水工建筑物--第三章 水工建筑物的作用

'水工建筑物2021年8月12日赖国伟 第三章水工建筑物的作用及作用效应组合第一节作用的定义与分类一、作用的定义使结构产生内力和变形的各种原因总称为结构上的作用。直接作用：是指直接施加在结构上的集中力或分布力，也可称为“荷载”。间接作用：则是指使结构产生外加变形或约束变形的原因，如地震、温度作用等。 长期以来，工程界习惯将上述两类作用不加区分均称为“荷载”，如自重荷载、水荷载、地震荷载、温度荷载等。已颁发的国家标准《工程结构可靠度设计统一标准》规定将各种荷载统称为作用，亦即采用了“作用”这一概念来取代习用的“荷载”这一概念。 二、作用的分类1、按随时间的变异分类永久作用：即在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。例如结构自重、土压力、预应力等。可变作用：即在设计基准期内量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。例如水压力、扬压力、浪压力以及风、雪、人群、堆放物品等作用。偶然作用：即在设计基准期内出现概率很小，一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。例如校核洪水位时的水荷载(包括静水压力、扬压力和动水压力)、地震作用等。 2、按随空间位置的变异分固定作用：指在结构空间位置上具有固定分布的作用。例如结构自重、固定设备重等。可动作用：指在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布的作用。其作用位置和数值都是可以变动的。例如水电站厂房内行车轮压作用，在吊车梁的长度方向任意变化，起吊物及小车(天车)位置不同，轮压不同。3、按引起结构的反应分静态作用：指在结构上不产生加速度或产生的加速度可以忽略不计的作用。例如结构自重、水电站机组检修堆放在安装场的机件重。动态作用：指在结构上产生不可忽略的加速度的作用，例如地震作用。对于这类作用，在进行结构分析时，应当考虑其动力效应，有的可以用乘一个动力系数的办法来考虑，有的则应采用结构动力学的方法来计算分析。 4、按属于安全系数设计法的规范分类上述作用分类是基于结构可靠度理论的规范《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(GB50199—1994)给出的。对于基于安全系数设计法的规范有《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)、《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003）。该规范将直接施加在结构上的集中力或分布力，称为荷载。该规范的作用分类为：基本荷载→出现机会较多的荷载，例如结构自重、正常蓄水位时的水荷载(包括静水压力、扬压力和动水压力)及浪压力、泥沙压力、土压力、冰压力等荷载。特殊荷载→出现机会较少的荷载，例如校核洪水位时的水荷载(包括静水压力、扬压力和动水压力)及浪压力、地震荷载等荷载。 第二节水工建筑物的自重作用水工建筑物自重属于恒定荷载，对水工建筑物的工作状态起着重要作用。水工建筑物本身的自重：可按G=γ·V确定。式中：γ——材料容重（重度），kN/m3；V——体积，m3。 一、混凝土材料自重作用对拱坝坝块自重G可按辛普森公式计算：式中γ——混凝土的容重，kN/m3；△Z——计算坝块的垂直高度，m；A1、A2、Am——分别为上端截面、下端截面和中间截面的面积，m2。 二、土石材料自重作用：对土石材料，需根据其所在位置与浸润线和水位的关系，有选择地使用以下不同的容重：土体的干容重土体的自然容重土体的饱和容重土体的浮容重 三、土压力(1)当刚性连接建筑物在土压力作用下或因地基不均匀沉陷发生变位，至使侧向土压力减小时，可作为主动土压力进行分析。(2)当刚性连接建筑物建造在坚硬的岩基上，同时自身刚度较大，变形较小时，可作为静止土压力进行分析。(3)当刚性连接建筑物在其他荷载作用下有向填土一侧变位时，土坝对连接建筑物产生被动土压力。作用在光滑、竖直迎土面上的各种土压力强度计算公式如下：式中：γ为土的容重，kN／m3；H为计算点的土深，m；φ为土的内摩擦角。 四、泥沙压力（按主动土压力计算）作用在坝、水闸等挡水建筑物上的水平淤沙压力，可按一般（主动）土压力公式计算：当上游坝面倾斜时，除水平泥沙压力外还存在铅直泥砂压力，计算方法与计算铅直水压力的方法相同。☞斜面上铅直的淤沙压力即为淤积在其上的泥砂自重（按浮容重计算）。（①成因：水库蓄水后，入库水流流速降低并趋于零，挟带的泥沙随流速减小而沉积于坝前，其过程是先沉积大颗粒，而后沉积细颗粒。②淤积高程：坝前淤积逐年增高，可根据河流的挟沙量进行估算，估算年限通常为50-100年。③指标：淤积的泥沙逐年固结，容重和内摩擦角也在逐年变化，很难算准，设计时可根据经验取定，象黄河这样的多沙河流应由试验定出。）式中：pn——为在铅直面上泥沙对坝体某点的压力强度，kN/m2；γ′——为泥沙的浮容重；Φ——为泥沙的内摩擦角；hn——为该点以上的淤沙厚度。 第三节水工建筑物的温度作用温度应力（或称变温应力）：当结构的温度有所改变时，它的每一部分都将由于温度的升高或降低而发生膨胀或收缩。如果这种热胀或冷缩变形受到结构外在约束或内部各个部分之间的相互约束的限制而不能自由进行时，结构内将产生相应的应力，这部分应力即是所谓的变温应力，通常又称温度应力。温度作用（或温度荷载）：由于已知结构内的温度变化，根据有关力学即可计算出温度应力来，所以工程中就将结构中可能出现的、且对结构产生应力变形等作用效应的温度变化称为温度作用（或温度荷载）。这里主要介绍工程中广泛采用的混凝土结构的温度作用。 一、温度作用与温度应力的变化过程1、温度作用的变化过程对于工程中广泛采用的混凝土建筑物，其中的温度作用的发展过程，可分为三个阶段：①早期——自混凝土浇筑开始，至水泥水化热作用基本结束止。该阶段为温度升高期。②中期——自水泥水化热作用基本结束起，至混凝土冷却到稳定温度止。该阶段为温度降落期。③晚期——混凝土完全冷却以后的运行期。 准稳定温度：在运行期，离开结构表面较近（不到7m）点的温度，因受外界气温或水温的影响和太阳的辐射，会随着时间而有一定的波动，如图中所示，最后在Ta的上下作有周期性的变化，这种温度称为准稳定温度。稳定温度：对于大体积结构，如重力坝，因混凝土是一种导温性质极为不良的材料，如果不采用人工冷却措施，结构内部的温度要从最高温度降低到稳定温度的过程是非常缓慢的，往往需要数十年甚至上百年时间。当大体积结构内部的温度达到稳定状态以后，其温度几乎不随外界气温或水温的波动而波动。 2、温度应力的变化过程由于混凝土弹性模量随着龄期而变化，相应于温度作用的发展过程，温度应力的发展过程也可分为三个阶段：（1）早期温度应力——在温升阶段，混凝土体积膨胀因受到坝基或下部坝块的约束而引起水平方向的压应力。由于此时混凝土刚开始硬化，混凝土塑性大而弹性模量较小，因而引起的早期温度压应力数值不大。（2）中期、晚期温度应力——在温降阶段，随着体积收缩，先抵消上述压应力(这部分往往可忽略不计)，随后在混凝土内引起水平拉应力。当拉应力超过极限抗拉强度时，就会开裂。 在施工期间，由于表面散热或寒潮冲击，混凝土内部的温度和表面的温度不同，这种内外温差也是一种温度荷载，可能引起表面开裂。 二、若干情况下的温度应力分析1、由基础温差引起的应力设有一靠近基础的浇筑块，总温降为T，在基岩约束的影响下，底部将产生水平拉应力σx、水平剪应力τ和垂直正应力σy。对于刚性地基，贴近基岩面的水平拉应力可以达到：式中：Ec和α分别为混凝土的弹性模量和线膨胀系数；T为总温降；Tj为入仓温度；Tr为最高温升；Ta为稳定温度。 当浇筑块较高时，在距基岩面约0.15L（L为浇筑块的长度）处的水平拉应力将下降到基岩面的50%；约0.4L处，将下降到0。 考虑到基岩并非刚性，也将产生弹性变形，以上各种应力均将有所降低。在计算中，可用“有效弹性模量Ee”来代替上式中混凝土的弹性模量Ec：式中：ER为基岩的弹性模量。 2、温变荷载对拱坝的影响温降时：受两岸基岩约束，拱坝的轴线缩短，向下游变位；由此产生的剪力、弯矩的方向与水压力产生的剪力、弯矩的方向相同；轴力的方向与水压力产生的方向相反。——温降对坝体应力不利温升时：受两岸基岩约束，拱坝的轴线伸长，向上游变位；由此产生的剪力、弯矩的方向与水压力产生的剪力、弯矩的方向相反，轴力的方向与水压力产生的方向相同。——温升对坝肩稳定不利 3、由内外温差引起的应力对于坝块上部，基岩约束的影响很小。由于侧面散热而在沿厚度方向形成显著的内外温差。对于高度和长度都比较大的坝块，由此而产生的表面拉应力约为：式中：T为浇筑块的内外温差。→内外温差所引起的温度应力越接近表面越大，是产生表面裂缝的主要原因。 4、几点说明当按弹性体计算混凝土结构的温度和湿度变化引起的应力时，可考虑混凝土的徐变作用（即当外荷载持续作用时，混凝土的变形随时间而逐渐增加，混凝土内的应力则随时间而“松弛”（减小））而予以降低。重力坝、大头坝、平板坝等一般均设置温度伸缩缝，作为防裂措施，因此设计时周期性温度变化不是主要荷载。拱坝和连拱坝，由于它们是固接于岩基上的整体结构，坝身不设永久性伸缩缝，设计时必须将周期性温度变化列为主要荷载。土石坝，一般不考虑温度荷载。 三、温度作用的计算方法在水工设计中，对混凝土结构温度作用的考虑分为施工期和运行期：施工期温度作用：指早期混凝土的水化热温升和中期混凝土冷却的温降。运行期温度作用：指晚期混凝土冷却后，由于外界环境温度变化产生的温度作用。 这里主要介绍运行期温度变化（即温度作用）的计算。运行期温度作用的计算起点：与施工方法有关，如下（1）当采用分块浇筑，最后接缝灌浆形成整体结构的施工程序（如一般拱坝），运行期温度作用的计算起点应取形成整体时的温度场。 （2）当采用通仓浇筑的施工方法时，则应取施工期最高温度场为运行期温度作用的计算起点。 1、杆件结构由于其截面尺寸较小，无论考虑温度的年周期变化或月变幅的影响，均可假定温度沿截面厚度方向线性分布，并以截面平均温度Tm和截面内外温差Td表示：式中：Ti、Te为杆件内、外表面的计算温度。 2、平板结构对于平板结构，或厚度与曲率半径之比L／R<0.5的某种壳体结构(此时坝面曲率对温度场的影响可以忽略)，可将平板结构沿厚度方向呈非线性分布的计算温度T(x)分解为三部分：即截面平均温度Tm、等效线性温差Td和非线性温差Tn。拱坝计算的拱梁分载法仅计及Tm、Td的变化，而不考虑Tn。非线性温差Tn虽是引起结构表面裂缝的重要原因，但其引起的应力具有自身平衡的性质，不影响结构整体的变位和内力，故可不计。 平均温度Tm和截面内外温差Td具体计算公式可参阅:《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077—1997)《混凝土拱坝设计规范》(SL282-2003)《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)拱坝的平均温度荷载还可按经验公式计算，美国垦务局的经验公式：或修正后的经验公式：式中：这里T为计算高程处拱圈的厚度。（该经验公式忽略了许多影响因素，如水温沿水深的变化、当地的气候条件的影响等，有较大的误差。） 3、大体积混凝土结构和其他空间形状复杂的非杆件结构。应根据其边值条件，按连续介质的热传导理论计算结构在任意时刻的温度场，两个不同计算时刻的温度场的差值（变化）即为该结构的温度作用。T(x,y,x,t)为结构在任意时刻非稳定温度场，根据热力学有关定理，可推导出其控制方程是：式中：θ为混凝土的绝热温升；ac为混凝土的导温系数。 初始条件是：t=0时，T=T0(X,Y,Z)。边界条件有：定温度边界：如与库水接触的坝面，岩石地基面上。T＝Φ1式中，Φ1为定温度边界的温度，0C。放热边界：比如与空气接触的坝面上。式中：lX、lY、lZ为边界的单位法线向量；T2为空气或流水的温度，0C；λc为导热系数；βc为表面放热系数。目前常用有限单元法求解上微分方程。 金安桥重力坝稳定温度场小湾拱坝稳定温度场 第四节水工建筑物的渗流作用一、基本概念1、扬压力的概念渗流：由于混凝土、土石料等工程常用建材与基础——岩基或土基均不同程度地存在连通的孔隙或裂隙，因而在压力水如库水的作用下，水工建筑物及基础内会出现流动的水流。这种在孔隙或裂隙介质中流动的水称为渗流。扬压力：渗流水压力是各向相等的，当我们考虑建筑物底面或其他水平截面的这种荷载时，其方向是向上的，因此，工程习惯上称渗流水压力为扬压力。渗流水压力：一般称呼。扬压力：作用于水工建筑物周围的渗流水压力习惯上称为扬压力。——习惯称呼孔隙水压力：有时等同渗流水压力（非孔隙变形引起，且当孔隙水流动时）。 若扬压力计算点在下游水位以下，在一些情况下（见重力坝部分），扬压力习惯被分解成两部分：浮托力与渗透压力。其中：浮托力：是由下游水深H2所形成的上举力。渗透压力：是由上、下游水位差(H1-H2)所形成的上举力。具体为渗流从上游流向下游的过程中，逐步消耗着水头，相应于计算点剩余（或损失）水头的压力。该点所受的总水压力：即扬压力=该点的渗透压力+浮托力☞上式不存在普遍性!仅为水工工程设计习惯做法。若假设建基面为一流线，上下游水头差H=H1—H2，即为该流线开始点的剩余（或损失）水头——该流线初始剩余水头。 附带说明：若扬压力计算点在下游水位以下，在一些情况下（见重力坝部分），扬压力习惯被分解成两部分：浮托力与渗透压力。即扬压力=该点的渗透压力+浮托力☞上式不存在普遍性!仅为水工工程设计习惯做法。☞若要使上式有普遍性，应将书中P45第一行“若该点在下游水位以下”的说法修改为：“若在过该点流线出口处如存在静水压力”即可！ 扬压力有效作用面积：实际上几乎作用在100%的截面面积上，因为在截面AB附近的，存在几乎完全通过孔隙的不规则的曲线。所以，在20世纪60年代以后，扬压力的作用面积系数α2=1.0的结论已被各国的规范所采用。 2、有效应力、孔隙水压力、总应力当孔隙水因受压而逐渐排除时，所加的荷重才逐渐转移到土粒骨架上，这一过程称为固结过程。土粒骨架所承担的应力称为有效应力σ′，孔隙水所承担的应力称孔隙水压力u，两者之和称为总应力σ。当水库刚建成蓄水时，水可能尚未渗入材料内部（否则后面说法不对）。此时，对土体施加荷重，土体内的应力为总应力，等于有效应力。即当水库长期蓄水运行后，水已充分渗入坝体和地基内，则在计算时应计入渗流水压力，此时有效应力等于总应力减去渗流水压力。即 二、渗流分析的方法1、流体力学法：由达西定律和稳定渗流的连续性条件方程及边界条件，求解：式中kx、ky、kz分别为坐标轴各向的渗透系数。☞由上述稳定渗流的连续性方程及相应的边界条件，求解找出渗流场的水头值H(x,y,z)，则可求解出渗流区域内任一点的渗流要素：H（渗透水头）、J（渗透坡降）、v（流速）。 2、水力学法：在流体力学基础上，做若干假定、简化、求解渗流区域内的平均渗流要素。3、有限单元法：流体力学的数值解法。4、手工绘制流网法：利用流网的性质（曲线正方形），绘制渗流区域的流网图，求解渗流区域内的渗流要素。5、实验方法：常用的有电模拟法、电网络等模拟试验法。由于成本、周期以及计算机技术进步等原因，目前应用不多。 三、渗透力计算渗透力定义：水在透水材料中流动的过程中将受到透水材料阻力的作用，使水头逐渐损失。同时，水的渗透将对透水材料骨架产生拖曳力，导致透水材料体中的应力与变形发生变化。这种渗透水流对透水材料骨架产生的拖曳力称为渗透力。渗透力是一种体积分布力。渗透力计算：（1）可以推导，在不考虑渗流在铅直方向产生的浮托力的情况下，单位透水材料沿渗流方向所受的渗透力γ为：式中，为渗透坡降。☞相应情况下渗透力作用方向：沿流线方向。 （2）在一般情况下（考虑渗流在铅直方向产生的浮托力的情况下），渗透体积力沿坐标轴向的分力γx、γy、γz：由，可得式中γw为水的容重；p为渗流压力。☞需指出的是，上式中的第三式右边第二项为渗流在铅直方向产生的浮托力。 结构某一区域（例如体积为V）的总渗透力各分力：可通过积分得到式中：dV为体积微分。当求解总渗透力的体积V较小时，总渗透力可以简化为： 四、考虑渗流作用的两种方式渗透体积力方式：扬压力面力方式： 五、几点注记岩体内的渗流主要是集中在裂隙内流动。但常简化成等效多孔介质模型分析。如果将坝体或地基视为连续多孔材料，并认为坝体或地基的渗流可视为层流并符合达西定律，则可以根据边界条件求解二维或三维的以渗透水头为变量的拉普拉斯方程式——求出渗流场内各点的渗透水头——然后求得在计算截面上的压力(扬压力)。但由于边界条件通常也很复杂，难以确定，因此在一般情况下，都是参照已建工程的原型观测成果，采用简化图形的办法以确定扬压力。 渗流分析理论说明应按渗流体积力来考虑库水对坝体的作用，但对于透水性较小的混凝土重力坝设计中，仍然将库水压力作为表面力作用在坝面。这是因为在坝体靠近上游面的部位一般都设有坝身排水管，因而只是在坝体的上游面附近才作用有渗流体积力。对于透水性较大的土石坝，一般采用渗流体积力来考虑库水对坝体的作用，但对于透水性较小的薄心墙、薄斜墙、混凝土面板堆石坝的面板，有时需要计算表面静水压力。 第五节水工建筑物的流体作用一、静水作用不流动的水作用在建筑物上的压力称为静水压力。 二、动水作用动水作用：是水体在流动过程中对建筑物产生的作用。动水作用对水工建筑物产生的作用力包括：水体在其流动边界上产生的摩阻力。建筑物过水表面上的壁面动水压力。泄水建筑物在抛射水流时的产生的反作用力。地震时建筑物表面因振动产生的动水压力等。 溢流坝在溢流时，作用在坝面上的动水压力：一般通过水工试验确定，也可按以下方式作近似计算。按动量方程可推出在反弧段(DE段)上的合力为：水平力（指向上游）：垂直力（垂直向下）：式中:q——单宽流量,m3/s/m。v——反弧段上平均流速，m/s，可近似按能量方程推算。θ、θ′——反弧段起始和末端半径与铅垂线间夹角。r——反弧段半径，一般取4-10h（h为反弧段上最低点处水深），流速较大时宜取较大的反弧段半径，m。g——重力加速度，m/s2。 三、波浪作用水库水面在风的作用下生成风浪，对建筑物的迎风面会产生浪压力。(1)波浪三要素：与风速、吹程和水深有关。在自由库面上，波浪三要素为波浪的波长L1波浪的高度h1波浪中心线壅高h0当建筑物的迎风面为垂直面时，波浪撞击在壁面上产生反射波。反射波与入射波叠加产生驻波。驻波波高为风成波波高的两倍。 (2)波浪的分类当坝前水深H1>（L1/2）时：波浪运动不受库底的约束，称为深水波。当Hk16~18m/s)，随之出现一些高速水流如所特有的问题，如高佛氏数、大雷诺数、紊动强烈、对边界变化非常敏感，很容易产生冲击波、掺气、空穴等现象。（1）空穴（空化）与空蚀空穴（空化）：在水流中，如果水体内部的局部压力降低到气化压力之下，该点的水体将发生气化，形成气化泡。空化泡随水流运动到高压力区时，随即溃灭破裂，同时还伴随爆裂声、冲击力等发生，这一现象称为空穴（空化）。空蚀：空穴发生在固体边壁表面的地方时，空穴泡溃灭的巨大冲击力作用在固体边壁材料上，使表面遭受破坏。这样的破坏称为空蚀。空穴是一种水流现象（是因），空蚀是建筑物的一种破坏形式（是果）。 （2）掺气水流在泄槽或溢流坝中流动时，水流中掺入空气的过程叫水流掺气。自然掺气：是水流在沿固体边界未受到任何突变或另一股水流的干扰下，水气界面(自由面)到达某种临界状态后，空气自然掺入水流的过程。水面自然掺气使水体膨胀，水深加大；加剧水流紊动，导致建筑物振动；产生雾化等，影响水工建筑物正常工作。强迫掺气：是水流受到闸门槽、闸墩、升跌坎、水跃的漩滚或两股水流交汇等外界条件突变时，水流原有流动状态受到破坏，引起局部强烈扰动，致使空气掺入的过程。如泄洪洞在泄流时，在埋深不足的情况下可能产生吸入漩涡，导致水流掺气。在溢流坝和泄槽中，常设有掺气坎，用强迫掺气的方法减轻或消除可能产生的空蚀破坏。 掺气程度：与流速大小、水深和结构表面的粗糙程度有关。溢流坝面掺气水深ha：可按下式计算式中:v——断面平均流速；ξ——修正系数，一般为1.0～1.4，视流速及断面收缩情况而定，当v>20m/s时，宜用较大值；h——掺气前水深。 （3）脉动脉动的基本特征是流场内的流速和压力随着时间不断地变化。脉动压力作用在建筑物表面可能产生下列问题：产生振动。当水流压力脉动的频率与建筑物的固有频率接近时，可能产生共振，严重的威胁建筑物的安全。在压力脉动频率中，影响最大的是频率低、能量大的主频率。产生负压。脉动压力有正有负。当瞬时负压大于平均压力时，建筑物表面会出现瞬时负压。反复出现负压，可能导致空蚀破坏等工程问题。 （4）冲击波在高速下泄的泄槽水流中，由于边界条件改变而形成的水面扰动波称为冲击波。引起冲击波的常见因素：有边墙在平面上的扩散、收缩或弯曲。冲击波的不利影响：使槽内局部水深增加，在槽内反复折冲前行，增加水流压力脉动，使断面单宽流量不均匀，增加消能的困难。 六、水工建筑物的冲刷作用和防护必须采取妥善的手段将下泄水流的危害消除。泄水建筑物消能的原则：就是要将下泄水流的能量消刹在水流漩滚紊动中。泄水建筑物的消能方式：分为体内消能和体外消能。 体内消能：是在建筑物表面或内部产生水流紊动消能。如阶梯式消能工、宽尾墩消能工等辅助消能工。体外消能：是在泄水建筑物的下游某一指定地方通过一定方式消刹水能。常用的有底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能。 第六节水工建筑物的地震作用地震会引起对水工建筑物的动力作用，在地震区筑坝，必须考虑地震作用。水工建筑物抗震计算应考虑的地震作用有：建筑物自重和其上的荷重所产生的地震惯性力地震动水压力地震动土压力影响地震作用的主要因素为地震烈度：表示地震时在一定地点的地面震动的强烈程度，分0～12度（按12个烈度等级划分烈度）。地面运动强度建筑物的动力特性 抗震设计中常用到基本烈度和设计烈度的概念(1)基本烈度：指建筑所在地区，50年基准期内，可能遭遇的地震事件中，超越概率为0.10所对应的烈度。一般为《中国地震烈度区划图（1990）》上所标示的地震烈度值，对重大工程应通过专门的场地地震危险性分析工作确定。(2)设计烈度：指在基本烈度基础上确定的作为工程设防依据的地震烈度。一般情况下，设计烈度等于基本烈度。 【附超越概率：在一定时期内，工程场地可能遭遇大于或等于给定的地震烈度值或地震动参数值的概率。我国的房屋建筑采用采用三水准抗震设防目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。其中：小震指该地区50年内超越概率约为63%的地震烈度，即众值烈度，又称多遇地震；中震指该地区50年内超越概率约为10%的地震烈度，又称为基本烈度或设防烈度；大震指该地区50年内超越概率约为2%～3%的地震烈度，又称罕遇地震。】 (3)对于1级水工建筑物，设计烈度可根据工程的重要性、受害后果的危害性及工程地点的地质条件的复杂性，在基本烈度的基础上提高1度。(4)设计烈度在6度以下，可不进行抗震设计；在7度以上，应进行抗震设计；高于9度或高度超过250m的壅水建筑物，应专门研究论证。 工程抗震设防类别确定：应根据建筑物重要性和工程场地基本烈度确定。划分工程抗震设防类别的目的：选择结构抗震计算方法和调整重要性系数。工程抗震设防类别建筑物级别场地基本烈度甲1（壅水）≥6乙1（非壅水）、2（壅水）丙2（非壅水）、3≥7丁4、5工程抗震设防类别 结构抗震分析方法有：拟静力法反应谱法时程法地震作用效应的计算方法选用：按DL5073-1997《水工建筑物抗震设计规范》规定：甲类设防的水工建筑物：用动力法；乙、丙类设防的水工建筑物：用动力法或拟静力法；丁类设防的水工建筑物：用拟静力法或着重采取抗震措施。动力法 一、地震惯性力（拟静力法）1、水平向地震惯性力沿建筑物高度作用于质点i的水平向地震惯性力代表值可统一用下式计算：式中:Fi为作用在质点i的水平向地震惯性力代表值，kN。ah为水平向设计地震加速度代表值(见下表)。ξ为地震作用的效应折减系数，除另外规定外，取ξ=0.25。GEi为集中在质点i的重力，kN。αi为质点i的动态分布系数。g为重力加速度，取m/s2。(g=9.81m/s2)设计烈度7890.1g0.2g0.4g水平向设计地震加速度代表值 ☞质点的动态分布系数αi，是根据对地震区设计或已建的各类水工建筑物进行大量动力分析的基础上，按不同结构类型、高度归纳出的大体上能反映结构动态反应特征的地震作用效应沿高度分布规律。☞对不同的水工建筑物，或在建筑物不同高度处，αi有不同的取值规定，由此得出分布的地震作用仍以静态作用形式给出。 （1）重力坝上质点的动态分布系数αi:式中：n——坝体计算质点总数；H——坝高，溢流坝的H应算至闸墩顶，m；hi、hj——分别为质点i、j高度，m；GE——为产生地震惯性力的建筑物总重力作用的标准值，kN。 重力坝的水平向地震惯性力的求解计算步骤①将坝体分块，i=1，n。②计算各块的自重GEi、距计算基面的高度hi及。③计算。各块的动态分布系数：各块的地震惯性力：④计算总水平向地震惯性力的作用点高度Hc：☞地震惯性力方向应取对坝体稳定和应力最不利的方向。 (2)拱坝上质点的动态分布系数αi:对于拱坝,各层拱圈各质点水平向地震惯性力沿径向作用,其动态分布系数αi在坝顶取3.0,坝基取1.0，沿高程按线性内插,沿拱圈均匀分布。(3)土石坝上质点的动态分布系数(4)水闸上质点的动态分布系数 2、竖向地震惯性力当考虑竖向地震作用时，竖向设计地震加速度代表值取当同时考虑计算水平向和竖向地震作用效应时：竖向地震作用效应乘以0.5的遇合系数。 二、地震动水压力地震时，坝前、坝后的水也随着震动，形成作用在坝面上的激荡力，称为地震动水压力。1、采用拟静力法计算重力坝地震作用效应时坝面铅直时，①水深y处的地震动水压强按下式计算：式中：py为作用在直立迎水坝面水深y处的地震动水压强代表值，kN/m2；ψ(h)为水深y处的地震动水压力分布系数（查书中表3-14）；ρw为水体质量密度标准值，kg/m3；H1为水深，m；其余符合意义同前。 ②单位宽度坝面总地震动水压力(合力)为:③总地震动水压力合力作用点：在水面以下0.54处。④水深为y的截面以上单位宽度的地震动水压力合力及其作用点位置见图3-25。（水深为y的截面以上单宽地震动水压力的合力及其作用点深度可查现成图表。） 当迎水坝面倾斜，且与水平面夹角为θ时：上述动水压力代表值应以折减系数θ/900。当迎水面有折坡时：①若水面以下直立部分的高度等于或大于水深的一半，可近似取作铅直面，②否则可取水面点与坡脚点的连线作为代替坡度，该线与水平面的夹角即为θ。 2、采用拟静力法计算拱坝地震作用效应时，水平向地震作用的动水压强代表值为：式中符号含义均同前。动态分布系数αi为：坝顶取3.0，坝基取1.0，按线性分布。3、对于土石坝，一般地震动水压力可不予考虑。 4、作用在坝体上、下游面的地震动水压力均垂直于坝面，且二者的作用方向一致。因此，当地震加速度的方向指向上游时，作用在上游坝面上的总水压力增加，而作用在下游坝面上的水压力减小。 三、地震动土压力位于河床部位的坝、水闸等挡水建筑物上游一般没有土压力，也就不存在地震动土压力。当重力坝坝体插入土石坝内，或坝体一侧填土、堆渣时，应计算土体对重力坝坝体的作用力。水闸的岸墙、翼墙等结构以挡土墙状态工作，要承受土压力，遇地震时也就要承受地震动土压力。 第七节作用效应组合一、作用效应组合作用效应：是指施加在结构上的作用引起的结构的反应，如轴力、弯矩、剪力、应力等内力和位移、应变、裂缝等变形。作用效应组合：就是指结构上几种可能同时出现的作用分别产生的作用效应的随机叠加。作用效应组合的原则：是根据各种作用同时发生的可能性，选择最不利的作用效应进行组合。 二、分项系数极限状态设计法中国1994年颁布的《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》（GB50199-94）规定，水工结构设计应根据结构在施工、安装、运行、检修不同时期可能出现的不同作用，以及结构体系和环境条件，将设计状况分为:持久状况（如正常运用时的状况）短暂状况（如施工、检修时的状况）偶然状况（如出现非常运用洪水、设计地震、排水失效）进行水工结构设计时，应根据不同设计状况，对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。作用效应组合有：基本组合：永久作用与可变作用的效应组合。偶然组合：永久作用、可变作用与一种偶然作用的效应组合。长期组合：可变作用的长期效应与永久作用效应的组合。短期组合：可变作用的短期效应与永久作用效应的组合。 三、安全系数设计法按安全系数设计法的规范（如《混凝土拱坝设计规范》(SL282-2003)、《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)），规定了结构应考虑的荷载组合（它实际是通过规定结构荷载组合的方式来实现结构的作用效应组合的）为:基本组合——由同时出现的几种基本荷载组成。有正常蓄水位情况、设计洪水位情况和冰冻情况。特殊组合——由同时出现的几种基本荷载和一种特殊荷载组成。有校核洪水位情况、地震情况和施工情况。'