第二章章水水工建建筑物物設計計綜述述水工工建建筑筑物物2.1水利工工程設設計的的任務務和特特點一、水水利工工程定義特點二、水水利技技術工工作勘測：：水文文、氣氣象、、地質質、地地理、、經濟濟及社社會信信息。。規劃：：統一一部署署，主主要依依據社社會現現實、、自然然環境境。工程設設計：：運用用科學學技術術、設設計理理論、、設計計原理理……。工程施施工：：組織織人力力、物物力高高質量量完成成任務務。工程管管理：：已建建成工工程的的調度度、運運行、、維修修、監監測、、經營營科技開開發：：研究究新理理論、、新材材料、、新工工藝、、新結結構等等，以以提高高科技技水平平。2.1水利工工程設設計的的任務務和特特點三、水水利工工程設設計設計一一般步步驟技術預預測信息分分析科學類類比系統分分析方案設設計功能分分析安全分分析施工方方案經濟分分析綜合評評價各學科科研制制了對對應的的軟件件，便便于工工程師師設計計水利工工程的的自身身特點點個性突突出：：幾乎乎每個個工程程均有有其獨獨特的的水文文、地地質、、自然然條件件規模大大、風風險大大：需需謹慎慎、嚴嚴格，，必要要時需需試驗研研究規程規規范指指導性性強：：總結結歷史史，參參考經經驗，，形成成規程程規范范，少少走彎彎路。。施工外外界干干擾大大2.1水利工工程設設計的的任務務和特特點2.1水利工工程設設計的的任務務和特特點四、設設計工工作水水平根據有有無參參考樣樣本和和工程程經驗驗，可可分為為以下下幾種種：開發型型設計計：提出出創造造性的的新型型方案案，但但難度度大、、風險險大、、投資資高。。更新型型設計計：在常常規型型式、、設計計原理理的基基礎上上改進進局部部建筑筑物設設計原原理，，如碾碾壓混混凝土土壩、、面板板堆石石壩。。適配型型設計計：常規規型式式上選選擇適適當的的尺寸寸、材材料和和布置置型式式。工程設設計優優劣的的評價價適用性性、安安全性性、經經濟合合理性性2.2設計的的工作作步驟驟一、水水工建建筑物物設計計水利工工程建建設的的全過過程是是一個個系統統工程程。關鍵環環節設計工工作者者需站站在全全局的的高度度解決決問題題。功能需需求、、資金金、人人力投投入，，投資資風險險分析析物力資資源、、結構構型式式、工工作特特點,施工導導流方方案，，環境境影響響等2.2設計的的工作作步驟驟二、設設計階階段的的工作作步驟驟收集資資料及及信息息明確總總體規規劃及及功能能提出方方案方案比比選推薦方方案優化設設計和和細部部構造造初定施施工方方案方案評評價及及驗證證2.2設計的的工作作步驟驟三、分分等和和分級級1水利工工程(水利樞樞紐)的分等等工程失常影響效益，工程失事造成災難工程規模有大小，安全程度有高低水利工程分等級別：：五等分等依依據：：工程程規模模、效效益、、重要要性2.2設計的的工作作步驟驟2水工建建筑物物的分分級級別：：五級永久性性主要要建筑筑物：：大壩壩、廠廠房、、泄洪洪閘…永久性性次要要建筑筑物：：擋墻墻、導導墻、、護岸岸…臨時建建筑物物：施施工圍圍堰、、導流流建筑筑物…分級依依據：：工程程等別別、作作用、、重要要性水工建建筑物物3不同級級別水水工建建筑物物有以以下不不同要要求：：級別不不同，，設計計基準準期也也不相相同是研究究工程程對策策的參參照年年限，，是為為確定定可變變作用用及與與時間間有關關的材材料性性能取取值而而選用用的時時間參參數，，它不不等同同于設設計使使用年年限。。設計基基準期期是一一個基基準參參數，，它的的確定定不僅僅涉及及可變變作用用（荷荷載）），還還涉及及材料料性能能，是是在對對大量量實測測數據據進行行統計計的基基礎上上提出出來的的，一一般情情況下下不能能隨意意更改改。例例如我我國規規范所所采用用的設設計地地震動動參數數（包包括反反映譜譜和地地震最最大加加速度度）的的基準準期為為50年，如如果要要求采采用基基準期期為100年的設設計地地震動動參數數，則則不但但要對對地震震動的的概率率分布布進行行專門門研究究，還還要對對建筑筑材料料乃至至設備備的性性能參參數進進行專專門的的統計計研究究。水工建建筑物物在設設計基基準期期內的的要求求1級擋水水建筑筑物為為100年，其其它永永久建建筑物物為50年2.2設計的的工作作步驟驟2.2設計的的工作作步驟驟級別不不同，，抗御御災害害能力力也不不同：：防洪洪標準準、抗抗震標標準、、壩頂頂超高高級別不不同，，安全全性不不同包括強強度、、穩定定、變變形三三方面面水工建建筑物物的結結構安安全級級別級別不不同，，運行行可靠靠性不不同級別不不同，，建筑筑材料料不同同：品品種、、質量量、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統計計統計歷歷史14000座高于于15m的壩：：1%統計近近代的的壩：：0.2％大壩破壞率大壩失失事原原因統統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15％蓄放水控制不當5％洪水漫頂12％冰融作用4％壩體集中滲流11％運用不當4％浸蝕水、穴居動物9％波浪作用2％地震6％原因不明10％2.3水工建建筑物物的安安全性性大壩失失事時時間：一半以以上失失事集集中在在施工工期（（16.7%）和使使用初初期（（26.8%）。事故或失事壩型事故或失事發生時間施工中第一次蓄水建成5年內建成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壩在不同時時刻發生事事故或或失事事所占占百分分比2.3水工建建筑物物的安安全性性二、安安全儲儲備設計標標準明明確規規定：建筑物物設計計必需需具有有一定定的安安全儲儲備安全儲儲備的的表示示方法法單一安安全系系數法法分項系系數極極限狀狀態設設計法法三、極極限狀狀態極限狀狀態的的定義義當整個個結構構（包包括地地基））或結結構的的一部部分超超過某某一特特定狀狀態，，結構構就不不能滿滿足設設計規規定的的某種種功能能要求求，這這一特特定狀狀態就就叫該該功能能的極極限狀狀態。。2.3水工建建筑物物的安安全性性極限狀狀態設設計分分類（1）承載載能力力極限限狀態態當出現現下列列狀態態之一時，即即認為為超過過了承承載能能力極極限狀狀態：：①剛體體失去去平衡衡（如如傾覆覆等)；②材料強強度不不足而而破壞壞；③結構失失穩(如壓屈屈等)；④結構構轉變變為機機動體體系；；⑤結構體體產生生滲透透失穩穩等現現象；；（2）正常常使用用極限限狀態態定義：：當結結構或或構件件影響響正常常使用用或達達到耐耐久性性的極極限值值時，，認為為達到到了正正常使使用極極限狀狀態。。①影響結結構正常常使用或或外觀變變形②對運行行人員、、設備、、儀表等等有不良良影響的的振動③對結構構外形、、耐久性性以及防防滲結構構抗滲能能力有不不良影響響的局部部損壞（（包括裂裂縫）等等2.3水工建筑筑物的安安全性通俗的說說：承載能力力極限狀狀態是已已經破壞壞不能使使用的狀狀態。正正常使用用極限狀狀態是還還可以勉勉強使用用。2.3水工建筑筑物的安安全性結構功能能函數功能函數數結構抗力力作用效應應極限狀態態方程基本變量量功能限值值2.3水工建筑筑物的安安全性四、設計計準則水工建筑筑物事故故或失事事的主要要因素作用的不不利性變變異：實實際值>設計值抗力的不不良性變變異：實實際值<設計值狀態方程程表達不不正確：：抗力或或作用效效應的表表達、計計算錯誤誤1單一安全全系數法法（水工工規范））表達式：：安全系數數K考慮的因因素結構的安安全等級；工作狀況況和作用用效應組合；結構和地地基的受受力特點點和計算算方法:模擬準確確度材料抗力力、作用用的實驗驗、勘測測方法和和取值規規則。不足之處處是定性的的標準，，沒有定定量的意意義；不同建筑筑物不可可比較；；同一結構構的不同同破壞狀狀況之間間不可比比較。2.3水工建筑筑物的安安全性2.3水工建筑筑物的安安全性2分項系數數極限狀狀態設計計法理論基礎：基基于概率率原理的的結構可靠靠度分析析理論失效概率率：不能能完成預預定功能能的概率率，pf=P[g(.)<0]可靠度：：能完成成預定功功能的概概率，ps=1-pf分項系數數：考慮慮不同因因素變異異性來源源的系數數，將每每種因素素的影響響在不同同的工程程結構上上統一考考慮，取取劃一的的分項系系數。①結構重要要性系數數：2.3水工建筑筑物的安安全性②作用分分項系數數：③材料性性能分項項系數：：④設計狀狀況(工作狀況況)系數：⑤結構系系數γd：反映極極限狀態態方程與與結構實實有性能能的貼近近程度，，作用效效應與抗抗力計算算的不定定性等。。2.3水工建筑筑物的安安全性極限狀態態設計式式：①承載能能力極限限狀態設設計式：結構重要要性系數數設計狀況況系數結構系數數作用效應應函數結構幾何何參數的的標準值值結構抗力力函數2.3水工建筑筑物的安安全性②正常使使用極限限狀態設設計式：結構重要要性系數數結構幾何何參數標標準值作用標準準值結構系數數材料性能能標準值值設計狀況況系數φ、作用分項項系數gF、材料性能能分項系系數gf均為1.0功能限值值如應力、、變形等等五、可靠靠指標可靠性：：安全性、、適用性性、耐久久性的合稱。。結構可靠靠度理論論的基本本假定任何結構構都有失失效的可可能與結構設設計相關關的變量量均為隨隨機變量量當作用效效應不超超過結構構抗力時時，結構構可靠，，否則，，結構失失效結構失效效僅由作作用效應應所致作用效應應計算分分析及強強度理論論的一切切方法與與公式仍仍適用結構可靠靠度理論論的數學學力學基基礎概率論、、數理統統計理論論、隨機機過程理理論、隨隨機場理理論、工工程力學學理論、、計算力力學理論論、固體體力學理理論、強強度理論論等。2.3水工建筑筑物的安安全性2.3水工建筑筑物的安安全性可靠性的的尺度可靠度（（可靠概概率）：：在給定定的條件件下，在在基準期期內完成成預定功功能的概概率。不可靠度度(失效概率率）：結結構不能能完成預預定功能能的概率率。可靠指標標（安全全指標））2.3水工建筑筑物的安安全性功能函數數的分解解如果R、S在統計上上互不相相關，則則1、可靠指指標2.3水工建筑筑物的安安全性若R、S都為正態態分布，，均值和和均方差差分別為為則Z也為正態態分布，，均值和和均方差差分別為為可靠性指指標：2.3水工建筑筑物的安安全性Z的標準正正態化：：可靠指標標與中心心安全系系數的關關系：中心安全全系數：：結構抗力力變異系系數：作用效應應變異系系數：2.3水工建筑筑物的安安全性2、可靠指指標的計計算方法法一次二階階矩法：：采用μ和σ2計算可靠靠度指標標均值一次次二階矩矩法（中中心點法法）極限狀態態方程為為非線性性式、概概率分布布難以確確定時，，將S和R線性化，，在均值處進行泰泰勒級數數展開，，計算β不能考慮慮隨機變變量的實實際分布布對非線性性極限狀狀態方程程，誤差差大改進一次次二階矩矩法（驗驗算點、、JC法）將非正態態分布轉轉化為正正態分布布，將功功能函數數在設計驗算算點處，做泰泰勒級數數展開，，取線性性項計算算βMonteCarlo法隨機有限限元法2.3水工建筑筑物的安安全性3、目標可可靠指標標規范中給給出的可可靠指標標應當達達到值βT，用以保證證設計的的水工建建筑物既既經濟又又安全。。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目標可靠靠指標βT一類破壞壞：指非非突發性性破壞二類破壞壞：指突突發性破破壞全球分布布的兩大大地震帶帶環太平洋洋地震帶帶（80%）:深層，臺臺灣、菲菲律賓中亞-地中海地地震帶（（20%）:淺層，我我國西南南、西北北地震破壞壞現象地表和地地基破壞壞：地裂裂、塌陷陷、山崩崩、滑坡坡、液化化等建筑物破破壞海嘯2.4水工建筑筑物的抗抗震分析析2.4水工建筑筑物的抗抗震分析析一、地震震作用地震規模模的評價價：以釋放總總能量評評價，按按里氏震震級分1～9級。烈度：表征地表表運動的的危害性性，一般般以地震震的最大大加速度度作為烈烈度的標標準；地地震烈度度分1～12度；6度以上為為有害地地震。基本烈度度：一般是指指某地區區今后50年內可能能發生的的較大的的地震，，其超越越概率為為10％(中國地震烈度度區劃圖圖)。水庫誘發發地震：：截至上世世紀60年代,全球已有有100例水庫誘誘發地震震,一般壩高高>100m,庫容>5億m3（大2型）時需需考慮誘誘發地震震。地震測量量：地面加速速度、峰峰值加速速度，如如6級地震的的a＝0.05g。水工建筑筑物的地地震作用用效應斷層錯動動砂土地層層液化庫水產生生動水壓壓力建筑物振振動開裂裂、傾倒倒填土產生生動土壓壓力水庫庫岸岸崩塌土石壩壩壩坡滑動動地基沉降降效應2.4水工建筑筑物的抗抗震分析析2.4水工建筑筑物的抗抗震分析析二、抗震震設計設計計烈烈度度：：一一般般將將基基本本烈烈度度作作為為設設計計烈烈度度。。抗震震設設防防等等級級：：規規定定建建筑筑物物需需要要設設防防的的最最小小地地震震烈烈度度。。表示示場場地地地地震震大大于于等等于于6級時時才才需需設設防防，，否否則則可可不不設設防防工程抗震設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工程程抗抗震震設設防防等等級級抗震震設設計計內內容容抗震震計計算算工程程抗抗震震措措施施設計計烈烈度度為為6度時時，，可可不不進進行行抗抗震震計計算算，，只只考考慮慮抗抗震震措措施施。。設計計烈烈度度高高于于9度時時，，或或9度的的高高于于250m的壅壅水水建建筑筑物物，，應應進進行行專專門門的的抗抗震震研研究究。。抗震震設設計計的的基基本本要要求求：：能能抵抵御御設設計計烈烈度度地地震震，，如如有有損損壞壞，，處處理理后后仍仍可可使使用用。。2.4水工工建建筑筑物物的的抗抗震震分分析析2.4水工工建建筑筑物物的的抗抗震震分分析析地震震系系數數：：設計計用用地地面面運運動動峰峰值值加加速速度度與與重重力力加加速速度度的的比比值值。。豎向向地地震震加加速速度度代代表表值值取取水水平平向向的的2/3地震烈度789αh0.1g0.2g0.4g表2-8水平平向向設設計計地地震震加加速速度度代代表表值值2.4水工工建建筑筑物物的的抗抗震震分分析析三、、地地震震作作用用效效應應作用用的的分分類類靜態態作作用用（（靜靜荷荷載載））：：自自重重、、溫溫度度作作用用動態態作作用用（（動動荷荷載載））：：地地震震作作用用、、風風作作用用、、波波浪浪作作用用運動動方方程程質量量矩矩陣陣加速速度度列列陣陣阻尼尼矩矩陣陣速度度列列陣陣剛度度矩矩陣陣位移移矩矩陣陣地面面運運動動加加速速度度列列陣陣2.4水工工建建筑筑物物的的抗抗震震分分析析抗震震分分析析方方法法1、2級水水工工建建筑筑物物：：實實驗驗驗驗證證抗震震設設防防等等級級為為甲甲類類的的水水工工建建筑筑物物：：動動力力法法乙、、丙丙類類水水工工建建筑筑物物：：動動力力法法或或擬擬靜靜力力法法丁類類水水工工建建筑筑物物：：擬擬靜靜力力法法或或采采取取抗抗震震措措施施動力力法法的的數數值值解解法法直接接積積分分法法將地地震震地地面面運運動動記記錄錄直直接接輸輸入入結結構構體體系系來來求求解解的的結結構構的的地地震震反反應應。。振型型分分解解法法2.4水工工建建筑筑物物的的抗抗震震分分析析四、、水水工工建建筑筑物物抗抗震震分分析析的的主主要要問問題題地震震作作用用的的不不確確定定性性及及設設計計地地震震參參數數和和波波型型的的選選擇擇地震震動動輸輸入入機機制制結構構－－庫庫水水－－地地基基間間的的動動力力相相互互作作用用壩體體和和地地基基的的非非線線性性影影響響地震震反反應應的的動動態態設設計計方方法法2.5水工工建建筑筑物物設設計計的的規規范范體體系系一、、標標準準的的基基本本概概念念標準準的的定定義義標準準的的特特性性ISO：國國際際標標準準化化組組織織二、、國國際際標標準準ISO2394《《結構構可可靠靠性性總總原原則則》（1998）三、、中中國國標標準準我國國標標準準分分類類：：國家家標標準準、、行行業業標標準準、、地地方方標標準準、、企