水工建筑物教材幻灯片(4)剖析.ppt

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1、第二章、水工建筑物上的荷载 及荷载效应组合第一节第一节 水工建筑物上的荷载及计算水工建筑物上的荷载及计算一、建筑物及永久设备自重一、建筑物及永久设备自重uu 1 1建筑物自重建筑物自重各种建筑物的自重标准值，等于体积与材料的重度的各种建筑物的自重标准值，等于体积与材料的重度的各种建筑物的自重标准值，等于体积与材料的重度的各种建筑物的自重标准值，等于体积与材料的重度的乘积，方向垂直向下。乘积，方向垂直向下。乘积，方向垂直向下。乘积，方向垂直向下。即：即：即：即：W=W=W=W=VVVVc c c c （2-12-12-12-1）式中：式中：式中：式中：WWWW建筑物自重（建筑物自重（建筑物自重（

2、建筑物自重（KNKNKNKN）V V V V建筑物的体积建筑物的体积建筑物的体积建筑物的体积(m(m(m(m3 3 3 3）c c c c建筑物的材料重度（建筑物的材料重度（建筑物的材料重度（建筑物的材料重度（KN/mKN/mKN/mKN/m3 3 3 3 ）一般混凝土取一般混凝土取一般混凝土取一般混凝土取23.5-24kN/m23.5-24kN/m23.5-24kN/m23.5-24kN/m3 3 3 3 ，钢筋混凝土取，钢筋混凝土取，钢筋混凝土取，钢筋混凝土取24.5-24.5-24.5-24.5-25kN/m25kN/m25kN/m25kN/m3 3 3 3 ，浆砌石取，浆砌石取，浆砌石

3、取，浆砌石取21.523kN/m21.523kN/m21.523kN/m21.523kN/m3 3 3 3u 2 2永久设备自重永久设备自重n n水工建筑物上永久固定设备，如闸门、启水工建筑物上永久固定设备，如闸门、启闭机等，自重标准值采用设备标牌重量。闭机等，自重标准值采用设备标牌重量。l l自重的作用分项系数为：自重的作用分项系数为：n n大体积混凝土、土石坝取大体积混凝土、土石坝取1.01.0；n n对普通水工混凝土、金属结构（设备）取对普通水工混凝土、金属结构（设备）取1.051.05，当自重对结构有利时取，当自重对结构有利时取0.950.95。n n地下工程的混凝土衬砌取地下工程的混

4、凝土衬砌取1.11.1，n n其对结构有利时取其对结构有利时取0.90.9。水工建筑物上的一般荷载水工建筑物上的一般荷载二、水压力二、水压力u 1 1静水压力静水压力n n水静止状态下对结构表面的作用力称为静水压力。可按水力水静止状态下对结构表面的作用力称为静水压力。可按水力水静止状态下对结构表面的作用力称为静水压力。可按水力水静止状态下对结构表面的作用力称为静水压力。可按水力学原理进行计算。学原理进行计算。学原理进行计算。学原理进行计算。n n（1 1 1 1）作用在坝、闸等结构面上的水压力：）作用在坝、闸等结构面上的水压力：）作用在坝、闸等结构面上的水压力：）作用在坝、闸等结构面上的水压力

5、：作用在坝闸渡槽等建筑物表面的水压力，可分解为水作用在坝闸渡槽等建筑物表面的水压力，可分解为水平平P PH H和垂直和垂直P PV V V V两部分。两部分。n n P PH H=（2-22-2）n n P PV V=（2-32-3）n n式中：式中：水的重度，一般取水的重度，一般取9.89.8（KN/m3KN/m3）;H H计算点以上的水深，计算点以上的水深，(m)(m)；V V结构表面以上水的体积（结构表面以上水的体积（m3m3）n n静水压力分布图静水压力分布图静水压力分布图静水压力分布图（2 2 2 2）管道及地下结构水压力计算）管道及地下结构水压力计算）管道及地下结构水压力计算）管道

6、及地下结构水压力计算作用在管道内壁上的静水压力称为内水压力；作用在管道内壁上的静水压力称为内水压力；作用在管道内壁上的静水压力称为内水压力；作用在管道内壁上的静水压力称为内水压力；n n作用于衬砌外侧的水压力称外水压力。作用于衬砌外侧的水压力称外水压力。作用于衬砌外侧的水压力称外水压力。作用于衬砌外侧的水压力称外水压力。结构分析时，应根据具体情况计入。结构分析时，应根据具体情况计入。结构分析时，应根据具体情况计入。结构分析时，应根据具体情况计入。n n计算时计算时计算时计算时,将其分均匀、非均匀内水压力。将其分均匀、非均匀内水压力。将其分均匀、非均匀内水压力。将其分均匀、非均匀内水压力。n n

7、均匀内水压力，沿管内一周均匀分布，均匀内水压力，沿管内一周均匀分布，均匀内水压力，沿管内一周均匀分布，均匀内水压力，沿管内一周均匀分布，为管内壁顶点以上静水压力值为管内壁顶点以上静水压力值为管内壁顶点以上静水压力值为管内壁顶点以上静水压力值n n非均匀内水压力的合力方向垂直向下，数值为单位非均匀内水压力的合力方向垂直向下，数值为单位管长水重。管长水重。（2-42-4）（2-52-5）n n式中：式中：式中：式中：w w水的重度（水的重度（KN/mKN/m3 3）；）；r ri i管道或隧洞的内半径（管道或隧洞的内半径（m m）；）；自管顶算起的圆心角（自管顶算起的圆心角（）；）；h h管道内壁

8、顶点至计算静水位的高度（管道内壁顶点至计算静水位的高度（m m）。环向（切向）轴向衬砌在均匀内水压力作用示意图衬砌在均匀内水压力作用示意图n n作用在管道及隧洞衬砌外壁上的水压力，由于是作用在管道及隧洞衬砌外壁上的水压力，由于是由坝体渗水及地下水引起的，其值取决于坝体及由坝体渗水及地下水引起的，其值取决于坝体及围岩的渗透特性、水文地质条件及地基处理等情围岩的渗透特性、水文地质条件及地基处理等情况。有压隧洞衬砌的外水压强标准值可为。况。有压隧洞衬砌的外水压强标准值可为。（2-62-6）n n式中：式中：p pekek 作用于衬砌上的外水压强标准值作用于衬砌上的外水压强标准值作用于衬砌上的外水压强

9、标准值作用于衬砌上的外水压强标准值 （KN/mKN/m2 2）；e e外水压力折减系数，可按表外水压力折减系数，可按表2-12-1采用采用；HeHe作用水头作用水头(m)(m)(m)(m)，按设计采用的地下水位线按设计采用的地下水位线与隧洞中心线的高差确定。与隧洞中心线的高差确定。n n同内水压力，外水压力也分解成均匀外水压力和同内水压力，外水压力也分解成均匀外水压力和同内水压力，外水压力也分解成均匀外水压力和同内水压力，外水压力也分解成均匀外水压力和非均匀外水压力。非均匀外水压力。非均匀外水压力。非均匀外水压力。n n非均匀外水压力的合力垂直向上，大小等于单位非均匀外水压力的合力垂直向上，大

10、小等于单位非均匀外水压力的合力垂直向上，大小等于单位非均匀外水压力的合力垂直向上，大小等于单位洞长排开水体的重量。洞长排开水体的重量。洞长排开水体的重量。洞长排开水体的重量。级级级级别别别别地下水活动状态地下水活动状态地下水活动状态地下水活动状态地下水对围岩地下水对围岩地下水对围岩地下水对围岩稳定影响稳定影响稳定影响稳定影响建议值建议值建议值建议值1 1洞壁干燥或潮湿洞壁干燥或潮湿洞壁干燥或潮湿洞壁干燥或潮湿无影响无影响无影响无影响00.200.22 2沿结构面有渗水或滴沿结构面有渗水或滴沿结构面有渗水或滴沿结构面有渗水或滴水水水水风化结构面充填物，降低结风化结构面充填物，降低结风化结构面充填

11、物，降低结风化结构面充填物，降低结构面抗剪强度，对软弱岩有构面抗剪强度，对软弱岩有构面抗剪强度，对软弱岩有构面抗剪强度，对软弱岩有软化作用软化作用软化作用软化作用0.10.10.40.43 3沿裂隙面有大量滴水沿裂隙面有大量滴水沿裂隙面有大量滴水沿裂隙面有大量滴水或线状流水或线状流水或线状流水或线状流水液化软弱结构面中充填物质，液化软弱结构面中充填物质，液化软弱结构面中充填物质，液化软弱结构面中充填物质，降低抗剪强度，对中硬岩体降低抗剪强度，对中硬岩体降低抗剪强度，对中硬岩体降低抗剪强度，对中硬岩体有软化作用有软化作用有软化作用有软化作用0.250.250.60.64 4严重滴水严重滴水严重滴

12、水严重滴水 沿软弱结沿软弱结沿软弱结沿软弱结构面有小量涌水构面有小量涌水构面有小量涌水构面有小量涌水冲刷充填物质，加速岩体风冲刷充填物质，加速岩体风冲刷充填物质，加速岩体风冲刷充填物质，加速岩体风化，使其膨胀崩解，产生机化，使其膨胀崩解，产生机化，使其膨胀崩解，产生机化，使其膨胀崩解，产生机械管涌。有渗透压力。械管涌。有渗透压力。械管涌。有渗透压力。械管涌。有渗透压力。0.40.40.80.85 5严重股状流水断层有严重股状流水断层有严重股状流水断层有严重股状流水断层有大量涌水大量涌水大量涌水大量涌水冲刷充填物质，分离岩体，冲刷充填物质，分离岩体，冲刷充填物质，分离岩体，冲刷充填物质，分离岩体

13、，能鼓开一定厚度的断层等软能鼓开一定厚度的断层等软能鼓开一定厚度的断层等软能鼓开一定厚度的断层等软弱带，能导致围岩塌方弱带，能导致围岩塌方弱带，能导致围岩塌方弱带，能导致围岩塌方 0.650.651.01.0表表2-1 2-1 外水荷载折减系数值外水荷载折减系数值e e选用表选用表u 2 2动水压力动水压力n n水体在流动时，对建筑物表面产生动水压力水体在流动时，对建筑物表面产生动水压力（1 1）闸坝反弧段上的动水压力闸坝反弧段上的动水压力:泄水时，溢流坝下游反弧段的动水压力，主要是泄水时，溢流坝下游反弧段的动水压力，主要是泄水时，溢流坝下游反弧段的动水压力，主要是泄水时，溢流坝下游反弧段的动

14、水压力，主要是离心力作用，反弧底面动水压强近似取均布，其离心力作用，反弧底面动水压强近似取均布，其离心力作用，反弧底面动水压强近似取均布，其离心力作用，反弧底面动水压强近似取均布，其代表值、离心力合力的水平分力和垂直分力可由代表值、离心力合力的水平分力和垂直分力可由代表值、离心力合力的水平分力和垂直分力可由代表值、离心力合力的水平分力和垂直分力可由下式计算。下式计算。下式计算。下式计算。n n （2-92-9）n n （2-102-10）n n式中：式中：q q 相应反弧段上的单宽流量相应反弧段上的单宽流量相应反弧段上的单宽流量相应反弧段上的单宽流量(m(m3 3/s.m)/s.m)；w w水

15、的密度水的密度水的密度水的密度；v v 反弧段最低处的断面平均流速反弧段最低处的断面平均流速反弧段最低处的断面平均流速反弧段最低处的断面平均流速(m/sm/s)；n nR R反弧半径反弧半径反弧半径反弧半径(m)(m)(m)(m)；n n 1 1、2 2如图如图如图如图2-42-42-42-4所示，分别为反弧段圆所示，分别为反弧段圆所示，分别为反弧段圆所示，分别为反弧段圆心竖线左、右的中心角，取其绝对值。心竖线左、右的中心角，取其绝对值。心竖线左、右的中心角，取其绝对值。心竖线左、右的中心角，取其绝对值。n n作用在反弧段上的动水压力的作用分项系作用在反弧段上的动水压力的作用分项系数为数为1.

16、11.11.11.1。三、扬压力三、扬压力uu 建筑物挡水后，由于上下游水头差的作用，水建筑物挡水后，由于上下游水头差的作用，水建筑物挡水后，由于上下游水头差的作用，水建筑物挡水后，由于上下游水头差的作用，水从地基的孔隙向下渗透，由渗透引起的水压力称从地基的孔隙向下渗透，由渗透引起的水压力称从地基的孔隙向下渗透，由渗透引起的水压力称从地基的孔隙向下渗透，由渗透引起的水压力称渗透压力，由下游水深而引起的水压力称浮托力，渗透压力，由下游水深而引起的水压力称浮托力，渗透压力，由下游水深而引起的水压力称浮托力，渗透压力，由下游水深而引起的水压力称浮托力，渗透压力和浮托力之和称为扬压力。渗透压力和浮托力

17、之和称为扬压力。渗透压力和浮托力之和称为扬压力。渗透压力和浮托力之和称为扬压力。uu作用于建筑物底面上的扬压力值，应按垂直作用作用于建筑物底面上的扬压力值，应按垂直作用于计算截面积上的扬压力分布图形求和。于计算截面积上的扬压力分布图形求和。扬压力分布与上下游水位、防渗排水措施有关。扬压力分布与上下游水位、防渗排水措施有关。扬压力分布与上下游水位、防渗排水措施有关。扬压力分布与上下游水位、防渗排水措施有关。1 1重力坝、拱坝的扬压力重力坝、拱坝的扬压力对岩基上混凝土坝，坝体底面扬压力分布：对岩基上混凝土坝，坝体底面扬压力分布：对岩基上混凝土坝，坝体底面扬压力分布：对岩基上混凝土坝，坝体底面扬压力

18、分布：（1 1）坝基无防渗帷幕和排水孔幕时，作用于坝底面坝基无防渗帷幕和排水孔幕时，作用于坝底面坝基无防渗帷幕和排水孔幕时，作用于坝底面坝基无防渗帷幕和排水孔幕时，作用于坝底面上游边缘处的扬压力为上游边缘处的扬压力为上游边缘处的扬压力为上游边缘处的扬压力为H H H H1 1 1 1，下游边缘处为，下游边缘处为，下游边缘处为，下游边缘处为H H H H2 2 2 2，其间，其间，其间，其间用直线连接。如图用直线连接。如图用直线连接。如图用直线连接。如图2-5(f)2-5(f)2-5(f)2-5(f)所示。所示。所示。所示。n n（2 2）当坝基上游设防渗帷幕和排水孔时，）当坝基上游设防渗帷幕和

19、排水孔时，上游处的扬压力作用水头为上游处的扬压力作用水头为H H1 1，排水孔中心，排水孔中心线处为线处为H H2 2+（H H1 1-H-H2 2），下游（坝趾）处为），下游（坝趾）处为H H2 2，其间各段以直线连接。如图，其间各段以直线连接。如图2-2-4(a,b,c,d)4(a,b,c,d)所示。所示。n n（3 3）当坝基上游有防渗帷幕和排水孔并设）当坝基上游有防渗帷幕和排水孔并设下游副排水孔及抽排系统时，坝基面上游下游副排水孔及抽排系统时，坝基面上游处的扬压力作用水头为处的扬压力作用水头为H H1 1，主副排水孔中心，主副排水孔中心处的扬压力作用水头分别为处的扬压力作用水头分别为1

20、 1H H1 1和和2 2H H2 2，下游处为下游处为H H2 2，其间各段依次以直线连接。如，其间各段依次以直线连接。如图图2-4(e)2-4(e)所示。所示。p 渗透压力强度系数渗透压力强度系数，对宽缝重力坝、大头，对宽缝重力坝、大头坝河床段坝河床段取取0.20.2，岸坡段为，岸坡段为0.30.3；对实体重；对实体重力坝拱坝等力坝拱坝等,河床段取河床段取0.250.25，岸坡段取，岸坡段取0.35;0.35;扬压力强度系数扬压力强度系数2 2取取0.15-0.20.15-0.2；残余扬压力；残余扬压力系数系数2 2与排水强度有关，一般情况下均取与排水强度有关，一般情况下均取0.50.5。

21、坝体内部渗透压力和浮托力坝体内部渗透压力和浮托力:p不设排水管时，其上游处为不设排水管时，其上游处为H H1 1 ，下游为，下游为H H2 2 ，其间直线连接。当上游面设坝体排水管，其间直线连接。当上游面设坝体排水管时排水管中心线处为时排水管中心线处为3 3H H2 2 。p坝体内部扬压力系数3，对实体重力坝、拱坝取0.2，宽缝坝、大头坝取0.150.2。uu坝底面和坝体内扬压力分项系数系数坝底面和坝体内扬压力分项系数系数 ：浮托力的作用分项系数均采用浮托力的作用分项系数均采用1.01.0；渗透压力的作用分项系数，对实体重力坝采渗透压力的作用分项系数，对实体重力坝采用用1.21.2；宽缝重力坝

22、、大头坝、空腹重力坝及；宽缝重力坝、大头坝、空腹重力坝及拱坝采用拱坝采用1.11.1；坝基下游设置抽排系统时，主排水孔之前扬坝基下游设置抽排系统时，主排水孔之前扬压力的作用分项系数采用压力的作用分项系数采用1.11.1，主排水孔之后，主排水孔之后残余扬压力的作用分项系数采用残余扬压力的作用分项系数采用1.21.2。2 2水闸扬压力水闸扬压力uu水闸挡水时，上下游水头差使水流沿铺盖及闸底板水闸挡水时，上下游水头差使水流沿铺盖及闸底板水闸挡水时，上下游水头差使水流沿铺盖及闸底板水闸挡水时，上下游水头差使水流沿铺盖及闸底板底面向下游渗透，闸底板底面上作用有扬压力。底面向下游渗透，闸底板底面上作用有扬

23、压力。底面向下游渗透，闸底板底面上作用有扬压力。底面向下游渗透，闸底板底面上作用有扬压力。（1 1）岩基闸底板上的扬压力岩基闸底板上的扬压力岩基闸底板上的扬压力岩基闸底板上的扬压力uu底面上的扬压力分布图形，可按实体重力坝确定。底面上的扬压力分布图形，可按实体重力坝确定。底面上的扬压力分布图形，可按实体重力坝确定。底面上的扬压力分布图形，可按实体重力坝确定。（2 2）软基上水闸底板扬压力分布软基上水闸底板扬压力分布软基上水闸底板扬压力分布软基上水闸底板扬压力分布uu 同样包括渗透压力和浮托力两部分，根据上下游水同样包括渗透压力和浮托力两部分，根据上下游水同样包括渗透压力和浮托力两部分，根据上下

24、游水同样包括渗透压力和浮托力两部分，根据上下游水位差，地下轮廓线的布置、地基位差，地下轮廓线的布置、地基位差，地下轮廓线的布置、地基位差，地下轮廓线的布置、地基K K K K等分析确定。等分析确定。等分析确定。等分析确定。uu 一般情况下，渗透压力可采用直线比例法、改进阻一般情况下，渗透压力可采用直线比例法、改进阻一般情况下，渗透压力可采用直线比例法、改进阻一般情况下，渗透压力可采用直线比例法、改进阻力系数法和流网法计算，（力系数法和流网法计算，（力系数法和流网法计算，（力系数法和流网法计算，（详见第七章水闸详见第七章水闸详见第七章水闸详见第七章水闸）。浮）。浮）。浮）。浮托力按下游水位至底板

25、底面的高度计算。托力按下游水位至底板底面的高度计算。托力按下游水位至底板底面的高度计算。托力按下游水位至底板底面的高度计算。（3 3 3 3）两岸墩墙扬压力）两岸墩墙扬压力）两岸墩墙扬压力）两岸墩墙扬压力1 1 1 1）当墙后土）当墙后土）当墙后土）当墙后土 K K K K小于地基小于地基小于地基小于地基K K K K值时，可近似地采用底板上值时，可近似地采用底板上值时，可近似地采用底板上值时，可近似地采用底板上 渗透压力分布图形；渗透压力分布图形；渗透压力分布图形；渗透压力分布图形；2 2 2 2）当墙后土）当墙后土）当墙后土）当墙后土 K K K K大于地基时，应按侧向渗流计算确定。大于地

26、基时，应按侧向渗流计算确定。大于地基时，应按侧向渗流计算确定。大于地基时，应按侧向渗流计算确定。uu水闸扬压力分项系数，浮托力采用水闸扬压力分项系数，浮托力采用1.01.0，渗透压力采用渗透压力采用1.21.2。水闸扬压力分布示意图水闸扬压力分布示意图水闸扬压力分布示意图水闸扬压力分布示意图四、土压力及淤沙压力四、土压力及淤沙压力1 1挡土建筑物的土压力挡土建筑物的土压力（1 1）静止土压力）静止土压力 当墙后填土水平，墙背铅直时当墙后填土水平，墙背铅直时(图图2-7a)2-7a)，作用在墙，作用在墙背的静止土压力标准值可按下式计算：背的静止土压力标准值可按下式计算：l l (2-11)(2-

27、11)式中式中：F Fokok 静止土压力标准值（静止土压力标准值（KN/mKN/m），作用于距墙），作用于距墙底处，水平指底处，水平指 向墙背。向墙背。挡土墙后填土的重度（挡土墙后填土的重度（KN/m3KN/m3）；）；H H 挡土墙高度挡土墙高度(m)(m)；KoKo 静止土压力系数，当墙后为正常固结粘土时静止土压力系数，当墙后为正常固结粘土时KoKo=1-=1-sinsin;墙后填土的有效内摩擦（墙后填土的有效内摩擦（）（2 2）主动土压力计算）主动土压力计算 挡土墙后土压力强度在垂直方向为三角形分布（墙后填土平齐、无荷载）。作用于单位长度挡土墙背上的主动土压力标准值可按式（2-11）计

28、算：l (2-12)式中:Fak主动土压力标准值（KN/m)作用点、方向见图2-7(b)；Ka主动土压力系数，可按土力学及有关规范计算。图图图图2-72-72淤沙压力水库、水闸多年运行后，库区泥沙淤积。其合力标水库、水闸多年运行后，库区泥沙淤积。其合力标水库、水闸多年运行后，库区泥沙淤积。其合力标水库、水闸多年运行后，库区泥沙淤积。其合力标 准值可按下式计算：准值可按下式计算：准值可按下式计算：准值可按下式计算：（2-14）式中：式中：式中：式中：P Psksk淤沙压力标准值淤沙压力标准值 （KN/mKN/m）sbsb淤沙的浮重度淤沙的浮重度 （KN/m3KN/m3）HsHs挡水建筑物前泥沙的

29、淤积高度挡水建筑物前泥沙的淤积高度 （mm）ss淤沙的内摩擦角（淤沙的内摩擦角（）l l淤沙高度，根据河流水文泥沙特性计算确定淤沙高度，根据河流水文泥沙特性计算确定l l 淤沙压力的作用分项系数应采用淤沙压力的作用分项系数应采用1.21.2。3 3上埋式埋管压力上埋式埋管压力对坝下埋管或倒虹吸管（图），埋于土中时，作用其对坝下埋管或倒虹吸管（图），埋于土中时，作用其对坝下埋管或倒虹吸管（图），埋于土中时，作用其对坝下埋管或倒虹吸管（图），埋于土中时，作用其单位长度上合力标准值：单位长度上合力标准值：单位长度上合力标准值：单位长度上合力标准值：n n垂直压力：垂直压力：n n水平压力水平压力式中参数见图式中参数见图式中参数见图式中参数见图2-82-82-82-8、2-92-92-92-9。其中：其中：其中：其中：K K K Ks s s s为垂直土压力系数可查图为垂直土压力系数可查图为垂直土压力系数可查图为垂直土压力系数可查图2-92-92-92-9 K K K Kt t t t为侧向土压力系数可用下式计算：为侧向土压力系数可用下式计算：为侧向土压力系数可用下式计算：为侧向土压力系数可用下式计算：土的内摩擦角（表土的内摩擦角（表土的内摩擦角（表土的内摩擦角（表2-22-22-22-2）。）。）。）。埋管上的土压力计算图埋管上的土压力计算图