水利水电工程抗震设计规范

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水利水电工程抗震设计规范范文第1篇

关键词： 颗粒分析、工程应用、试验方法 、标准

颗粒分析试验是测定干土中各种粒组所占该土总质量占百分数的方法，确定颗粒组分，供土的分类及概略判定土的工程性质及选料之用，是地质勘察中的一项基础性的工作，工作程序相对简单，工作成果实用而有效，在工程实践中参与度很高，体现到工程中的方方面面，下面从十四个方面对其重要性进行阐述。

一）颗粒分析的试验方法

依据土体的颗粒组成不同，在颗粒分析中采用的方法不同，可分为：筛析法（>0.075mm的土）、密度计法（

二）土体岩性定名

依据土体的粒径组成，当粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量的50%的土，定名为碎石土；粒径大于2mm 的颗粒质量不超过总质量的50%，粒径大于0.075mm 的颗粒质量超过总质量50%的土，应定名为砂土；粒径大于0.075mm 的颗粒质量不超过总质量的50%，且塑性指数等于或小于10 的土，应定名为粉土；结合液塑限的成果可能定名粘性土：当塑性指数（Ip）介于10（不含）～17（含）的土定名为粉质粘土，Ip大于17的定名为粘土。

此外除按颗粒级配和塑性指数定名外，土的综合定名还应有相关的规定。

三）多年冻土

多年冻土是一种特殊性土，在高寒地区普遍存在，是不可回避的一个问题。

土体的颗粒组成不同，岩性不同，冻土的分类、冻胀和融沉分级也不同，总含水量不同，其平均融沉系数、融沉等级、融沉类别不同，最终确定的冻土类型也不同，其物理力学性质的表现也不同，对不同专业的勘察要求也各有侧重，对其上的不同各类的建筑物也应根据行业特点区别对待。

四）冻胀性评价

水利水电工程勘察中

工民建勘察中岩性为碎（卵）石、砾、粗、中砂（

粒径小于0.005mm的颗粒含量大于60%时为不冻胀；碎石类土当充填物大于总质量的40%时，冻胀性按充填物土的类别进行判定；碎石土、砾砂、粗砂、中砂（

五）原位测试仪器的选择

有些原位测试仪器在适用上条件宽松，只要地点合适，各种土层均可进行；有些仪器适用条件比较苛刻，有的适用于粗粒土而不适用于细粒土，如动探触探试验；有的适用于细粒土而不适用于粗粒土，如标准贯入试验等，特别是十字板剪切试验、静力触探试验、螺旋板载荷试验在地下水位高，土层饱水的细粒土层中更能发挥其独特的作用。

六）土的腐蚀性评价

由于粗粒土的具大孔隙性、强透水性强，毛细水上升高度小，不利于盐份的富集，一般腐蚀性较小，在工民建的勘察中在有经验的地区，一般不取样分析评价，认为其腐蚀性微；细粒土恰恰相反应取样分析评价。

七）天然密度测定

粗粒土的天然密度采用灌水法或灌砂法；细粒土的测定采用环刀法。

八）土体状态的确定标准

碎石土的密实度采用重型动力触探试验确定其状态为松散、稍密、中密、密实等；砂土的密实度采用标准贯入试验确定其状态为松散、稍密、中密、密实等；粘性土的状态采用液性指数确定为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑等。

九）土的类型划分和剪切波速范围

土体的类型和土体的剪切波速在没有进行波速测试时，可通过土体的颗粒分析，确定其定名，在建筑物等级为丙类、丁类时可采用规范推荐的数据进行确定，进而确定场地土类型和场地类别，为设计提供地质依据。

十）地基土抗震承载力调整系数

依据不同的岩性，在进行建筑物设计时，在进行非状工况计算时，需按照岩土名称和性状确定地基土体的抗震承载力调整系数。

十一）地震液化评价

地震液化的评价决定地震发生时建筑物的安全，其危害性和破坏性也是最大的，应当在工程勘察和设计中引起高度重视，在从国家标准和行业标准两个方面进行表述。

（一）国标《建筑抗震设计规范》（GB50011―2010）的判定方法

饱和的砂土或粉土（不含黄土），在初判时可依据土体中粘粒含量和地震设防烈度判定是否有液化的可能，对可能发生液化的土体依据标准贯入锤击数和颗粒组成计算临界锤击数，通过与实际锤击数的比较判定其注化的可能性，并可进一步计算钻孔的液化指数，划分地基的液化等级，并采取对应的抗液化处理。

（二）《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）判定方法

1）土的液化判定工作可分初判和复判两个阶段。在初判中需通过土体级配曲线确定大于5mm、小于0.005mm的粒径组含量，再结合地震设防烈度判定其液化的可能性；在复判中也需要确定土体的粘粒含量，依据相关公式计算其临界值，再做出最终的判定。

十二）渗透变形判定（多用于水利水电专业）

土的渗透变形特征应根据土的颗粒组成、密度和结构状态等因素综合分析确定，宜分为流土、管涌、接触冲刷、接触流失四种。其中的不均匀系数、粗细颗粒的区分粒径、接触冲刷中的D10、d10、接触流失中：不均匀系数介于0～5（含）时的D15、d85，不均匀介于0～10（含）时的D20、d70、临界水力比降的确定都是依据土体的级配曲线。

十三）土体渗透系数的粗略估算

在《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）中依据土体的级配曲线提供了一个近似计算土体渗透系数的公式： ，这个公式表明土体的渗透性是其固有的性质，主要是由土体的内部结构决定的（此方法在新版的规范中已删除，但可作参考）。

十四）天然建筑材料

在《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》第二章“术语、符号”中，提出24个术语，多数都是与土体的颗粒分析有关的，在天然建筑材料，更显出颗粒分析的份量了。

在本规范中按砂砾料、土料、碎（砾）石类土料、槽孔固壁土料、块石料五大类；不同类型的料的取样要求不一样（数量、规格等），取样数量不一样、取样重量不一样，试验项目也不一样，在记录上要求所记的内容也不一样，评价的内容和方法也不一样。

参考文献

1）《岩土工程勘察规范》

2）《建筑地基基础设计规范》

3）《土工试验方法标准》

4）《建筑抗震设计规范》

5）《水利水电工程地质勘察规范》

6）《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》

水利水电工程抗震设计规范范文第2篇

关键词:混凝土重力坝;反应谱;Ansys软件分析;有限元;应力叠加

中图分类号:TV641文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)03-0030-03

随着计算机的飞速发展和广泛应用以及有限元理论的日益完善,ANSYS等大型通用有限元分析软件被日益广泛地应用到水利水电工程结构设计中。ANSYS软件作为一个大型通用有限元分析软件,可以对结构在各种外荷载条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析。

根据《水工建筑物抗震设计规范》 (DL5073-2000) ,设计烈度为7、8、9度的1、2、3级的混凝土重力坝需要进行抗震设计。

云南省水利资源丰富,是水利大省,同时,也是地震多发区,很多电站的坝址区设计地震烈度≥7度,因而在水利工程设计中,抗震设计是不可忽视的部分。

一、结构的地震作用效应的计算方法

目前结构抗震设计规范所提到的结构的地震作用效应的计算方法有动力法和拟静力法两类。其中动力计算方法又包括:底部剪力法、振型分解反应谱法及时程动力分析法。

时程动力分析法是将表示地面加速度的地震波a0(t)直接输入结构的动力方程,求解结构振动时的位移x(t)。时程动力分析法在理论上比较精确,但也比较复杂。特别是目前结构抗震设计规范未对时程动力分析法所得结果的处理以及设计标准做详细规定。

振型分解反应谱法及底部剪力法都是动力法中的反应谱法,即按标准反应谱、考虑地震时的地面加速度a0(t)所引起的结构自身的加速度动力反应,并以作用在结构上的地震惯性力来表示,把动力问题转化为静力问题处理。振型分解反应谱法是综合考虑了结构在不同振型时的地震反应,而底部剪力法则只考虑结构的第一振型(基本振型)时的反应,是一种简化计算方法。

拟静力法是将结构的重力作用、设计地震加速度与重力加速度的比值、给定的动态分布系数三者乘积作为设计地震力的静力分析方法。在确定地震作用后,将其作为静力荷载施加于建筑结构,与静力荷载作用的情况一样进行结构分析。

根据《水工建筑物抗震设计规范》 (DL5073-2000) ,工程抗震设防类别为甲类(场地基本烈度≥6度的1类壅水建筑物)时,地震作用效应的计算需采用动力法。目前采用振型分解反应谱法进行水工建筑物抗震设计相对简单易行,是采用最多的动力计算方法。

二、振型分解反应谱法

根据结构动力学的基本求解理论可得多自由度体系的弹性动力方程为:

(1)

对于无阻尼外荷载的自由振动问题,阻尼项和外力均为0,于是,动力方程改为:

(2)

由于弹性体的自由振动总可以分解为一系列的简谐振动的叠加,为了确定弹性体的自由振动的固有频率及相应的振型,可以考虑如下的简谐振动的解:

(3)

其中{g}是位移{x(t)}的振幅列向量,它与时间t无关,?棕是固有频率,将公式(3)代入公式(2)可得:

(4)

于是,要找如公式(4)的简谐振动就要转为?棕2和非零向量{g},使其满足公式(2)。这就是广义特征值问题。求得的?棕就是振动的固有频率,{g}就是给出的相应的振型。

三、振型分解反应谱法在的ANSYS中的实现

根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000),除了窄河谷中的土石坝和横缝经过灌浆的重力坝外,重力坝、水闸、土石坝均可取单位宽度或单个坝(闸)段进行抗震计算。本文以某混凝土重力坝非溢流坝段典型剖面为例,介绍混凝土重力坝振型分解反应谱平面有限元计算过程。本工程基本设计烈度为8度,设计地震加速度为0.2g(重力加速度g=9.81m/s2)。

(一)模型及边界条件

在ANSYS软件中,采用振型分解反应谱法进行结构的地震计算时,所有材料的非线性特性均失效,因而对于平面分析,可采用Plan42单元进行计算;另外,除材料自重外,所有外加荷载均不参与计算,因而,计算模型不施加外荷载。

材料参数:采用线弹性模型,需要输入坝体混凝土及基岩的容重和弹性模量,在此,坝体混凝土的动态弹性模量采用静态弹性模量的1.3倍,而基岩的动态弹性模量与静态弹性模量相同。

计算范围:取坝体上、下游以及底面基岩均取约1.5倍坝高进行计算,基岩仅考虑弹性,因而采用无质量单元。

边界约束条件:基岩上下游边界和底部边界均施加法向约束。

单元类型:坝体采用平面四节点单元(plane42),考虑坝体纵缝不进行灌浆,坝体按平面应力问题进行计算,基岩按平面应变问题进行计算;考虑坝体上游面的动水压力,采用单质点质量单元(mass21)。

(二)模态分析

根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000),一般情况下,水工建筑物可只考虑水平向地震作用,设计烈度为8、9度的1、2级重力坝等壅水建筑物应同时计入水平向和竖向地震作用。当同时计算水平向和竖向地震作用效应时,总的地震作用效应也可将竖向地震作用效益乘以0.5的遇合系数后与水平向地震作用效应直接相加。

1.各阶振型和频率计算。采用ANSYS计算软件中的模态分析选项:antype,modal。用子空间法提取前10节模态:modopt,subsp,10。求解后用ansys后处理模块post1即可得出前十阶振型和频率。

考虑水平向地震时,地震加速度采用设计地震加速度ah,用考虑上游面动水压力的计算模型(满库模型)进行模态分析,提取前十阶振型和各阶频率。

考虑竖向地震时,地震加速度采用设计地震加速度的2/3,即av=2an/3,用不考虑上游面动水压力的计算模型(空库模型)进行模态分析,提取前十阶振型和各阶频率。

2.反应谱谱值计算。《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000)给出的设计反应谱见图1:

其中,对于混凝土重力坝,?茁max=2.0,一类场地Tg=0.2s。

由上节所述反应谱计算所得各阶振型求出前十阶周期,查设计反应谱,得出各阶反应谱值,作为下一阶段反应谱分析的输入数据。

本算例典型坝段各阶自振频率和反应谱值见表1:

(三)反应谱分析及模态扩展

分别将水平地震作用和竖向地震作用下模态分析得出的坝体各阶频率和反应谱谱值输入,进行反应谱分析,并进行10阶模态扩展,得出各阶反应谱分析结果。

设置分析类型为反应谱分析:antype,spectr。

设置地震作用方向:sed,x,y,z;其中x,y,z为分析开关,考虑该方向的地震作用时设置为1,不考虑该方向地震作用时设置为0。

输入各阶频率:Freq,f1,f2,……,f9;Freq,f10;其中f1～f10为坝体第1～第10阶频率。

输入各阶频率所对应的反应谱谱值:Sv,0.05,d1,d2,……,d9;Sv,0.05,d10,其中d1～d10为坝体第1～第10阶反应谱谱值。

进行模态扩展:expass,on;mxpand,10,yes,0.005

(四)合并模态

对各阶模态响应进行平方根组合,得到反应谱分析结果。将竖向地震作用的反应谱分析结果乘以0.5,并与水平地震作用叠加,得坝体动力分析结果。

用平方根法合并模态:srss,0.05,disp。

求解后读取模态合并结果文件file.mcom。即可得水平向或竖向的反应谱分析结果,又post1后处理模块可得出坝体各节点应力状态及位移状态。

四、计算结果的处理

由于任何水工结构都不可能仅受地震荷载作用,要完整考虑坝体的受力状态,通常考虑正常运行工况与地震工况的组合。由于振型分解反应谱法计算所得结果仅为坝体内某点在相应地震烈度的作用下的最大可能应力及位移,不计应力和位移的方向,因而需考虑动、静应力及位移的叠加。本文介绍了目前常用的最不利组合原则和全拉全压原则两种目前最常用的原则。

(一)最不利组合原则

按最不利组合原则组合静态反应和动态反应得到综合反应。

综合位移组合原则为:对于坝体同一结点,如果x轴方向(y轴方向和z轴方向相同)静态位移为正值时,就把x轴方向动态位移作为正值与静态位移进行叠加;如果x轴方向(y轴方向和z轴方向相同)静态位移为负值,就把x轴方向动态位移作为负值与静态位移进行叠加。静动态荷载作用下的综合位移,按照此原则进行组合最为不利。

综合应力组合原则为:对于坝体同一结点,如果静态某一应力分量为负时,该部位的动态相应应力分量数值小于其静态应力分量的绝对值时,把动态相应应力分量作为负值与静态应力分量进行叠加;其他条件下(包括静态某一应力分量为负时,该部位的动态相应应力分量数值大于其静态应力分量的绝对值和静态应力分量为正时两种情况)把动态应力分量作为正值与相应静态应力分量进行叠加。静、动态荷载作用下的综合应力按照上述原则进行组合对坝体的抗拉和抗压强队安全最为不利,在此称应力组合原则为“强度最不利应力叠加原则”。

最不利组合原则考虑了位移和强度在不同情况下使用不同的组合原则,理论上比较科学。但采用此方法需对结构每个节点的各方向应力及各方向位移一一进行判断,分别计算,计算较为复杂。

(二)全拉全压原则

全拉全压原则先将所用应力均看作是正值(拉)与静力状态下各节点的应力进行迭加,得出静+动的计算结果,然后将所有应力均看作是负值(压),与静力状态下的各结点应力进行迭加,得出静-动的计算结果,将两套迭加成果均列出来进行分析比较。同样,位移也采用同样的方法进行处理。

全拉全压原则计算时只需将反应谱计算结果与静力状态计算结果直接计算较为简便。

图2为由全拉全压法求得的坝体竖向位移等值线图,图3为坝体第一主应力等值线图。

五、结语

由于地震作用的复杂性和不可预见性,地震高烈度区混凝土重力坝的抗震设计、计算方法仍在实践中不断发展。作为设计人员,往往希望采用相对简单易行、计算成果可以指导设计的计算方法。本文简要介绍了混凝土重力坝抗震动力分析中最常用的动力计算方法――振型分解反应谱法的分析过程,并以某混凝土重力坝典型非溢流坝段为例,介绍了该计算方法在大型有限元软件ANSYS中的应用,介绍了计算结果的两种常用处理方法,对一般大、中型混凝土重力坝进行快速抗震分析有一定的参考价值。

参考文献

[1]中华人民共和国电力行业标准.水工建筑物抗震设计规范(DL 5073-2000)[S].北京:水利水电出版社,2000.

[2]周氐,张定国,钮新强.水工混凝土结构设计手册[S].北京:中国水利水电出版社,1999.

水利水电工程抗震设计规范范文第3篇

关键词：水工建筑；抗震设计规范；抗震设计措施

一些大型水工建筑尤其是高坝在设计建设过程中，非常重视抗震设计。如举世闻名的三峡大坝，在设计过程中依据抗震设计规范，采用了非常多的抗震设计，从而保证了其能够充分应对可能遭遇的强烈地震（否则一旦大坝被震塌，长江下游数亿百姓尽成鱼鳖，后果不堪设想）。因此，在各类水工建筑建设时，必须充分探究抗震设计规范，应用抗震设计方案。

1.水工建筑抗震设计规范与要求

1.1.水工建筑建设前应详细调查施工区的地层结构

根据地理学知识，在两个大陆板块的碰撞地带或者岩层的不稳定地带，是地震的多发区。如日本就处于亚欧板块和太平洋板块的交界处，就属于地震带，其每年发生的有感地震多达1500次以上。因此，在规划建设水工建筑时，务必要首先研究施工地带的岩层结构。首先，要确定该地带是否处在板块的交界处或者附近区域，若是，则应考虑另选新的建设基地；其次，要推算施工地区地壳岩层的形成年龄，一般新生的地壳岩层不稳定，容易引发地震，而岩层年龄很古老的地壳岩层则比较稳定，一般不会发生强烈地震。因此，在施工设计之前，可以利用一些探测仪器分析地层结构，掌握必要的资料数据，为水工建筑的全面抗震设计打下基础。

1.2.对施工区的地形地貌做好调查研究工作

在2008年汶川五一二特大地震中，研究发现很多水工建筑如桥梁、小型水库等并未在地震中被破坏，而是毁于地震引发的次生灾害中。例如，强烈的地震会引发山体滑坡或者泥石流，其对水工建筑的破坏性并不弱于地震。因此，在水工建筑抗震设计规范中，对施工区地形地貌的调查研究工作做出了非常明确的规定。首先，是调查水工建筑施工区山体的稳定性。山体稳定性的大小直接与发生山体滑坡的概率相关，一般情况下，山坡较陡峭、碎岩山体容易发生山体滑坡。同时，还要研究施工区的地形地貌，是否会在地震中形成堰塞湖或者泥石流。在收集这些数据的基础上，进行综合分析，设计出能够预防和抵抗这类次生灾害的十二级方案。特别注意的一点是，在大坝等水工建筑选址时，并不能仅仅根据这些数据确定施工地址（例如平原地带地壳一般比较稳定，但根本不能建设水坝），因此必须将抗震设计具体到水工建筑自身上。

1.3.水工建筑抗震设计须满足“小震不坏，大震不到”

“小震不坏，大震不到”是水工建筑抗震设计规范中非常明确的要求。所谓“小震不坏”，是说水工建筑在遭遇到小烈度的地震时，其内部结构和形态不发生或者仅仅发生很小的变化（如内部结构并不发生断裂、裂缝、松动等较严重的破坏情况，或者仅仅发生外部附属结构的小范围剥落），且这种变化并不会构成正常使用威胁。而所谓的“大震不倒”，顾名思义，是指水工建筑（特别是大型水工建筑如大坝、水库等）在遭遇大烈度的地震并被次生灾害冲击中，虽然整体结构遭到严重破坏，但却不会完全崩溃而引发大规模洪灾。这两个水工建筑抗震设计规范提出的明确要求意义是非常重大的，它的落实不仅保障了水工建筑的施工质量，还在很大程度上阻止了地震灾害进一步扩大的可能性。

2.基于水工建筑抗震设计规范的具体抗震设计措施探讨

2.1.科学地选择水工建筑的施工地址

水工建筑选址是非常重要的抗震对策。其原因就在于，由于地质结构的不同，在遭受相同烈度的地震冲击时，被破坏的程度也是不同的。例如相比较于松软的地面，坚硬地面耐受力就非常强，在这种地面上面建设水工建筑，就能实现比松软地面好得多的抗震能力。因此，选择施工地址时，应尽量避开地震时可能发生地基失效的松软场地，选择坚硬场地。基岩、坚实的碎石类地基、硬粘土地基是理想的桥址场地；饱和松散粉细砂、人工填土和极软的粘土地基或不稳定的坡地都是危险地区。同时还应应尽量避免跨越断层，特殊困难情况下应进行地震安全性评价。另外需要注意的一点是，选址是还应尽量避免距离高山、陡坡较近的区域，以免被次生灾害（山体滑坡）破坏。同时，在施工之前还要进行详细的地质勘探，以防将水工建筑选建在了地壳断层上。

2.2.地基抗震设计措施

地基是水工建筑的“脚”，若想在地震中“站得稳”，地基必须“扎得深”。在地震多发带（包括其他地区）的大型水工建筑为了提高抵抗地震的能力，一般采用深基坑施工方法，以增强建筑结构的抗扭曲能力。同时，地基一般由钢筋混凝土整体浇筑的桩基础施工而成，其中钢筋选择高强度的抗扭曲筋，以加强基础的整体性和刚度，同时采取减轻上部荷载等相应措施，以防止地震引起动态和永久的不均匀变形。而在地基基础与上层建筑的接触位置，为了防止地震中产生相对滑动或者断裂，应采用嵌入式设计。在地基施工完毕后，还要进行强度检测，特别是对混凝土强度的试验检测，必须严格，保证地基整体的浇筑质量。

2.3.水工建筑建筑外形的选择和结构布置的抗震设计措施

在地震带建设水工建筑时，科学的选择建筑构型和结构布置是非常重要的抗震策略。就以水工建筑建设中占据重要地位的桥梁来说，桥型决定了桥梁的力学结构，而桥孔作为构型的一部分，其位置布置会在很大程度上影响桥梁的抗震性能。因此，在桥型选择时要做到因地制宜，且梁应结合地形、地质条件、工程规模及震害经验，选择合理的桥型及墩台、基础型式。宜尽可能采用技术先进、经济合理、便于修复加固的结构体系。可以考虑采用减震的新结构，比如型钢混凝土结构等。而在桥孔布置时，应兼顾防震能力与通过能力，且以防震能力为主。一般来说，在地震多阀带普遍采用等跨桥孔布置法，两侧桥孔对称，中间不留孔，同时采用低矮桥墩的设计。而且，桥体整体设计在满足通过能力的基础上，尽量减轻重量，减少没有必要的附属结构，以简洁设计为主。同样，在其它水工建筑设计时，也要遵循“以稳为主，兼顾简洁”的设计原则，尽量提高水工建筑的抗震性能。

2.4.防地震次生灾害的涉及措施

在很多情况下，水工建筑不得不“依山傍水”，建设在高山峡谷地区。因此，在防止地震造成破坏的同时，预防次生灾害造成的破坏也非常重要。首先，是尽可能的增强水工建筑的结构强度，只有建筑体自身具备了“钢筋铁骨”，才不惧怕泥石流或者山体滑坡的冲击。因此，在水工建筑设计施工时，应注重钢筋混凝土的应用。同时，尽量选用整体砼建筑的施工方法，来加强整体建筑结构的强度。此外，在建筑结构之间的衔接处，如主梁和次梁的交接处，应采用加固措施，例如用钢筋网扎箍，并用水泥浇筑；其次，在水工建筑如桥梁的关键部位，应开辟出适当面积的缓冲地带，减小次生灾害的冲击力，以免超过水工建筑抵抗的极限；最后，在水工建筑的周围还应根据实际需求建立防护墙。且防护墙的高度应在两米左右，采用锥型设计方案，最大程度地吸收滑坡或者泥石流的冲击力，保护水工建筑的安全。

3.结束语

水工建筑抗震设计必须严格按照设计规范进行。而且，在设计方案的施工落实过程中，还应当加强施工管理，保证施工质量。同时，在工程验收时必须做好抗震设计的综合考核，保证工程施工品质。

参考文献：

[1] DL 5073-1997，水工建筑物抗震设计规范[S].

水利水电工程抗震设计规范范文第4篇

【关键词】：水闸安全鉴定论证；调查分析；安全评价；报告编制

水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头建筑物，多建于河道、渠系及水库、湖泊岸边。其主要作用是控制流量和调节水位，还可担负防止潮水倒灌以及汛期排泄洪（涝）水的功能。在工程实践中，水闸除单独使用外，还经常与其他水工建筑物组成水利枢纽，共同发挥作用。

由于水闸的应用十分广泛，我国已建成各类水闸5万多座，其中大型水闸480余座，中型水闸3280余座，小型水闸4.6万余座，数量为世界之最。水闸在防洪除涝、农业灌溉、拦潮蓄淡、火力发电、城乡供水、景观旅游、生态环境等方面发挥了巨大的作用，取得了显著的经济效益、社会效益和生态环境效益。

尽管如此，在已建水闸中，有的由于缺乏合理规划、设计标准低、施工质量差、设施不配套等原因而存在“先天不足”；有的经多年运行，在复杂的自然条件和外力作用下，其材料性能和受力状态不断变化，加上管理水平不高，维修养护不够，导致病害的发生、发展，功能下降；有的由于灾害因素，如地震、火灾、超标准洪水等，造成超载，使结构或构件造成损坏或损伤。

根据有关统计资料，我国有大型病险水闸248座，占大型水闸总数的51%；中型病险水闸1505座，占中型水闸总数的46%。估计小型水闸的病险率更高，病险水闸大量存在，病险工程的安全状况已成为政府和社会的心腹之患。

为保证水闸运行安全，规范地开展水闸安全鉴定工作，水利部颁布了水利行业标准《水闸安全鉴定规定》，根据该标准，水闸安全鉴定论证工作具备的基本程序为：工程现状调查分析、现场安全检测、工程复核计算、水闸安全评价、水闸安全鉴定工作总结等内容。从操作主体来看，工程现状的调查分析一般由水闸管理单位承担，现场安全检测和工程复核计算由委托的具备相应资质的检测单位和设计单位来进行。

（一）工程现状的调查分析

工程现状的调查分析一般从技术资料收集、工程现状全面检查和对工程存在的问题进行初步分析。技术资料的收集包括设计、施工和工程管理等方面，一是设计资料内容应涵盖以下内容：工程地质勘测和水工模型试验；工程的设计文件和图纸等。二是施工资料包括施工技术总结资料；工程资料监督检测或工程建设监理资料；观测设施的考证资料及施工期观测资料；工程竣工图和验收交接文件等。三是技术管理资料应包括技术管理的规章制度；控制运用技术文件及运行记录；历年的定期检查、特别检查和安全鉴定报告；工程资料成果；工程大修和重大工程事故处理措施等技术资料等。工程现状调查分析报告应包括下列内容：①是基本情况，如工程概况、设计施工情况、技术管理情况等。②是工程安全状态初步分析：应对水闸的土石方工程、混凝土结构、闸门等工程设施的安全状态和启闭机、电气设备等的完好程度以及观测设施的有效性等逐项详细描述，并对工程存在的问题和缺陷的产生的原因进行初步分析。③是提出合理建议。根据初步分析结果，提出需进行现场安全检测和工程复核计算的项目及对工程大修或加固的建议。工程现状全面检查应在已有的检查观测成果基础上进行，应特别注意检查工程的薄弱部位和隐蔽部位，如水闸底部工程部位和闸门及启闭机部位是工程常见的薄弱部位和隐蔽部位，在检查中发现这些问题和缺陷，要初步分析其成因和对工程安全运行存在的影响。

（二）现场安全检测

现场安全检测依据的标准、规程和规范有：《水闸安全鉴定规定》、《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》、《水工混凝土技术规程》、《钻芯法检测混凝土规程》及《水工混凝土结构设计规范》等。检测的内容包括混凝土的强度、碳化深度及钢筋保护层厚度等反应混凝土工程现状的质量指标进行检查；裂缝、缺损及渗漏等外观缺陷；伸缩缝及止水带的损坏及错位情况；钢筋的锈蚀程度；防渗、倒渗和消能防冲设施的有效性和完整性检查。检测后，应对检测结果进行分析，提出比较合理的建议并拿出较为合理的处理方案。

（三）工程复核计算

工程复核包括水闸防洪排涝标准复核和过水能力复核、水工结构安全复核、金属结构安全复核三部分。复核计算应以最新的规划数据、检查观测资料和安全检查观测资料和安全检测成果为主要依据，按照现行《水闸设计规范》及其它有关标准执行。

防洪排涝标准复核与过流能力复核

水闸现有防洪排涝标准应满足现行规范《防洪标准》非常运用洪水标准及现有标准堤塘防洪标准；最大过流量应能安全下泄；闸顶高程应满足规范要求。在进行以上复核的时候，应该研究近年的水文基本数据，若属无实测资料地区，应采用暴雨途径计算设计流量，按照小流域推理公式法和瞬时单位线法两种方法计算，并进行成果合理性分析取值；并对暴雨洪水特性及历史洪水进行分析，综合分析后看当时的设计标准是否能满足现在的需要。

水工结构安全复核

水工结构安全复核主要是复核闸室、岸墙、翼墙的整体稳定性、抗渗稳定性、消能防冲和结构强度等。复核应以新测定的物理力学参数如材料强度、地基土和填料土的容重等基本工程性质指标进行。一是闸室的复核。闸室稳定复核计算宜取两相邻顺水流方向永久缝隙之间的闸段作为计算单位。二是消能设施的复核。常用的消能设施有消力池、综合式消力池和消力池、消力墩、消力梁等辅助消能工，目前大部分水闸采用消力池。消能防冲复核主要复核消力池的深度、长度，消力池底板的厚度和海漫的长度等。三是抗震复核。根据《水工建筑物抗震设计规范》要求，抗震设防烈度为6度时，可不进行抗震复核。抗震稳定和结构强度验算是水闸抗震验算的主要形式。抗震验算的部位主要集中在闸室和两岸连接建筑物及其地基、各部位的结构构件。

（3）金属结构安全复核

金属结构存在于闸门上。由于闸门分类众多，因此在复核验算中要根据不同的闸门型式采用相应的计算公式。 钢闸门结构发生严重锈蚀而导致截面削弱的，应进行结构强度、刚度和稳定性验算。另外，闸门的零部件和埋件等发生严重锈蚀或磨损的，应按实际截面进行强度复核。

闸门的预埋件一般包括主轨、反轨、侧轨、止水座、底坎、门楣、护角、护面以及在弧形闸门中的支铰铰座、支承梁等。由于在闸门设计中，埋设件的计算主要是主轨构件，其它一般不作计算，因此，在水闸现场检查和安全检测中发现有主轨弯曲、突起、或者砼开裂、脱落的，应进行主轨强度复核。

此外，还有闸门零部件强度复核、启闭力预算等复核，在此不在详细赘述。

（四）水闸安全评价

水闸安全评价一般从防洪排涝安全评价、水工结构安全评价、金属结构安全评价三个方面进行评价：一是水工结构安全评价。根据工程相关成果按《水闸设计规范》及有关标准对水工结构各个项目进行评价，评定是否满足有关规程规范的要求。二是金属结构安全评价。按照《水利水电工程钢闸门设计规范》及《水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范》评价钢闸门是否满足规范要求。

根据以上安全评价，得出评定水闸的安全类别：一类闸是运用指标能达到设计标准，响正常运行的缺陷，按常规维修养护即可保证正常运行。二类闸是运用指标基本达到设计标准，工程存在一定损坏，经大修后，可达到正常运行。三类闸则是运用指标达不到设计标准，工程存在严重损坏，经除险加固后，才能达到正常运行。四类闸则是运用指标无法达到设计标准，工程存在严重安全问题，需降低标准运用或报废重建。

（五）水闸安全鉴定论证报告的编制

水闸安全鉴定论证报告的编制是对论证成果的文字性说明，报告的编写应按照规定的提纲进行编写，作为一项文字性说明，报告编写应追求文通字顺，文字简练，条理清楚，重点突出，材料翔实，客观公正，最后注意要反复修订、校对，以至最终结稿。

参考文献：

[1]宋力.第十二讲：水闸安全鉴定[J].技术中国水利,2010(12).

[2]徐金龙.太浦闸安全鉴定工作的程序和体会[J].水利建设与管理,2006(05).

[3]张亚春.佛山市顺德区龙田水闸安全评价[J].科技信息,2009(10).

水利水电工程抗震设计规范范文第5篇

关键词：顶管、沉井。

中图分类号：U443.13+1文献标识码： A

1工程概况

宿迁市七堡引水枢纽工程从骆马湖水库引水到西民便河和古黄河，设计引水流量为10m3/s；工程位于江苏省宿迁市宿豫区皂河镇七堡村；其主要功能是调水引流，改善水环境。枢纽由进水口渠道、倒虹吸枢纽、出口箱涵及明渠组成；本文主要介绍倒虹吸枢纽的顶管和沉井。骆马湖至古黄河采用顶管方式穿越中运河和古黄河（以下简称穿河顶管），古黄河至西民便河的陆地也采用顶管（以下简称陆地顶管），为了顶管的施工需要，倒虹吸枢纽沿线设置4座沉井。倒虹吸枢纽由1号沉井、穿河顶管、2号沉井、古黄河引水泵闸、陆地顶管、3号沉井、4号沉井组成。

2.2设计基本资料

2.2.1水文

（1）特征水位

骆马湖水库、西民便河、中运河、古黄河特征水位。特征水位值见表2.2-1。

表2.2-1特征水位表

2.2.2工程地质

2.2.2.1地形地貌

工程区位于徐淮黄泛平原区，地形开阔平坦，水系较为发育，工程场地地势起伏较大，顶管沿线地形呈中间高两头低的特征，地形大致可分为三段。顶管进口段（靠近古黄河）长度约280m，地面高程为24.80～26.50m；顶管中间段长度约2241m，地面高程在26.50～29.00m之间，绝大部分高程在28.00m左右；顶管出口段（靠近西民便河）长度约260m，地面高程在23.00～25.50m，两岸民房比较集中。沿线多为农田，南端有民宅。

2.2.2.2地层岩性

工程区第四系地层广泛分布，厚度较大，根据区域地质资料，本区第四系覆盖层厚度大于80m，就勘探深度范围内所揭示的土层按其成因类型及土的性状自上而下可分为九层，现分层描述如下：

①层：填土。岸上钻孔中该层为以壤土或砂壤土为主的素填土，表层含植物根须；水中钻孔该层为淤泥。

②层：重粉质砂壤土或粉砂（局部粘性大或夹流塑或软塑状壤土），暗黄色或灰色，中密状（局部稍密状），湿，无光泽，干强度低、韧性低，摇振反应迅速。

②-1层：重粉质壤土。黄色、暗黄色或灰色，软塑-可塑状，含铁质粉末，稍有光泽，干强度及韧性中－低，无摇振反应。

③层：重粉质壤土。暗黄色或灰色，软塑－可塑状，稍有光泽，干强度及韧性中－低，无摇振反应。含腐植物。

④层：重粉质砂壤土夹粉砂：暗黄色或灰色，中密－密实状，湿，无光泽，干强度低、韧性低，摇振反应迅速。

⑤层：粉质粘土或壤土（局部夹砂粒）。灰色或暗黄色，可塑状，有光泽，干强度及韧性中－高，无摇振反应，夹铁锰结核，偶含腐植物及螺壳。

⑥层：粉砂或细砂（局部夹砂壤土）：黄色或灰色，中密状，湿，主要成份以石英、长石为主，有水平向层理。

⑦层：粉质粘土。褐黄色（局部为灰色），硬塑状，有光泽，干强度及韧性高，无摇振反应，夹铁锰结核，混较多礓结石。

⑧层：细砂或粉砂（局部夹中粗砂）。黄色，密实状，湿，以石英、长石为主，无明显层理，混礓结石。

⑧-1层：粘土。褐黄色，硬塑状，有光泽，干强度及韧性高，无摇振反应，夹铁锰结核。

⑨层：粘土。褐黄色，硬塑状，有光泽，干强度及韧性高，无摇振反应，夹铁锰结核，混较多礓结石。钻孔未揭穿此层。

工程场地各建筑物段土层分布情况参见工程地质剖面图。

2.2.2.3地震及评价

本区历史上曾发生过8级以上的特大地震，是我国强烈地震带之一，地震活动的强度和频度较高。根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2001，场地区地震动峰值加速度为0.30g，相应地震基本烈度为Ⅷ度。

据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录P中的有关规定，判别勘察深度内②层、④层重粉质砂壤土为可液化土层，⑥层粉砂、⑧层细砂均为不液化土层。

2.3工程布置及建筑物

2.3.1工程级别和设计标准

宿迁市七堡引水枢纽由进水口渠道、倒虹吸枢纽、出口明渠组成。倒虹吸枢纽由1号沉井及进水闸、穿河顶管、2号沉井、古黄河引水泵闸、陆地顶管、3号沉井、4号沉井组成。根据《防洪标准》、《水利水电工程等级划分及洪水标准》、《堤防工程设计规范》，确定本工程穿堤建筑物（包括1号沉井、穿河顶管、2号沉井、古黄河引水泵闸及箱涵）级别为2级，其他建筑物（进水口渠道、陆地顶管、3号沉井、4号沉井、出口明渠）为3级。

拟建场地区的地震动峰值加速度值为0.30g，相应的地震基本烈度为Ⅷ度。根据《水工建筑物抗震设计规范》，本工程倒虹吸建筑物按抗震设计烈度为8度进行抗震设计计算；根据《堤防工程设计规范》的规定，本工程进水口渠道、出口明渠堤防可不进行抗震设计。

2.3.2 工程布置及建筑物

2.3.2.1工程布置

进水口渠道底宽18.50m，底高程20.33m，两侧边坡1：3。

倒虹吸枢纽包括穿河顶管、古黄河引水泵闸和陆地顶管及4个沉井。倒虹吸枢纽各建筑物中心线沿引水线路中心线呈直线布置，自北向南依次布置1号沉井及进水闸、穿河顶管、2号沉井、陆地顶管、3号沉井、陆地顶管、4号沉井，总长为3240.80m。1号沉井及进水闸布置在骆马湖水库堤防以北的骆马湖水库之中，穿河顶管穿越中运河和古黄河，2号沉井布置在古黄河以南的农田内，3号沉井布置在古黄河至西民便河中部，4号沉井布置在牛角塘附近。

2.3.2.2 主要建筑物设计

（1）1号沉井布置

依据顶管施工需要，1号沉井底部净长7.00m、净宽7.5m，采用钢筋混凝土矩形沉井结构，布置在骆马湖水库堤防以北35m处。1号沉井既作为倒虹吸的引水进口竖井，又作为钢筋混凝土顶管的接收井。沉井外形轮廓尺寸长9.80m，宽10.30，沉井顶高程27.70m，沉井底面高程1.30m，刃脚底高程-2.30m。沉井高度达30.00m，壁厚尺寸需要分段设计，沉井分上、中、下三部分，上部沉井高程15.00~27.70m段井壁厚度为1.00m；中部沉井高程7.50~15.00m段井壁厚度为1.20m；下部沉井高程-1.10~7.50m段井壁厚度为1.40m；刃脚在高程-2.30~-1.10m，厚度为0.40~1.40m。沉井下沉采用不排水下沉方式施工，底板钢筋混凝土厚度1.40m，其下封底混凝土厚度为1.20m。靠近骆马湖水库堤防侧在中心高程4.05m处设置顶管圆形接收孔，孔直径为4.56m。

（2）穿河顶管

穿河顶管布置在骆马湖至古黄河段，以顶管方式穿越中运河和古黄河。采用钢筋混凝土圆形管，根据布置，顶管中心线高程为4.05m，长度615m，内径3.50m，考虑到顶管在施工期和检修期会承受约20m深地下水压力及最高25.5m的土压力，顶管壁厚0.33m，则外径为4.16m。

为穿河顶管进、出洞口的防渗需要，在顶进洞口及接收洞口设置联排φ700mm的高压旋喷桩，处理范围为长10m、宽4.2m、高12m。

（3）2号沉井

依据穿河顶管施工需要，2号沉井底部净长9.20m、净宽7.50m，采用钢筋混凝土矩形沉井结构，布置在古黄河堤防以南的农田内。沉井既作为倒虹吸枢纽穿河顶管的引水出口竖井，又作为穿河顶管的顶进工作井，同时也是陆地顶管的接收井。沉井外形轮廓尺寸长12.40m、宽10.70，沉井顶高程26.50m，沉井底面高程1.30m，沉井刃脚底高程-2.70m。沉井高度达29.20m，井壁厚度需要分段设计，沉井分上部、中部、下部三部分，上部沉井高程17.20~26.50m段井壁厚度为1.00m；中部沉井高程7.50~17.20m段井壁厚度为1.40m；下部沉井高程-1.27~7.50m段井壁厚度为1.60m；刃脚在高程-1.27~-2.70m，厚度为0.40~1.60m。沉井下沉采用不排水下沉方式施工，底板钢筋混凝土厚度1.40m，其下封底混凝土厚度为2.60m。北侧中心高程4.05m，设置顶管圆形顶进孔，孔直径为4.36m。南侧中心高程13.80m，设置顶管圆形接收孔，孔直径为4.62m。

（4）陆地顶管

从古黄河至西民便河的陆地顶管长度为2580m，在陆地顶管中部设置一个工作井，即3号沉井。2号沉井至3号沉井之间的陆地顶管长度为1280m，3号沉井至4号沉井之间的陆地顶管长度为1300m，顶管中心线高程为13.80m，内径3.50m，考虑到顶管在施工期和检修期会承受约13m深地下水压力及最高约15m的土压力，顶管壁厚0.33m，则外径为4.16m。

（6）3号沉井

依据顶管施工需要，3号沉井底部净长9.20m，净宽7.5m，采用钢筋混凝土矩形沉井结构，布置在古黄河至西民便河中部。3号沉井既是陆地顶管的顶进工作井，又作为陆地顶管的接收井。沉井外形轮廓尺寸长12.00m、宽10.30，沉井顶高程28.50m，沉井底面高程11.10m，刃脚底高程7.80m。沉井高度达20.7m，壁厚尺寸需要分段设计，沉井分上、下两部分，上部沉井高程20.50m~28.50m段井壁厚度为1.00m；下部沉井高程8.99m~20.5m段井壁厚度为1.40m；刃脚在高程7.80m~8.99m，厚度为0.40~1.40m。沉井下沉采用不排水下沉方式施工，底板钢筋混凝土厚度1.20m，封底混凝土厚度2.30m。北侧中心高程13.80m设置顶管圆形顶进孔，孔直径为4.36m; 南侧中心高程13.80m设置顶管圆形接收孔，孔直径为4.62m。

（7） 4号沉井

依据陆地顶管施工需要，4号沉井底部净长9.20m，净宽7.5m，采用钢筋混凝土矩形沉井结构，布置在牛角塘附近。4号沉井是陆地顶管的顶进工作井。沉井外形轮廓尺寸长11.60m，宽9.90m，沉井顶高程25.50m，沉井底面高程11.10m，刃脚底高程8.40m。沉井高度为17.10m，井壁厚度需要分段确定，高程17.00~25.50井壁厚度为1.00m；高程9.35~17.00井壁厚度为1.20m，刃脚在高程,8.40m~9.35m，厚度为0.40~1.20m。考虑到4号沉井高度不大，为了增加顶进工作井的顶力，在沉井后背土体采用高压旋喷桩加固土体；本工程采用直径为0.70m的单头高压旋喷桩，桩长12.00m，置换率约30%，水泥参入量暂定为15%。高压旋喷桩范围为整个沉井9.90m宽、长度为10m。

沉井底部为⑥层粉砂，如采用排水下沉，容易发现流沙，并引起该沉井附近民房因地基排水下沉而开裂，选择不排水下沉施工，水下封底混凝土厚度2.00m、底板钢筋混凝土厚度1.00m。北侧中心高程13.80m处设置顶管圆形顶进孔，孔直径为4.36m；南侧底高程17.83m处设置矩形出水孔两孔，孔高2.00m、孔宽2.50m。

为了陆地顶管的检修需要，在4号沉井内设置检修门槽，检修门净宽2.50m，闸底板顶高程17.83m，闸顶高程23.50m，闸底板采用长度为2.00m的悬臂式底板、厚度为1.00m~1.50m，闸墩厚1.05m。

3顶管与沉井设计计算

3.1顶管设计计算

穿河顶管要求顶管上部覆土厚度应不小于顶管外径的两倍，并对施工期的顶管进行抗浮安全性计算，抗浮稳定安全系数应大于1.10。顶管上作用的土压力按《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246-2008）有关公式进行计算；水压力按当地地下水位进行考虑。计算工况包括施工期（空管）、运行期（满管）的受力计算对管道进行结构内力计算；按偏心受压构件进行顶管的配筋分析。考虑到顶管受到比较大的顶力，要求顶管混凝土标号不低于C50，按顶管规程计算顶管本身的最大允许顶力。

3.2沉井设计计算

根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137-2002）的有关规定，沉井的稳定计算主要包括：下沉、下沉稳定性及抗浮验算，必要时尚应进行沉井结构的抗滑、抗倾稳定计算。沉井的结构计算，沿水平方向不同高程截取相应的断面，按闭合框架进行钢筋混凝土沉井的内力分析得出轴力、弯矩、剪力，再按偏心受压构件进行沉井的配筋计算，对沉井的刃角也要进行结构计算；对于工作井的底板按三边简支和顶力作用边为固端进行计算，对于接受井的底板按四边简支进行计算。沉井的顶力作用边为了承受较大的顶力，要求沉井上设置插筋与底板钢筋焊接，使底板与沉井顶力边形成固端。通过沉井的稳定计算、沉井壁的抗剪计算结果，取小值作为顶管施工中沉井允许最大顶力。