水工建筑物上的荷载及

2006年5月浙江水利水电专科学校水利工程系第二章水工建筑物上的荷载及荷载效应组合浙江水利水电专科学校水利工程系第一节水工建筑物上的荷载及计算一、建筑物及永久设备自重1．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乘积，方向垂直向下。即：W=Vγc（2-1）式中：W—建筑物自重（KN）V—建筑物的体积(m3）γc—建筑物的材料重度（KN/m3）一般混凝土取23.5-24kN/m3，钢筋混凝土取24.5-25kN/m3，浆砌石取21.5~23kN/m3浙江水利水电专科学校水利工程系2．永久设备自重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。自重的作用分项系数为：大体积混凝土、土石坝取1.0；对普通水工混凝土、金属结构（设备）取1.05，当自重对结构有利时取0.95。地下工程的混凝土衬砌取1.1，其对结构有利时取0.9。浙江水利水电专科学校水利工程系水工建筑物上的一般荷载浙江水利水电专科学校水利工程系二、水压力1．静水压力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。（1）作用在坝、闸等结构面上的水压力：作用在坝闸渡槽等建筑物表面的水压力，可分解为水平PH和垂直PV两部分。PH=（2-2）PV=（2-3）式中：——水的重度，一般取9.8（KN/m3）;H—计算点以上的水深，(m)；V—结构表面以上水的体积（m3）221HwwwV浙江水利水电专科学校水利工程系静水压力分布图浙江水利水电专科学校水利工程系（2）管道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。计算时,将其分均匀、非均匀内水压力。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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。（2-4）（2-5）式中：γw—水的重度（KN/m3）；ri—管道或隧洞的内半径（m）；θ—自管顶算起的圆心角（°）；h—管道内壁顶点至计算静水位的高度（m）。hpwwr')cos1(''iwwrrp浙江水利水电专科学校水利工程系nhttrr环向（切向）轴向衬砌在均匀内水压力作用示意图浙江水利水电专科学校水利工程系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。（2-6）式中：pek—作用于衬砌上的外水压强标准值（KN/m2）；βe—外水压力折减系数，可按表2-1采用；He—作用水头(m)，按设计采用的地下水位线与隧洞中心线的高差确定。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。非均匀外水压力的合力垂直向上，大小等于单位洞长排开水体的重量。eeekHp浙江水利水电专科学校水利工程系级别地下水活动状态地下水对围岩稳定影响建议值1洞壁干燥或潮湿无影响0~0.22沿结构面有渗水或滴水风化结构面充填物，降低结构面抗剪强度，对软弱岩有软化作用0.1~0.43沿裂隙面有大量滴水或线状流水液化软弱结构面中充填物质，降低抗剪强度，对中硬岩体有软化作用0.25~0.64严重滴水沿软弱结构面有小量涌水冲刷充填物质，加速岩体风化，使其膨胀崩解，产生机械管涌。有渗透压力。0.4~0.85严重股状流水断层有大量涌水冲刷充填物质，分离岩体，能鼓开一定厚度的断层等软弱带，能导致围岩塌方0.65~1.0表2-1外水荷载折减系数值βe选用表浙江水利水电专科学校水利工程系2．动水压力水体在流动时，对建筑物表面产生动水压力（1）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下式计算。（2-9）（2-10）式中：q—相应反弧段上的单宽流量(m3/s.m)；ρw—水的密度；v—反弧段最低处的断面平均流速(m/s)；)cos(cos12VqPxr)sin(sin12VqPyr浙江水利水电专科学校水利工程系R—反弧半径(m)；Φ1、Φ2—如图2-4所示，分别为反弧段圆心竖线左、右的中心角，取其绝对值。作用在反弧段上的动水压力的作用分项系数为1.1。浙江水利水电专科学校水利工程系三、扬压力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。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。扬压力分布与上下游水位、防渗排水措施有关。1．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：（1）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H1，下游边缘处为H2，其间用直线连接。如图2-5(f)所示。浙江水利水电专科学校水利工程系扬压力1、坝底扬压力形成原因：①上下游水位差；②砼、岩石都是透水材料。由于基岩节理裂隙很不规则，难以求出坝底扬压力的准确分布，故通常加定扬压力从坝踵到坝趾成直线变化。α为扬压力折减系数与岩体的性质和构造，帷幕深度和厚度，灌浆的质量，排水孔的直径、间距、深度等有关。规范规定：河床坝段α=0.2～0.3;岸坡坝段α=0.3～0.42、坝身扬压力坝身排水管折减系数α3=0.15～0.3浙江水利水电专科学校水利工程系浙江水利水电专科学校水利工程系浙江水利水电专科学校水利工程系浙江水利水电专科学校水利工程系（2）当坝基上游设防渗帷幕和排水孔时，上游处的扬压力作用水头为H1，排水孔中心线处为H2+α（H1-H2），下游（坝趾）处为H2，其间各段以直线连接。如图2-4(a,b,c,d)所示。（3）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，坝基面上游处的扬压力作用水头为H1，主副排水孔中心处的扬压力作用水头分别为α1H1和α2H2，下游处为H2，其间各段依次以直线连接。如图2-4(e)所示。浙江水利水电专科学校水利工程系渗透压力强度系数α，对宽缝重力坝、大头坝河床段α取0.2，岸坡段为0.3；对实体重力坝拱坝等,河床段取0.25，岸坡段取0.35;扬压力强度系数α2取0.15-0.2；残余扬压力系数α2与排水强度有关，一般情况下均取0.5。坝体内部渗透压力和浮托力:不设排水管时，其上游处为H1‘，下游为H2‘，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α3H2’。浙江水利水电专科学校水利工程系浙江水利水电专科学校水利工程系坝体内部扬压力系数α3，对实体重力坝、拱坝取0.2，宽缝坝、大头坝取0.15~0.2。坝底面和坝体内扬压力分项系数系数：①浮托力的作用分项系数均采用1.0；②渗透压力的作用分项系数，对实体重力坝采用1.2；宽缝重力坝、大头坝、空腹重力坝及拱坝采用1.1；③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1.1，主排水孔之后残余扬压力的作用分项系数采用1.2。浙江水利水电专科学校水利工程系2．水闸扬压力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。（1）岩基闸底板上的扬压力底面上的扬压力分布图形，可按实体重力坝确定。（2）软基上水闸底板扬压力分布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K等分析确定。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，（详见第七章水闸）。浮托力按下游水位至底板底面的高度计算。（3）两岸墩墙扬压力1）当墙后土K小于地基K值时，可近似地采用底板上渗透压力分布图形；2）当墙后土K大于地基时，应按侧向渗流计算确定。水闸扬压力分项系数，浮托力采用1.0，渗透压力采用1.2。浙江水利水电专科学校水利工程系水闸扬压力分布示意图浙江水利水电专科学校水利工程系四、土压力及淤沙压力1．挡土建筑物的土压力（1）静止土压力当墙后填土水平，墙背铅直时(图2-7a)，作用在墙背的静止土压力标准值可按下式计算：(2-11)式中：Fok—静止土压力标准值（KN/m），作用于距墙底处，水平指向墙背。γ—挡土墙后填土的重度（KN/m3）；H—挡土墙高度(m)；Ko—静止土压力系数，当墙后为正常固结粘土时Ko=1-sinφ’;φ‘—墙后填土的有效内摩擦（°）ookKHF221浙江水利水电专科学校水利工程系（2）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）计算：(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。aakkHF221浙江水利水电专科学校水利工程系图2-7浙江水利水电专科学校水利工程系2．淤沙压力水库、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：（2-14）式中：Psk—淤沙压力标准值（KN/m）γsb—淤沙的浮重度（KN/m3）Hs—挡水建筑物前泥沙的淤积高度（m）φs—淤沙的内摩擦角（°）淤沙高度，根据河流水文泥沙特性计算确定淤沙压力的作用分项系数应采用1.2。)245(2122sssbsktghP浙江水利水电专科学校水利工程系3．上埋式埋管压力对坝下埋管或倒虹吸管（图），埋于土中时，作用其单位长度上合力标准值：垂直压力：水平压力式中参数见图2-8、2-9。其中：Ks为垂直土压力系数可查图2-9Kt为侧向土压力系数可用下式计算：Φ土的内摩擦角（表2-2）。1DHKFdsskdottkDHKF)245(2tgKt浙江水利水电专科学校水利工程系埋管上的土压力计算图浙江水利水电专科学校水利工程系浙江水利水电专科学校水利工程系浙江水利水电专科学校水利工程系浙江水利水电专科学校水利工程系浙江水利水电专科学校水利工程系浙江水利水电专科学校水利工程系