水工建筑物的荷载计算

水工建筑物的荷载计算

水工建筑物上的作用有：重力、水作用、渗透作用力、风及波浪作用、冰及冰冻作用、温度、土及泥沙作用、地震作用等。 一、自重

W=V γ

一般素砼取23.5~24kN/m 3，钢筋砼取24.5~25kN/m 3，浆砌石取21.5~23kN/m 3，对土石坝的材料重度应根据具体性能及不同部位，分别取湿重度、干重度、饱和重度、浮重度等几种情况计算。

水工建筑物上永久固定设备，如闸门、启闭机等，其自重标准值采用设备标牌重量 作用分项系数：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。 二、水压力

水体对各种水工结构均发生作用，作用结果是对结构产生水压力，其可分为静水压力和动水压力。

1．静水压力

水体静止状态下对某结构表面的作用力称为静水压力

（1）作用在坝、闸等结构面上的水压力

P H =2

2

1H w γ P V =w w V γ

（2）管道及地下结构上的水压力计算。 内水压力：作用在管道内壁上的静水压力； 外水压力：作用于管道或衬砌外侧的水压力。

对内水压力，为计算方便，常将其分解成均匀内水压力和非均匀内水压力两部分。

h p w wr γ='

)cos 1(''θγ-=i w wr r p

对有压隧洞的砼衬砌的外水压强标准值可按式（2-6）计算。

e e ek H p ωγβ= （2-6）

式中：ek p ——作用于衬砌上的外水压强标准值（KN/m 2

）；

e β——外水压力折减系数，可按表2-1采用；

e H ——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。

同内水压力一样，外水压力也可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方向垂直向上，合力的大小应等于单位洞长排开水体的重量。

2．动水压力

（1）渐变流时的时均压强：

θρcos gh p w tr =

式中：tr p ——过流面上计算点的时均压强代表值（N/m 2）；

w ρ——水的密度（kg/m 3）；

g ——重力加速度(m/s 2)；

h ——计算点A 的水深(m)；

θ——结构物底面与平面的夹角。 （2）闸坝反弧段上的动水压力。

R V q P w cr /ρ=

)cos (cos 12ϕϕρω-=V q P xr

)sin (sin 12ϕϕρω+=V q P yr 式中：q ——相应设计状况下反弧段上的单宽流量(m 3/s.m)；

w ρ——水的密度；

V ——反弧段最低处的断面平均流速(m/s)；

R ——反弧半径(m)；

三、扬压力

水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。 1．重力坝、拱坝的扬压力

（1）坝基无防渗帷幕和排水孔幕时， （2）当坝基上游设防渗帷幕和排水孔

（3）当坝基上游有防渗帷幕和上游主排水孔并设下游副排水孔及抽排系统时， 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。

2．水闸扬压力

水闸挡水后，产生上下游水头差的水流沿铺盖及闸底板底面向下游渗透，使闸底板底面上作用有扬压力。

（1）闸底板上的扬压力。对岩基上水闸，板底底面上的扬压力分布图形，可按实体重力坝的情况确定。

（2）两岸墩墙扬压力。软基上水闸两岸墩墙侧向的渗透压力分布可按下列情况确定：

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

当墙后填土表面水平，墙背后铅直时(见图2-7(a))，作用在墙背的静止土压力标准值可按下式计算：

o ok K H F 2

2

1γ=

式中：F ok ——静止土压力标准值（KN/m ），作用于距墙底3

H

处，水平指

向墙背。

γ——挡土墙后填土的重度（KN/m 3）； H ——挡土墙高度(m)；

K o ——静止土压力系数，当墙后为正常固结粘土时K o =1-'cos ϕ 'ϕ——墙后填土的有效内摩擦角（°） （2）主动土压力计算

作用在挡土结构单位长度上的主动土压力，可按土力学基本公式计算。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）。

a ak k H F 22

1

γ=

式中：ak F ——主动土压力标准值（KN/m ，其作用点距墙底3

H

处，与水平面呈)(εδ+的

夹角（见图2-7(b)）；

k a ——主动土压力系数，可按土力学及有关规范计算。 2．淤沙压力

)2

45(21

22s s sb sk tg h P ϕγ-=

ο 式中：P sk ——淤沙压力标准值 （KN/m ）

sb γ——淤沙的浮重度 （KN/m 3）

h s ——挡水建筑物前泥沙的淤积高度 （m ）

s ϕ——淤沙的内摩擦角（°）

3．上埋式埋管的土压力

对坝下埋管或倒虹吸管，往往管上埋有土体，这些土体将对管身产生垂直土压力和侧向土压力（见图2-8）。

作用在单位长度上的垂直土压力的标准值F sk 和侧向土压力标准值F tk 可按下式计算：

1D H K F d s sk γ=

d o t tk D H K F γ=

式中：F sk 、F tk ——埋管垂直和侧向土压力标准值（KN/m ）

H d ——管顶以上填土高度（m ） D 1——埋管外直径（m ）

γ——管上填土的重度（KN/m 3

）

K s ——埋管垂直土压力系数，与地基刚度有关，且与其成正比，可根据地基情况

按图2-9查取。

H o ——埋管中心线以上填土高度（m ）