1水工建筑物荷载的设计规范

中华人民共和国行业水工建筑物荷载前言本规范是根据1990年原能源部、水利部水利水电规划设计总院“（90）水规字11号”文件的安排组织制订的。其目的在于统一水利水电工程结构设计的作用（荷载）取值标准，以利于按照GB50199—94水利水电工程可靠度设计统一标准》的原则和方法进行水工结构设计。本规范必须与按照GB50199—94水利水电工程结构可靠度设计统一标准》制订的其他水工结构设计规范配套使用。本规范中所列全部附录都是标准的附录。本规范由电力工业部水电水利规划设计总院提出、归口并负责解释。本规范的主编单位：电力工业部中南勘测设计研究院。参编单位有：电力工业部北京勘测设计研究院、西北勘测设计研究院、成都勘测设计研究院、华东勘测设计研究院，水利部上海勘测设计研究院、东北勘测设计研究院，中国水利水电科学研究院，南京水利科学研究院。本规范的主要起草人：梁文治、家常春、苗琴生、张学易段乐斋、周芙、黄东军、范明桥、刘文灏、陈厚群、席与光卢兴良、薛瑞宝、赵在望、岳耀真、吕祖伤、潘王华、刘蕴供吴孝仁、侯顺载、据常忻、王鉴义、汤书明、聂广明、徐伯孟潘玉喜、唐政生、郦能惠、李启雄、黄淑萍。1范围本规范适用于各类水工建筑物的结构设计。1引用标准下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB50199—94水利水电工程结构可靠度设计统一标准GBJg—87建筑物结构荷载规范GBJ145—90土的分类标准DL5073—1997水工建筑物抗震设计规范DL／T5058—1996水电站调压室设计规范DL／T5082一1998水工建筑物抗冰冻设计规范23总则3．0．1为了统一水工结构设计的作用取值标准，使设计符合安全适用、经济合理、技术先进的要求，特制订本规范。3．0．2本规范是根据GB50199—94水利水电i程结构可靠度设计统一标准》规定的原则制定的。3．0．3本规范未予规定的其他作用，应按照各类水工结构设计规范的规定确定。3．0．4当水工结构设计引用与公路、航运及港口工程等有关的作用时，应根据各部门设计规范的规定经具体分析后确定。3456作用分类和作用效应组合5．1作用分类及作用代表值5．1．1结构上的作用，可按作用随时间的变异分为下列三类：1）永久作用；2）可变作用；3）偶然作用。水工结构主要作用按随时间变异的分类可按附录A采用。5．1．2水工结构设计时，对不同作用应采用不同的代表值。永久作用和可变作用的代表值采用作用的标准值；偶然作用的代表值，除本规范已有规定者外，可按有关标准的规定，或根据观测资料结合工程经验综合分析确定。5．1．3本规范所列永久作用、可变作用的标准值和偶然作用的代表值以及作用的分项系数，均应按各章中的规定采用。5．2作用效应组合5．2．1水工结构设计时，应根据不同设计状况下可能同时出现的作用，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行作用效应组合，并采用各自最不利的组合进行设计。5．2．2当结构按承载能力极限状态设计时，对应于持久设计状况和短暂设计状况应采用基本组合；偶然设计状况应采用偶然组合。偶然组合中应只考虑一种偶然作用。5．2．3承载能力极限状态的基本组合应采用下列设计表认式，7在偶然组合中，偶然作用的分项系数应采用1．0；与偶然作用同时出现的某些可变作用，可对其标准值作适当折减。5．2．4当结构按正常使用极限状态设计时，应根据结构设计要求分别采用作用的短期效应组合和长期效应组合，并可采用下列设计表达式：（1）短期效应组合：8建筑物自重及永久设备自重6．1建筑物自重6．1．1水工建筑物（结构）的自重标准值，可按结构设计尺寸与一其重度计算确定。水工建筑物常用材料的重度可参照附录B9中表B1采用。6．1．2大体积混凝土结构的材料重度，应根据选定的混凝土配合比通过试验确定。当无试验资料时，可采用23．5～24．okN／m3，或根据骨料重度、粒径按附录B中表BZ采用。6．1．3土坝（含土坝和堆石坝的防渗上体）的材料重度，应根据设计计算内容和土体部位的不同，分别采用湿重度、饱和重度或浮重度，其数值可根据压实干重度、含水量和孔隙率换算得出。堆石坝的材料重度应根据堆石部位的不同，分别采用压实干重度或浮重度。土石坝土体和堆石体的压实干重度应由压实试验确定。中、小型土石坝在初步计算缺乏资料时，其压实干重度可按附录B表B3采用，但最终应根据试验资料予以修正。6．1．4建筑物（结构）自重的作用分项系数应按表6．1．4采用。106．2永久设备自重6．2．1永久设备的自重标准值采用设备的铭牌重量。6．2．2永久设备自重的作用分项系数，当其作用效应对结构不利时应采用1．05，有利时应采用0．95。117静水压力7．1一般规定7．1．1垂直作用于建筑物（结构）表面某点处的静水压强应按下式计算，泥沙河流应根据实际情况确定。7．1．2应区分水工建筑物不同的设计状况，分别按持久设计状况、短暂设计状况和偶然设计状况下的计算水位确定相应的静水压力代表值。7．1．3静水压力（包括外水压力）的作用分项系数应采用1．0。7．2枢纽建筑物的静水压力7．2．1坝、水闸等挡水建筑物和河床式水电站厂房在运用期静水压力代表值的计算水位应按下列规定确定：1）持久设计状况，上游采用水库的正常蓄水位（或防洪高水位），下游采用可能出现的不利水位；2）偶然设计状况，上游采用水库的校核洪水位，下游采用水库在该水位泄洪时的水位。3）短暂设计状况，采用设计预定该建筑物在检修期的上、下游水位。注：与地震作用组合时的静水压力代表值，其计算水位应按18．3的有关规定确定。7．2．l所规定的上游计算水位采用。7．2．2对于泄水建筑物的首部挡水结构，其静水压力代表值的计算水位可按。7。2。1所规定的上游计算水位采用。127．2．3坝后式和岸边式水电站厂房静水压力代表值的下游计算水位，可按下列规定确定；1）持久设计状况，采用厂房的设计洪水位。2）偶然设计状况，采用厂房的校核洪水位。3）厂房在施工、机组检修等短暂设计状况下的计算水位，按SD335—89K水电站厂房设计规范》的有关规定确定。7．2．4水工隧洞、压力管道及调压室等建筑物在各种设计状况下静水压力代表值的计算水位，应根据水库特征水位结合建筑物具体运用条件，按照各类水工结构设计规范的规定确定。7．2．5临时性水工建筑物以及坝体在施工期渡汛时静水压力代表值的计算水位，应根据有关设计规范所规定的洪水标准计算确定。7．3水工闸门的静水压力7．3．1水工闸门在各种设计状况下静水压力代表值的计算水位，应根据闸门的不同运用条件确定。7．3．2设置在发电、供水、泄水和排沙等建筑物进水口（或泄水道内）的工作闸门或事故闸门，其持久设计状况和偶然设计状况下静水压力代表值的计算水位，应按7．2．1所规定的上游计算水位采用。对于溢洪道露顶式工作闸门，可不考虑偶然设计状况。7．3．3设置在船闸上闸首的工作闸门。持久设计状况下静水压力代表值的计算水位应采用正常蓄水位或最高通航水位；偶然设计状况应采用校核洪水位或最高挡水位。7．3．4设置在泄水道、船闸等建筑物以及水电站引水道的进水口、尾水管出口等处的上、下游检修闸门，其短暂设计状况下静水压力代表值的计算水位，应采用设计预定该建筑物检修时的上、下游水位。7．3．5导流底孔和其他临时性挡水建筑物的闸门，应根据其临时挡水的洪水标准以及闸门的运用条件，确定相应短暂设计状况下静水压力代表值的计算水位。137．4管道及地下结构的外水压力7．4．1混凝土坝坝内钢管放空时各计算断面的外水压力标准值可按以下规定确定，处的外水压力为零，其间压力沿管轴线接直线规律分布；2）起始断面作用水头H的计算水位宜采用正常蓄水位，折减系数a可根据钢管外围的防渗、排水及接触灌浆等情况采用1．0～0．5。7．4．2计算地下结构外水压力标准值时所采用的设计地下水位线，应根据实测资料，结合水文地质条件和防渗排水效果，并考虑工程投人运用后可能引起的地下水位变化等因素，经综合分析确定。7．4．3作用于混凝土衬砌有压隧洞的外水压强标准值可按下式计算：7．4．4当无压隧洞和地下洞室设置排水措施时，可根据排水效和排水设施的可靠性对计算外水压力标准值的作用水头作适当折减，其折减值可采用工程类比或渗流计算分析确定。7．4．5对于有钢板衬砌的压力隧洞，可按下列情况确定作用于钢管的外水压力标准值的作用水头。1）对于埋深较浅且未设排水措施的压力隧洞，其外水压力。作用水头宜接设计地下水位与管道中心线之间的高差确定。2）当压力隧洞的顶部或外侧设置排水洞时，可在考虑岩层性能及排水效果的基础上，根据工程类比或渗流计算分析，对排水洞以上的外水压力作用水头作适当折减。143）当钢衬外围设置排水管时，可根据排水措施的长期有效性，采用工程类比法或渗流计算，综合分析确定外水压力作用水头。158扬压力1一般规定8．1．1混凝土坝、水闸和水电站厂房等建筑物的扬压力，应按垂直作用于计算截面全部截面积上的分布力计算。8．1．2作用于建筑物计算截面上的扬压力分布图形，应根据不同的水工结构型式，上下游计算水位，地基地质条件及防渗排水措施等情况确定。确定扬压力分布图形时的上下游计算水位，应与计算静水压力代表值的上下游计算水位一致。8．1．3计算截面上的扬压力代表值，应根据该截面上的扬压力分布图形计算确定。其中，矩形部分的合力为浮托力代表值，其余部分的合力为渗透压力代表值。对于在坝基设置抽排系统的情况，主排水孔之前的合力为扬压力代表值；主排水孔之后的合力为残余扬压力代表值。8．2混凝土坝的扬压力．2．1岩基上各类混凝土坝坝底面的扬压力分布图形可按下列三种情况分别确定：16扬压力作用水头为HI下游处为H2其间以直线连接[见图8·2·1上述情况中，渗透压力强度系数。扬压力强度系数a1及残8．2．2坝体内部计算截面上的扬压力分布图形，当设有坝体排17水管时，可按图8．2．2确定。其中排水管处的坝体内部渗透压力强度系数a3可按下列情况采用：1）实体重力坝、拱坝及空腹重力坝的实体部位采用0．2。2）宽缝重力坝、大头支墩坝的无宽缝部位采用0．2，有宽缝部位采用0．15。当未设坝体排水管时，上游坝面处扬压力作用水头为HI下游坝面处为，H2其间以直线连接188．2．3坝底面和坝体内部扬压力的作用分项系数应按下列情况采用：191）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对宽缝重力坝、大头支墩坝、空腹重力坝以及拱坝采用1．1。3）对于坝基下游设置抽排系统的情况，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。8．2．4当坝前地基面设有粘土铺盖，或多泥沙河流的坝前地基面上能形成淤沙铺盖时，可依据工程经验对坝题及排水孔处的扬压力作用水头作适当折减。8．2．5作用于护坦底面的扬压力分布图形，可根据相应设计状况下坝趾与护坦首部连接处的扬压力作用水头，以及护坦下游水位确定。若底部设置妥善的排水系统并具备检修条件且接缝间止水可靠时，可考虑排水对降低扬压力的影响。8．3水闸的扬压力8．3．1岩基上水闸底面的扬压力分布图形，可按8.2中实体重力坝情况确定。8．3．2软基上水闸底面的扬压力分布图形，宜根据上下游计算水位，闸底板地下轮廓线的布置情况，地基土质分布及其渗透特性等条件分析确定。一般情况下，渗透压力可采用改进阻力系数法或流网法计算。改进阻力系数法见附录D。8．3．3软基上水闸两岸墩墙侧向渗透压力的分布图形可按下列情况确定：当墙后土层的渗透系数小于地基渗透系数时，可近似地采用相应部位的闸底渗透压力分布图形.（2）当墙后土层的渗透系数大于地基渗透系数时，应按侧向绕流计算确定.（3）对于大型水闸，应经三向电拟试验或数值计算验证。8．3．4水闸扬压力的作用分项系数，对于浮托力应采用1．0．渗透压力可采用1．2。208．4水电站厂房和泵站厂房的扬压力8．4．1岩基上河床式水电站厂房、泵站厂房底面的扬压力分布图形，可按8．2中岩基上的实体重力坝情况确定；对于坝后式、岸边式水电站厂房，则参照岩基上实体重力坝情况具体分析确定。8．4．2对于厂坝为整体连接，或所设置的永久性变形缝已经止水封闭的岩基上的坝后式水电站厂房，厂房底面的扬压力分布图形应与坝体共同考虑。8．4.3软基上河床式、岸边式水电站厂房以及泵站厂房底面的扬压力分布图形，可参照8．3中软基上的水闸情况确定。8．4．4水电站厂房和泵站厂房扬压力的作用分项系数，对于浮托力应采用1．0，渗透压力可采用1．2。219动水压力9．１一般规定9．1．1作用在水工建筑物过流面一定面积上的动水压力（包括时均压力和脉动压力），应按该面积上各点动水压强的合力计算。动水压力一般可只计及时均压力，但当水流脉动影响结构的安全或引起结构振动时，应计及脉动压力的影响。9．1．2计算动水压力时，应区分恒定流和非恒定流两种水流状态。对于恒定流，尚应区别渐变流或急变流等不同流态，并采用相应的方法计算。水电站压力水道系统内产生的水锤压力，应按有压管道的非恒定流计算。9．1．3对于重要的或体形复杂的水工建筑物，其动水压力宜通过模型试验测定并经综合分析确定。9．2渐变流时均压力9．2．1渐变流时均压强的代表值，可根据相应设计状况下的水流条件，通过计算或试验求得水面线后按下式计算（见图7．2．l）：229．3．4反弧段水流离心力的作用分项系数可采用1．l。9．4水流对尾槛的冲击力4．1水流对消力地尾槛的冲击力代表值可按下式计算：24平均流速；对于反弧鼻坎挑流，可取反派最低处的断面平均流速。9．5．3泄水建筑物不同部位的脉动压强系数可按表9．5．3－1及表9．5．3－2选用对于重要工程，宜根据专门试验确定。9．5．4脉动压力的作用分项系数应采用1．3。9．6水锤压力9．6．1当水电站水轮发电机组的负荷突然变化时，相应设计状况下压力水道（包括蜗壳、尾水管及压力尾水道）内产生的25水锤压用数值积分等方法时，采用1．0当采用附录E中的解析计算时，对于冲击式水轮机可采用1．0对于反击式水轮机，应根据其转速经试验确定，当无试验数据时，混流式水轮机可采用1．2轴流式水轮机可采用l．4。9．6．2压力水道不同部位在持久设计状况（或偶然设计状况）下的水锤压力代表值，应按下列静水头和机组运行工况计算确定。1）上游压力水道（包括抽水蓄能电站上游压力水道），采用水库正常蓄水位（或校核洪水位）与厂房下游相应发电（或泄洪）尾水位之差，共一条压力水道的全部机组突然丢弃全部负荷.2）下游压力水道，采用厂房下游设计洪水位（或校核洪水位）与相应上游水库水位之差，共一条下游压力水道的全部n台机组由（n—1）台增至n台，或全部机组由三分之二负荷突然增至满载。3）抽水蓄能电站的下游压力水道，按下游水库设计洪水位（或校核洪水位）在水泵工况扬程最小抽水量最大时，共一条下游压力水道的全部机组突然断电，导叶全部拒动。4）经分析论证后，认为不存在全部丢弃负荷全部导叶拒动的情况，亦可按机组部分丢弃负荷或部分导叶拒动考虑。9．6．3上、下游压力管道中各计算截面的水锤压力水头值可按下列公式计算。269．6．4上游压力水道末端采用的水锤压力升高值，应不小于正常蓄水位下压力水道静水头的10％。对于设置调压室的压力水道，应根据具体情况考虑调压室涌波对水锤压力的影响。9．6．5水锤压力的作用分项系数可采用1．1。2710地应力及围岩压力10．l一般规定10．1．1地下结构是由围岩及其加固措施构成的统一体。设计时应充分考虑围岩的自稳能力和承载能力。10．1．2地下结构设计中所涉及的围岩作用，可根据岩体结构类型及其特征按下列情况分别考虑：1）对于整体状、块状、中厚层至厚层状结构的围岩，岩体初始地应力及局部块体滑移为其主要作用；2）对于薄层状及碎裂、散体结构的围岩，围岩压力为其主要作用。10．1．3围岩岩体的结构类型及其特征，应按国家标准《水利水电工程地质勘察规范》的有关规定确定。10．1．4岩体初始地应力及围岩压力的作用分项系数可采用1．0。10．2岩体初始地应力（场）2．1对于重要的地下工程，岩体初始地应力（场）宜根据现场实测资料，结合区域地质构造、地形地貌、地表剥蚀程度及岩体的力学性质等因素综合分析确定；当具有少量可用资料时，也可通过模拟计算或反演分析成果经综合分析确定。10．2．2当无实测资料时，仅符合下列条件之一者，可将岩体初始地应力场视为重力场，并按式（10．2．2－1）、式（10．2．2-2）算岩体地应力标准值。1）工程区域内地震基本烈度小于6度；2）岩体纵波波速小于2500m／s。3）工程区域岩层平缓，未经受过较强烈的地质构造变动。2810．2．4根据式（10．2．2）、式（10．2．3）的计算结果，尚应结合工程经验及类比分析，确定岩体的初始地应力（场）。对于高地应力地区，宜通过现场实测取得地应力（场）资料。10．3围岩压力10．3．1当洞室在开挖过程中，采取了锚喷支护或钢架支撑等施工加固措施，已使围岩处于基本稳定或已稳定的情况下，设计时宜少计或不计作用在永久支护结构上的围岩压力。10．3．２对于块状中厚层至厚层状结构的围岩，可根据围岩中不稳定块体的重力作用确定围岩压力标准值。10．3．3对于薄层状及碎裂散体结构的围岩，垂直均布压力标准值可按下式计算，并根据开挖后的实际情况讲行修正。2930土压力和淤沙压力11．l挡土建筑物的土压力11．1．1计算挡土建筑物（挡土墙）的士压力时，对于向外侧移动或转动的挡土结构，可按主动土压力计算；对于保持静止不动的挡土结构，可按静止土压力计算。11．1．2作用在单位长度挡土墙背上的主动土压力标准值可按下式计算；当墙背的坡角。大于临界值时，填土将产生第二破裂面（见图11．1．2－2），其主动土压力标准值应按作用于第二破裂面上31当填土表面有均布荷载时，可将荷载换算成等效的土层厚度，计算作用于墙背的主动土压力标准值。此种情况下，作用于墙背上的主动土压力应按梯形分布。11．1．3对于墙背铅直、墙后填土表面水平的挡土墙，作用单位11．1．4主动土压力和静止士压力的作用分项系数应采用1．2。11．2上埋式埋管的上压力11．2．1作用在单位长度埋管上的垂直土压力标准值可按下式计算（见图11．2．l）。33作用效应对管体结构不利时应采用1．l，有利时应采用0．9。11．3淤沙压力11．3．1作用在坝、水闸等挡水建筑物单位长度上的水平淤沙压力标准值可按下式计算：当结构挡水面倾斜时，应计及竖向淤沙压力。11．3．2挡水建筑物前的泥沙淤积厚度，应根据河流水文泥沙特性和枢纽布置情况经计算确定；对于多泥沙河流上的工程，宜通过物理模型试验或数学模型计算，并结合已建类似工程的实测资料综合分析确定。11．3．3淤沙的浮重度和内摩擦角，一般可参照类似工程的实测资料分析确定；对于淤沙严重的工程宜通过试验确定。11．3．4淤沙压力的作用分项系数应采用1．2。34风荷载和雪荷载12．贝风荷载12．1．１垂直作用于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下式计算：12．1．2基本风压应按GBJg一87《建筑结构荷载规范》中全国基本风压分布图采用，但不得小于0．25kN／m2。对于水工高耸结构，其基本风压可按全国基本风压图中的基本风压值乘以1．1后采用；对于特别重要和有特殊使用要求的结构或建筑物，则可乘以1．2后采用。12．1．3当建设地点的基本风压值在全国基本风压分布图上未给出时，其基本风压值可按下列方法确定：1）可根据当地年最大风速资料，按照基本风压的定义通过统计分析确定，分析时应考虑样本数量的影响；2）当地没有风速资料时，可根据附近地区规定的基本风压或长期资料，通过气象和地形条件的对比分析确定。无实测资料时。可按当地空旷平坦地面的基本雪正值乘以12后采用。12．2．4建筑物顶面的积雪分布系数，可参照GBJg—87规定的屋面积雪分布系数采用。12．2．5雪荷载的作用分项系数应采用1．3。37冰压力和冻胀力13．1静冰压力13．1．1冰层升温膨胀时，作用于坝面或其他宽长建筑物单位长13．1．2作用于独立墩柱上的静冰压力可按照式（13．2．2－1）计算。13．1．3静冰压力垂直作用于结构物前治，其作用点取冰面以下1／3冰厚处。13．1．4冰冻期冰层厚度内的冰压力与水压力不同时作用于建筑物。13．1．5静冰压力的作用分项系数应采用1．1。13．2动冰压力13．2．l作用于铅直的坝面或其他宽长建筑物上的动冰压力标准值可按下式计算：3813．2．2作用于独立墩柱上的动冰压力标准值，可按下列情况计算确定：1）作用于前沿铅直的三角形独立墩柱上的动冰压力，可分别按式（13．2．2-1）、式（13．2．2-2）计算冰块切人和撞击两种况下的冰压力，并取其中的小值：2）作用于前沿铅宜的矩形、多边形或圆形独立墩柱上的动冰压力可按式（13．2．2-1）计算。13．2．3动冰压力的作用分项系数可采用l．1。3913．3冻胀力13．3．1表面平整的混凝土桩、墩基础，在无竖向位移的条件下，作用于侧表面上的切向冻胀力标准值可按下式计算：13．3．2对于标准冻深大于0．5in地区的薄壁混凝上挡土墙，当墙前地面至墙后填土顶部的高差小于或等于5m、在无水平位移的条件下，作用于挡土墙的水平冻胀力可采用按图13．3．2所示的压强分布计算的合力为其标准值。图中最大单位水平冻胀力可按下式计算：4013．3．3对于标准冻深大于0．5in地区，墙前地面至墙后填土顶部的高差大于5m的薄壁挡土墙和其他型式的挡土墙，水平冻胀力的计算应经专门研究。13．3．4在标准冻深大于0．5in地区的水闸、涵洞和其他具有板型基础的建筑物，当基础埋深小于设计冻深时，作用在单块基础板底面上的竖向冻胀力标准值可按下式计算：414313．3．5水平冻胀力和土压力不同时作用于建筑物，设计时应取其中的大值进行荷载组合。13．3．6切向冻胀力、水平冻胀力及竖向冻胀力的作用分项系数均应采用1．1。4314浪压力14．1一般的规定14．1．1本章适用于风浪对坝、水闸等挡水建筑物（不包括海堤、河堤）产生的浪压力的计算。14．1．2浪压力标准值一般可由波浪要素（波高、波长等）按14．2．14．3计算确定。对于1级挡水建筑物，当浪压力为主要荷载之一时，宜通过模型试验论证。14．1．3波浪要素可按附录G计算。其中计算风速的取值应遵循下列规定：1）当浪压力参与作用基本组合时，采用重现期为50年的年最大风速；2）当浪压力参与偶然组合时，采用多年平均年最大风速。14．1．4浪压力的作用分项系数应采用1．2。14．2直墙式挡水建筑物上的浪压力14．2．1作用于铅直迎水面建筑物上的浪压力，应根据建筑物迎水面前的水深，按以下三种波态分别计算：444514．3斜坡式挡水建筑物上的浪压力14．3．1对于1.5≤m≤5的混凝土整体式或装配式单坡护面板上的浪压力标准值，可按图14．3．1压力强度分布计算的合力确定。图中有关参数可按下列各项计算c46