水工建筑物结构受力状况与设计方法要点

水利水电工程中的水工建筑物种类繁多、功能各异，其结构受力状况和设计方法直接关系到工程的安全性与经济性。本文从水工建筑物的分类出发，系统梳理结构荷载类型、基本设计方法及各项结构验算内容。

一、水工建筑物的分类

水工建筑物可按使用期限和功能两个维度进行分类。

1.1 按使用期限分类

• 永久性水工建筑物：工程运行期间长期使用，按重要性进一步分为：
• 主要建筑物：失事后造成下游灾害或严重影响工程效益，如坝、泄水建筑物、输水建筑物及电站厂房等
• 次要建筑物：失事后不致造成下游灾害，对工程效益影响不大且易于恢复，如挡土墙、导流墙、工作桥及护岸等
• 临时性水工建筑物：工程施工期间使用，如围堰、导流隧洞、导流明渠等

1.2 按功能分类

类型	功能	典型实例
挡水建筑物	拦截江河、形成水库或壅高水位	各种坝、水闸、堤防、海塘
泄水建筑物	宣泄洪水、排放泥沙和冰凌、放空水库和渠道	溢流坝、坝身泄水孔、岸边溢洪道、泄水隧洞
输水建筑物	从上游向下游输水，满足发电、灌溉和供水需要	引水隧洞、引水涵管、渠道
取（进）水建筑物	输水建筑物的首部建筑物	引水隧洞进水口段、灌溉渠首、进水闸
渠系建筑物	渠道上的控制与连接建筑物	节制闸、分水闸、渡槽、倒虹吸、沉沙池、跌水
河道整治建筑物	改善水流条件、防护岸坡冲刷	丁坝、顺坝、导流堤、护底、护岸
专门建筑物	服务于发电、通航、过鱼等单一目的	水电站、船闸、升船机、鱼道、过木道

部分水工建筑物具有多重作用。例如溢流坝既起挡水作用又起泄水作用；水闸既可挡水又能泄水，还可作为灌溉渠首的取水建筑物。多个不同作用的水工建筑物相互配合、协同运行，形成水工建筑物综合体，称为水利工程枢纽，分为：

• 蓄水枢纽
• 取水枢纽（又称引水枢纽、渠首工程）
• 提水枢纽

二、结构荷载的三大类别

根据《水工建筑物荷载设计规范》SL744—2016，按荷载随时间的变异，水工建筑物结构上的荷载分为三类：

2.1 永久荷载（7种）

永久荷载在合理使用年限内量值不随时间变化，或其变化值与平均值比较可忽略不计。主要包括：

• 建筑物结构自重
• 永久设备自重
• 地应力
• 围岩压力
• 土压力
• 预应力锚固荷载
• 淤沙压力（有排沙设施时可列为偶然荷载）

2.2 可变荷载（15种）

可变荷载在合理使用年限内量值随时间变化，且变化值与平均值比较不可忽略。主要包括：

• 水压力类：静水压力、外水压力、扬压力、动水压力
• 环境荷载类：风荷载、雪荷载、冰压力、冻胀力、浪压力
• 使用荷载类：楼面活荷载、平台活荷载、桥机荷载、闸门启闭机荷载
• 其他：温度作用、灌浆荷载、土壤孔隙水压力、系缆力、撞击力

2.3 偶然荷载（2种）

偶然荷载在合理使用年限内出现概率很小，一旦出现其值很大且持续时间很短。主要包括：

• 校核洪水时的静水压力
• 地震作用

水工建筑物设计时，首先计算建筑物上所承受的荷载，然后进行荷载组合，再进行抗滑稳定分析、应力分析、渗流计算、沉降计算和抗震设计等。

三、结构设计方法

3.1 四种基本设计手段

• 理论分析：针对结构体系和水流状况建立物理、力学模型，运用材料力学、结构力学、水力学、弹性力学、流体力学和有限元等方法求解
• 试验研究：针对边界和工作条件复杂的枢纽或建筑物，进行水工模型或结构模型试验，分析工作过程和破坏机理，解决理论分析无法解决的问题
• 原型观测：通过埋设在建筑物内的观测仪器，对变位、变形、应力、应变和渗流等进行观测分析，检验理论分析和模型试验成果
• 工程类比：参照与本工程运行条件相似且正常运行的已建工程，选定建筑物的基本尺寸和参数

3.2 两种安全校核方法

结构设计的核心是将结构受荷载产生的荷载效应（位移、变形、内力、应力等）与结构本身的结构抗力作对比。目前主要采用以下两种设计方法：

（1）单一安全系数法

核心公式：S ≤ R / K，其中 K 为安全系数（大于 1.0），R 为结构抗力取用值，S 为作用效应取用值。当 R/S ≥ K 时，认为结构符合安全要求。

安全系数目标值的确定综合考虑以下因素：

• 结构的安全级别
• 工作状况及作用效应组合
• 结构和地基的受力特点及计算所使用的方程

以混凝土结构构件为例，其承载力安全系数 K 的取值：

主要数据要点：

• 钢筋混凝土和预应力混凝土：1级建筑物基本组合 1.35，偶然组合 1.15；2、3级基本组合 1.20；4、5级基本组合 1.15
• 素混凝土（受压）：1级基本组合 1.45，数值高于钢筋混凝土
• 素混凝土（受拉）：1级基本组合达 2.20，安全储备最高（反映素混凝土抗拉性能较弱）

单一安全系数法的局限在于：将各因素作为确定性量值，用概略系数 K 包容不确定性，但加大 K 并不一定按比例增加安全度，且不能清楚反映结构可靠性。

（2）分项系数极限状态设计法

《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》GB50199—2013 采用概率极限状态设计原则，以分项系数极限状态为设计方法，核心概念包括：

• 结构可靠性：结构在规定的时间内、规定的条件下具有预定功能的概率
• 结构的极限状态：结构超过某一特定状态就不能满足设计规定的功能要求
• 承载能力极限状态：对应于结构达到最大承载力或不适于继续承载的变形的状态
• 正常使用极限状态：对应于结构达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态

该方法引入可靠性设计理论，综合各因素的变异性和不定性，推出一整套分项系数作为衡量结构可靠性的尺度，比单一安全系数法更接近工程实际。

四、典型建筑物受力分析

三种典型水工建筑物的受力特点：

• 重力坝：主要依靠自重维持稳定，所受荷载包括自重、上下游水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力和地震作用等
• 水闸：低水头水工建筑物，具有挡水和泄（引）水双重功能，所受荷载包括水压力、扬压力、土压力等
• 水工挡土墙：承受土压力、防止土体坍塌。按断面结构形式分为重力式、半重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、空箱式、板桩式、锚杆式和加筋式

五、结构验算五要素

5.1 抗滑稳定分析

• 分析对象：重力坝沿坝基面的抗滑稳定；若岩基内有软弱夹层，还需核算沿软弱夹层的抗滑稳定
• 分析方法：整体宏观的半经验法
• 关键部位：坝底与基岩的接触面（受库水压力最大，混凝土与岩基可能产生微小裂缝）
• 计算公式：K = f(∑W − U) / ∑P，其中 f 为摩擦系数，∑W 为竖直向合力，U 为扬压力，∑P 为水平向合力

5.2 应力分析

• 目的：校核强度和稳定——应力不超过材料强度、变形和位移不超过允许值、裂缝控制在允许范围内
• 重力坝方法：材料力学法（视为固结于地基上的悬臂梁）、有限元法
• 拱坝方法：纯拱法、拱梁分载法、有限元法、壳体理论法
• 控制标准（基本荷载组合下）：
• 坝基面：最大垂直压应力 < 坝基容许压应力，最小垂直压应力 > 零
• 坝体：下游面最大主压应力 ≤ 混凝土允许压应力，上游面最小主压应力 > 零

5.3 渗流分析

导致大坝灾难性破坏的五种基本模式：

• 溢洪道泄洪能力不足，洪水漫过坝顶
• 坝体连同部分地基沿软弱面滑移破坏
• 坝体因扬压力过大沿坝基面滑动
• 坝体或坝基因管涌或流土而破坏
• 坝的上下边坡发生滑移破坏

渗流在后四种模式中均起重要作用。渗流分析计算从三个方面进行：

• 确定渗透压力
• 确定渗透坡降（或流速）
• 确定渗流量

对土石坝还应确定浸润线的位置。

5.4 沉降计算

• 目的：确定坝体和坝基在自重作用下的沉降量与时间的关系及完工后总沉降量
• 工程应用：计算竣工后为抵消沉降而预留的坝顶超填高度，预测不均匀沉降量，判断产生裂缝的可能性
• 计算方法：分层总和法——将坝体坝基分为若干层，按压缩曲线计算各层竖向总应力、孔隙压力、有效应力及相应沉降量，叠加得总沉降量

5.5 抗震设计

• 地震震级：表示地震时释放能量大小的尺度，一次地震只有一个震级
• 地震烈度：某一地区地面和建筑物遭受地震影响的强弱程度，随震中距离远近而不同
• 地震作用构成：地震惯性力、水平向地震动水压力、地震动土压力
• 计算方法：动力法和拟静力法
• 设计烈度：重要建筑物可在基本烈度基础上提高1度
• 水库诱发地震机理：库水渗透到岩石中使岩体孔隙水压力增大，断层面有效应力减小、抗剪强度降低，以致产生滑动

总结

水工建筑物结构设计遵循"分类定位→荷载识别→安全校核→多维度验算"的系统流程。首先明确建筑物功能分类，然后识别永久荷载、可变荷载和偶然荷载三类结构荷载并完成组合，再通过单一安全系数法或分项系数极限状态设计法进行安全性校核，最终依次完成抗滑稳定、应力、渗流、沉降及抗震五项核心验算，确保结构在各类工况下安全可靠。