或者混凝土凝固收縮和溫度收縮時，接觸面產(chǎn)生局部的微小裂縫。在設(shè)計中，通常校核重力壩沿壩基面的抗滑穩(wěn)定;如果巖基內(nèi)有軟弱夾層，則要核算沿軟弱夾層的抗滑穩(wěn)定;對處于岸坡的壩段，當(dāng)?shù)匦巍⒌刭|(zhì)條件不利于壩的穩(wěn)定時，也要對在三向荷載作用下的穩(wěn)定問題進(jìn)行研究。

三、應(yīng)力分析

強度和穩(wěn)定性是表示建筑物安全的兩個重要方面。強度問題的研究，通常包括對內(nèi)力、應(yīng)力、變形、位移和裂縫的研究。當(dāng)應(yīng)力不超過材料的強度，變形和位移不超過建筑物正常工作狀態(tài)的允許值，以及在混凝土內(nèi)不出現(xiàn)裂縫或限制裂縫在允許范圍以內(nèi)時，就認(rèn)為建筑物處于正常運行狀態(tài)。因此，應(yīng)力分析是校核強度和穩(wěn)定的前提。

重力壩應(yīng)力分析的方法可歸納為理論計算和模型試驗兩大類。目前常用的模型試驗方法有偏光彈性試驗、激光全息試驗和脆性材料試驗。對于中、小型工程，一般可只進(jìn)行理論計算，而對于十分重要的工程或在情況比較復(fù)雜時才進(jìn)行模型試驗。理論計算方法主要有材料力學(xué)法、有限元法。材料力學(xué)方法比較常用，用于中、低壩且地質(zhì)條件較簡單時;對于高壩尤其是當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜時，除用材料力學(xué)法計算外，宜同時進(jìn)行模型試驗或采用有限元法進(jìn)行計算。

設(shè)計的壩體斷面需滿足規(guī)定的應(yīng)力條件。在基本荷載組合下，重力壩壩基面的最大垂直正應(yīng)力應(yīng)小于壩基容許壓應(yīng)力，最小垂直正應(yīng)力應(yīng)大于零;在地震情況下，壩基容許出現(xiàn)不大的拉應(yīng)力。對于壩體應(yīng)力，在基本荷載組合下，下游面最大主壓應(yīng)力不大于混凝土允許壓應(yīng)力;上游面的最小主壓應(yīng)力應(yīng)大于零。

四、滲流分析

對于土石壩，因它的壩體材料在一定程度上是透水的，一般允許有限的水流通過其壩體而運動，所以土石壩除研究地基的滲流外，還要研究土石壩壩體中的滲流以及壩體內(nèi)產(chǎn)生的孔隙壓力。

導(dǎo)致大壩災(zāi)難性破壞的原因及基本模式有五種：①溢洪道的泄洪能力不足，洪水漫過原來按不過水壩設(shè)計的壩頂，溢流而下;②壩體連同部分地基沿軟弱面發(fā)生滑移破壞;③壩體因揚壓力過大而沿壩基面滑動;④壩體或壩基因管涌或流土而破壞;⑤壩的上、下邊坡發(fā)生滑移破壞。滲流在后四種模式中起著重要的作用。此外，水庫水的過量滲漏、水庫岸坡的穩(wěn)定性、水庫誘發(fā)地震等，也都與滲流的作用密切相關(guān)。

根據(jù)大壩的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計要求，進(jìn)行如下三方面的計算就可達(dá)到選取恰當(dāng)?shù)姆罎B措施和校驗建筑物在滲流作用下是否安全的目的。

(一)確定滲透壓力

對于混凝土壩(或水閘)地基中的有壓滲流，要確定沿建筑物地下輪廓線的滲透壓力分布，計算揚壓力，以便驗算建筑物的穩(wěn)定性。對于土石壩的無壓滲流，應(yīng)確定浸潤線位置和壩體、壩基內(nèi)的滲透力分布，以便驗算壩坡和壩基的穩(wěn)定，確定防滲體(防滲鋪蓋、斜墻、心墻或截水墻等)的長度和厚度等幾何尺寸。

(二)確定滲透坡降(或流速)

首先應(yīng)確定滲流的出逸坡降，驗算出口處有無發(fā)生局部流土和管涌破壞的危險。對于粗細(xì)粒兩層土的交界面，以及壩底與地基的接觸面，則應(yīng)檢驗是否會發(fā)生接觸沖刷和流土。對于土石壩壩體中的各種防滲體，也應(yīng)驗算其抗?jié)B強度是否滿足要求。

(三)確定滲流量

需要計算流入下游地基或排水設(shè)備的滲流量，以便為估算水庫的漏水損失和確定排水設(shè)各提供可靠的設(shè)計依據(jù)。

巖體的滲流問題，實質(zhì)上是通過裂隙介質(zhì)的水的流動問題，要正確計算上述三項指標(biāo)是比較困難的，只能作近似計算。對于某些松散的巖體，以及節(jié)理裂隙發(fā)育且無規(guī)律的巖體，也可視為多孔介質(zhì)進(jìn)行計算。

對于十分重要或地質(zhì)條件復(fù)雜的水利水電樞紐，宜選取足夠大的滲流域，進(jìn)行樞紐壩區(qū)的三維滲流計算，確保滿足上述三項指標(biāo)。

對土石壩，還應(yīng)確定浸潤線的位置。

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