水工建筑物 水利水电工程系 李守义 2009年

第二章 水工建筑物设计综述 本章的主要内容： 2.1 水利工程的设计任务和特点 2.2 水工建筑物设计工作步骤 2.3 水工建筑物的安全性 第二章 水工建筑物设计综述 本章的主要内容： 2.1 水利工程的设计任务和特点 2.2 水工建筑物设计工作步骤 2.3 水工建筑物的安全性 2.4 水工建筑物设计的规范体系

2.1 水利工程的设计任务和特点 一、水利技术工作 （2）规划。根据社会经济系统的现实、发展及自然环境，确定工程布局。 （1）勘测。勘察、测量、收集有关的水文、气象、地质、地理、经济及社会信息。 （2）规划。根据社会经济系统的现实、发展及自然环境，确定工程布局。 （3）设计。根据有关资料，利用科学技术，设计水利枢纽及水工建筑物。

（4）施工。结合当地条件和自然环境，组织人力、物力，保质按时完成建设任务。 （5）管理。对已建成的水利工程进行调度、运行以及对工程设施的安全监测、维护及修理、经营等工作。 （6）科技开发。追踪科技的最新成就，针对工程建设中存在的问题，创造和研究新理论、新材料、新工艺、新型结构等。

二、水利工程设计 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。 一般经历下述几个步骤： 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。 在设计过程中，有的步骤可能不甚明显，有的步骤会有重复、反馈、修改。但不论大到水利枢纽工程，或者小到一个局部的构件，每—个层次的设计大都经历类似的过程。

设计工作自身的特点： （1）个性突出。几乎每个工程都有其独特的水文、地形、地质等自然条件，设计的工程与已有的工程的功能要求即使相同，也不可套用，只应借鉴已有工程的经验。 （2）规模大，风险大。几乎不容许采用在原型上做试验的方法来选择决定最理想的结构。模型试验、数学模型仿真分析都很必要，也能起到很好的参考效用，但还都不能达到与实际工程的高度一致，因此，在水工设计中经验类比还是一种重要的决策手段。

（3）重视规程、规范的指导作用。由于设计还没有摆脱经验模式，因此，设计工作很重视历史上国内外水工建设的成功经验和失败教训，用不同的形式总结为规范条文，以期能传播经验，少走弯路。 （4）在施工过程中，不可能摆脱外界的影响。水工建筑物经常会在未竣工之前，由已建成的部分结构承担各种外部作用。据统计108座大坝的失事，有16.7％是在施工过程中，有26.8％是在建成后第一次蓄水时发生。

三、设计工作 （1）开发型设计 在没有样板设计方案及设计原理的条件下，创造出新型方案。风险大，投入多。 （2）更新型设计 改进局部的建筑物设计原理，使其具有新的质和量的特征。例如：在我国推广的碾压混凝土坝、面板堆石坝以及我国创造的宽尾墩消能工等，都在局部范围内采用了新的设计原理。

（3）适配型设计 设计中采用常规的设计原理和型式，研究和选定结构的布置、尺寸和材料，达到适合当地自然环境、地质、地形条件及施工条件、功能要求的常规设计。

四、设计方法的特点 在学习基础科学知识时所掌握的方法，是由已知的原因（条件）推论必然的结果，是研究客观规律的科学研究方法。 设计方法的主要特点则是逆向的思考，开端就明确预期的结果，而后致力于寻找能达到预期结果的措施，因此，它和科研方法截然不同，是—个反向演绎的方法。

2.2 水工建筑物设计工作步骤 一、设计工作步骤 （2）明确目标。确定工程总体规划及其对枢纽和建筑物的功能要求。 （1）收集资料及信息。如：水文、气象、地形、地质资料，地区经济资料，施工力量，资金渠道，国家及地方的有关政策及法规等。 （2）明确目标。确定工程总体规划及其对枢纽和建筑物的功能要求。 （3）提出方案。以初步选择的建筑物型式为基础，考虑与外部的联系和制约条件（如与其他建筑物的配合，与施工、管理、投资等的关系等）修正方案成为可行的。

（4）筛选比较方案。 （5）选定设计方案。 （6）对建筑物进行优化定型及设计细部。 （7）初定施工方案。 （8）对方案进行评价及验证。 （4）筛选比较方案。 （5）选定设计方案。 （6）对建筑物进行优化定型及设计细部。 （7）初定施工方案。 （8）对方案进行评价及验证。

二、水利水电枢纽分等和水工建筑物分级 1 水利水电枢纽分等 水利部、能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标，将水利水电工程根据其工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等，见表2–l。

表2–1 水利水电工程分等指标表

2 水工建筑物分级 (1) 永久性水工建筑物的级别 水利水电工程中的永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，根据其所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级和三级，分别见表2–2和表2–3。 (1) 永久性水工建筑物的级别

表2–2 永久性水工建筑物的级别

永久性建筑物是指工程运行期间使用的建筑物。根据其重要性分为： ①主要建筑物：系指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物，如：堤坝、水闸、电站厂房及泵站等。 ②次要建筑物：系指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大，并易于修复的建筑物，如：挡土墙、导流墙及护岸等。 （2）临时性水工建筑物的级别 临时性建筑物是指工程施工期间使用的建筑物，如：导流建筑物、施工围堰等。

表2–3 临时性水工建筑物的级别

（3）对特殊情况处理 对于2～5级的永久性水工建筑物，工程失事后损失巨大或影响十分严的，经过论证并报主管部门批准，可提高一级。对失事后造成损失不大的1～4级主要永久性水工建筑物，经过论证并报主管部门批准，可降低一级。 对于2～5级的永久性水工建筑物，当工程地质条件特别复杂或者采用实践经验较少的新型结构时，可提高一级，但洪水标准不予提高，其意义在于只提高结构设计的安全系数。

对2、3级的永久性水工建筑物，如超过规范中的坝高，其级别可提高一级，但洪水标准可不提高。 对于3级以下临时性水工建筑物，当利用其发电、通航时，经过技术经济论证，可提高一级。

3 对不同级别建筑物的要求 （1）设计基准期 —级挡水建筑物应采用100年，其他永久性建筑物采用50年。 临时建筑物按使用年限及滞后的时间确定。 特大工程挡水建筑物应经专门研究决定。

应满足如下要求： ①能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用（荷载）； ②在正常使用时，应具有设计预定的功能； ③在正常维护下，应具有设计预定的耐久性； ④在出现预定的偶然作用时，其主体结构仍能保持必须的稳定性。

（2）抗御灾害能力 （3）安全性 如：防洪标准，抗震标准，坝顶超高等。 水工建筑物的结构安全级别，分为三级，如表2–4所示。 ◆对有特殊安全要求的，其安全级别应经专门研究决定； ◆结构及其构件的安全级别，可依其在水工建筑物中的部位，本身破坏对水工建筑物安全影响的大小，取与水工建筑物的结构安全级别相同或降低一级。 ◆地基、基础的安全级别应与建筑物的结构安全级别相同。

表2–4水工建筑物的结构安全级别

（4）运行可靠性 如：建筑物的供水、供电、通航的保证率，闸门等设备的可用性等。 （5）建筑材料 如：使用材料的品种、质量及耐久性等。

乔戈瓦泽对近9000座大坝中失事及出现 一、水工建筑物的失事情况统计 2.3 水工建筑物的安全性 事故的700例的统计结果为： 第14次国际大坝会议总报告中指出，在历年已建成的14000个高于15m的坝中（不完全统计），破坏率近1％。近代由于科技进步，破坏率已降至0.2％。 乔戈瓦泽对近9000座大坝中失事及出现 事故的700例的统计结果为：

（1）地基渗漏或沿连接边墩渗漏占16％； （2）地基丧失稳定性占15％； （3）洪水漫顶及泄洪能力不足占12％； （4）坝体集中渗漏占11％； （5）浸蚀性水或穴居动物通道占9％； （6）地震（包括水库蓄水诱发地震）占6％；

（7）温度裂缝及收缩裂缝占6％； （8）水库蓄水或放空控制不当占5％； （9）冰融作用占4％； （10）运用不当占4％； （11）波浪作用占2％； （12）原因不明的有10％。 德赛尔维拉对出现事故和失事的2121座坝进行统计，分析结果见表2–5。

表2–5 坝在不同时刻出现事故和失事所占百分比

可以看出，大坝失事有一半以上集中在施工期及使用初期，反映出设计及施工中的缺陷大部分是在建设中和使用初期很快暴露出来的。

二、安全储备 在建筑物的设计标准中，明确规定出安全储备的要求。其表达形式有： 单一安全系数法 分项系数极限状态设计法 为了保证建筑物安全，必须在规划、设计阶段详加分析，保证其在蓄水、泄水能力、结构强度及稳定性等方面均有一定的安全储备。 在建筑物的设计标准中，明确规定出安全储备的要求。其表达形式有： 单一安全系数法 分项系数极限状态设计法

三、极限状态 当整个结构（包括地基）或结构的一部分超过某一特定状态，结构就不能满足设计规定的某种功能要求时，称此特定状态为该功能的极限状态。 《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》（GB50199—94）规定:

（1）承载能力极限状态 当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态： ①失去刚体平衡； ②超过材料强度而破坏，或因过度的塑性变形而不适于继续承载； ③结构或构件丧失弹性稳定； ④结构转变为机动体系； ⑤土石结构或地基、围岩产生渗流失稳等。

（2）正常使用极限状态 ①影响结构正常使用或外观变形； ②对运行人员或设备、仪表等有不良影响的振动； 当结构或结构构件影响正常使用或到达耐久性的极限值时，即认为达到了正常使用极限状态： ①影响结构正常使用或外观变形； ②对运行人员或设备、仪表等有不良影响的振动； ③对结构外形、耐久性以及防渗结构抗渗能力有不良影响的局部损坏等。即此时结构是不适于使用的。

结构的功能状态一般用功能函数来表示: 式中的Xi（i＝1，2，…，n）为基本变量，包括影响结构的各种作用（荷载）；结构本身的抗力，如材料性能等；c为功能限值，如梁的挠度，许可裂缝宽度等。

Z＝R–S 最简单的情况，上式可以写为： S—作用效应。 当功能函数等于0时，结构处于极限状态。极限状态方程为： 在简单情况时，即： Z＝g（Xl，X2，…，Xn，c）＝0 R–S＝0

四、设计准则 1 单一安全系数法 要求:作用效应≤结构抗力／安全系数 即 S≤R／K 或 K=R／S≥【K】 K—安全系数； R—结构抗力； ●优点：形式简便，现有水工设计规范大都沿用此法。 ●缺点：定性的标准，没有定量的意义。不同的建筑物之间不可比较，同一结构的不同破坏状况之间也不可比较。

2 分项系数极限状态设计法 此法的基点是概率原理的结构可靠度分析理论，是一个将结构的安全性和适用性定量化的理论。将结构不能完成预定功能的概率称为失效概率pf，即 式中g（·）为结构功能函数的简写，g（·）<0即结构功能失效，[g（·）<0]是失效事件的集合。 结构的可靠度，即结构能完成预定功能的概率，记为ps，因此 ps＝1–pf

对应于结构的重要性级别I级、II级、III级分别取1.1、1.0、0.9。 规范中给出了下列几个分项系数： （1）结构重要性系数γ0。 对应于结构的重要性级别I级、II级、III级分别取1.1、1.0、0.9。 （2）作用分项系数γF。考虑作用对其标准值的不利变异。 式中Fd——作用的设计值； Fk——作用的标准值。 作用分项系数γF为1.0---1.2。

（3）材料性能分项系数γf 。 γf 取1.3---3.4。 （4）设计状况系数ψ。对应持久状况取1.0，短暂状况取0.95，偶然状况取0.85。

（5）结构系数γd。反映极限状态方程与结构实有性能的贴近程度、作用效应和抗力计算模型的不定性、以及其他影响不定性的因素。γd取1.2---1.8 因此，承载能力极限状态的设计式一般可表达为 式中 —结构的几何参数的标准值； S（Fd，αk）—作用效应，是Fd及 的函数； R（fd，αk）—结构抗力，是fd及 的函数。

我国的水工混凝土、钢筋混凝土结构及电力重力坝规范规定了分项系数法。 对正常使用状态，设汁状况系数、作用分项系数及材料性能分项系数皆取1.0，设计式的一般形式为 式中:c——功能的限值。 我国的水工混凝土、钢筋混凝土结构及电力重力坝规范规定了分项系数法。

2.4 水工建筑物设计的规范体系 一、基本概念 特性： ①具有法规性； ②标准文件具有统一的格式； ③标准是利益双方协商一致的结果。 经过100多年，许多国家都形成了比较完整的标准体系。 英国：BS； 德国：DIN； 美国：ANSI； 日本工业：JIS； 法国：NF等。

1947年，国际标准化组织（ISO）成立，它是世界上最大的民间组织机构，它与联合国有着密切联系，但不从属于联合国，ISO是联合国的甲级咨询组织。ISO的最高权力机构是全体会员大会。 二、国际标准 ◆国际标准包括由ISO、IEC（国际电工标准委员会）所制定的标准；

◆1998年，正式发布了ISO2394，1998《结构可靠性总原则》（1986年发布的该标准的第1版）。首次提出了工程结构设计采用概率极限状态设计法和分项系数设计表达式的具体规定；首次提出了设计寿命的概念并对各种结构给出了相应的设计寿命的规定。建议目标可靠指标分别采用β＝3.1、3.8和4.3，我国《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》中的取值，与其十分相近。 ◆世界上的许多国家并无很多规范，尤其由政府颁发的就更少，多是一些权威性的学术团体制定的标准与规定。美国土木工程学会1989年组织编写的“水电工程规划设计土木工程导则”。第一卷“大坝的规划设计与有关课题—环境”；第二卷“水道”；第三卷“厂房及有关课题”；第四卷“小型水电站”；第五卷“抽水蓄能和潮汐电站。

三、中国标准 ●我国的标准： 国家标准； 行业标准； 地方标准； 企业标准。 ◆世界上的许多国家并无很多规范，尤其由政府颁发的就更少，多是一些权威性的学术团体制定的标准与规定。美国土木工程学会1989年组织编写的“水电工程规划设计土木工程导则”。第一卷“大坝的规划设计与有关课题—环境”；第二卷“水道”；第三卷“厂房及有关课题”；第四卷“小型水电站”；第五卷“抽水蓄能和潮汐电站。 三、中国标准 ●我国的标准： 国家标准； 行业标准； 地方标准； 企业标准。

●1995年颁布的《电力标准体系表》中涉及水力发电工程的标准有402项。 ●2001年水利部发布的《水利技术标准体系表》列出水利技术标准615项，有勘测、设计、工程项目审查、咨询、评估、工程安全鉴定以及工程施工、验收、运行管理的基本依据。该《体系表》中具体专业门类有：综合、水文、水资源、水环境、水利水电、防洪抗旱、供水节水、灌溉排水、水土保持、小水电及农村电气化和综合利用等。 ●1995年颁布的《电力标准体系表》中涉及水力发电工程的标准有402项。

●本书的参考文献中列出了部分水工建筑物设计规范。 ●2004年版《工程建设标准强制性条文》共分七篇，涉及133本现行水利强制性技术标准742个条款。即：

设计文件编制； 水文测报与工程勘测； 水利工程规划； 水利工程设计； 水利工程施工； 机电与金属结构； 环境保护、水土保持与征地移民。

本 章 结 束