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水利工程设计
第三篇水利工程设计(上)
天津水利勘测设计院副总工程师陆宗磐
1设计文件编写规定
1.1概述
大、中型水利水电工程的设计阶段有项目建议书、可行性研究、初步设计、招标设计和施工详图设计等五个阶段。
1.2可行性研究报告编制
“对工程项目的建设条件进行调查和必要的勘测,在可靠资料的基础上,进行方案比较,从技术、经济、社会、环境等方面进行全面分析论证,提出可行性评价”
条文中对上述各项工作的要求深度有选定(确定、查明)、基本选定和初步选定三个档次。
选定一般不允许变更,基本选定是允许有小幅度的或局部的变更,初选是有充分论据时可以变动。
1.3初步设计报告编制
《强制性条文》引入DL5021—93第1.0.3条规定,编制初步设计报告时,应认真进行调查、勘察、试验、研究,取得可靠的基本资料。
设计应安全可靠,技术先进,密切结合实际,节约投资,注重经济效益。
初步设计报告应有分析,有论证,有必要的比较方案,并有明确的结论和意见,文字简明扼要,图纸完整清晰。
各类工程应根据其任务特点对本规程所规定的内容有所取舍,深度有所侧重。
2等级划分
《强制性条文》的“等级划分”中纳入4本规范共18条:
《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000(10条);
《堤防工程设计规范》GB50286-98(2条);
《城市防洪工程设计规范》CJJ50-92(1条);
《灌溉与排水工程设计规范》GB50288-99(5条)。
2.1水利水电工程
2.1.1技术背景
我国分别于1959年、1964年先后制定了《水利水电工程设计基本技术规范》、《水利水电工程等级划分及设计标准》(草案);1978年、1987年、1994年我国颁布了《水利水电工程等级划分及设计标准》(山区、丘陵区部分)(试行)SDJ12-78、《水利水电工程等级划分及设计标准》(平原、滨海部分)(试行)SDJ217-87、《防洪标准》GB50201-94;2000年,我国颁布了《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000。
2.1.2工程等别划分标准
1水利水电工程
1)库容分等指标
2)防洪枢纽工程分等指标
3)治涝、灌溉枢纽工程分等指标
4)供水工程分等指标
5)水电站分等指标
2综合利用水利水电工程
综合利用水利水电枢纽工程往往同时兼有防洪、发电、灌溉、供水等多种功能或任务,当按各项任务的分等指标确定的工程等别不同时,应以其中的最高等别为准。
3拦河闸工程
4灌溉、排水泵站
2.1.3水工建筑物级别划分标准
1永久性水工建筑物级别
在采用本标准确定水利水电工程建筑物级别时,必须注意下列几点:
1)失事后损失巨大或影响十分严重的水利水电工程的2~5级主要永久性水工建筑物,经过论证并报主管部门批准可提高一级;失事后造成损失不大的水利水电工程的1~4级主要永久性水工建筑物,经过论证,并报主管部门批准,可降低一级。
(第2.2.2条)
2)水利水电工程失事对下游的影响,与失事时的水头有很大关系。
3)当地质条件特别复杂时,基础设计参数不易准确确定;
4)采用新型结构时,由于实践经验少,较难评价结构的可靠性。
2临时性水工建筑物级别
临时性水工建筑物是指水利水电工程施工时所使用的建筑物,如导流建筑物、施工围堰、临时泵站等。
SL252-2000第2.2.6条规定,水利水电工程施工期使用的临时性挡水和泄水建筑物级别,应根据保护对象的重要性、失事后果、使用年限和临时性建筑物的规模进行划分。
2.1.4适用范围及注意事项
1适用范围
对已建水利水电工程进行加固或改建、扩建,执行条文有困难时,经充分论证并报主管部门批准,可适当调整。
2.2堤防工程
2.2.1技术背景
我国于1998年1998年制定并颁布了《堤防工程设计规范》GB50286-98。
2.2.2堤防工程级别划分
2.2.3适用范围及注意事项
2.3城市防洪工程
2.3.1技术背景
我国于1992年制定颁布了《城市防洪工程设计规范》CJJ50-92。
2.3.2城市防洪建筑物级别划分
2.3.3适用范围及注意事项
2.4灌溉与排水工程
2.4.1技术背景
我国于1999年颁布了《灌溉与排水工程设计规范》GB50288-99。
2.4.2灌溉与排水工程等别划分
1引水枢纽工程的等别
2灌、排渠沟工程分级
3灌、排建筑物分级
2.4.3适用范围及注意事项
3.1防洪
我国已颁布了《防洪标准》GB50201-94、《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000、《城市防洪工程设计规范》CJJ50-92等标准。
3.1.1城市防洪标准
3.1.2乡村防护区防洪标准
3.1.3蓄、滞洪区防洪标准
蓄、滞洪区的防洪标准,应根据批准的江河流域规划的要求分析确定。
1山区、丘陵区永久性水工建筑物
1)土石坝、混凝土坝及浆砌石坝
SL252-2000考虑到行业标准服从国家标准,按GB50201-94的规定制定洪水标准。
2)消能防冲设计洪水
消能防冲设计的洪水标准,可低于泄水建筑物的洪水标准
3)水电站厂房
河床式水电站厂房,挡水部分的洪水标准,应与工程的主要挡水建筑物的洪水标准相一致。
2平原区、滨海区永久性水工建筑物
1)水库工程、拦河水闸
2)潮水标准
3其它水利工程的永久性水工建筑物
1)灌溉和治涝工程
2)供水工程
3)泵站
4临时性水工建筑物
3.1.4桥梁的设计洪水标准
桥梁的设计洪水标准,不应低于所在河道或排洪沟渠的防洪标准。
v3.2安全超高
3.2.1永久性挡水建筑物的安全加高
1混凝土或浆砌石坝
2土石坝
3.2.2泄、输水建筑物的安全加高
1溢洪道
2水闸
3.2.3堤防工程
3.2.4城市防洪工程
3.2.5泵站泵房挡水部位顶部的安全加高
3.3稳定与强度
3.3.1稳定安全系数
1堤防工程
需要说明的几个问题:
1)土堤的抗滑稳定计算分为正常运用情况和非常运用情况。
2)土堤抗滑稳定计算采用瑞典园弧滑动法。
3)土的抗剪强度指标可用三轴剪力仪测定,也可用直剪仪测定。
2碾压式土石坝
3浆砌石坝
需说明的是:
对于1级浆砌石坝及坝高超过110m的浆石坝,应进行专门的研究。
4砼重力坝
需要强调:
SDJ21-78中对抗剪断和抗剪两种计算公式允许任选一种公式计算。
《补充规定》中明确,对中型工程中的中、低坝,若无条件进行试验时,允许采用抗剪强度公式计算,采用参数和安全系数仍按SDJ21-78中有关条文执行。
除此之外,应采用抗剪断公式。
5砼拱坝
需说明的问题:
对于坝高超过200m或有特殊问题的工程,应进行专门研究。
上表中所列的安全系数应与抗剪强度参数的取值和工程经验相协调。
7水闸
1)各种计算情况下要求闸室平均基底压力不大于地基容许承载力。
2)各种计算情况下要求闸室基底压力最大值与最小值之比不大于表3.3.1-9规定的容许值。
3)各种计算情况下要求闸室抗滑稳定安全条数不小于表3.3.1-10规定的容许值。
无论是采用那一种计算公式计算,该规定只规定一种抗滑稳定安全系数容许值。
8水电站厂房
厂房整体抗滑稳定安全系数(不分建筑物等级)应满足表3.3.1-11的规定。
9泵站
3.3.2强度问题
1混凝土抗渗等级
2素砼构件
SL/T191-96第5.1.1条规定,素混凝土不得用于轴心受拉或偏心受拉构件。
3予制构件吊环
SL/191-96第9.6.5条规定,予制构件的吊环必须采用级钢筋制作,严禁采用冷加工钢筋。
4构件的强度安全系数
5构件的抗裂安全系数全系数
3.4防火
3.4.1设计基本要求
防火设计基本要求:
1.建筑物的耐火等级。
2.房屋的平面布置、建筑设备布置、防火和防烟分区及建筑构造应满足消防要求,重点控制建筑物之间的防火间距、建筑内部的防火分区面积和分隔构件、有较大火灾危险和爆炸危险的设备布置位置。
3.建筑物通道和出口应满足安全疏散要求。
重点控制疏散通道的距离和防护措施、出口数量和宽度。
4.特殊场合的采暖通风防火和消及措施。
5.编制施工组织设计的应考虑消防安全。
3.4.2建筑物的耐火等级和建筑材料的燃烧性能
1耐火等级
《强制性条文》规定的水力发电厂和水泵站的耐火等级是引用的SDJ278-90第2.0.2条,火灾危险性分类和耐火等级是依据《建筑设计防火规范》(GBJ16-87)规定的原则划分的。
2构件的燃烧性能和耐火极限
提高构件耐火极限和改变燃烧性能的方法
(1)适当增加构件的截面尺寸。
(2)对钢筋混凝土构件增加保护层厚度。
(3)在构件表面做耐火保护层。
(4)钢梁、钢屋架下做耐火吊顶。
(5)在构件表面涂覆防火涂料,可有效提高其耐火极限,涂于可燃性材料表面,可改变其燃烧性能。
(6)进行合理的耐火构造设计。
3.4.3防火间距
1防火间距要求
水电站和泵站防火防计的重要部位是主变压器场和油库,为此《强制性条文》引用的SDJ278-90第3.2.2条规定:
屋外主变压器场与厂区建筑物、绝缘油和透平油露天油罐的防火间距不小于表3.2.2的规定,第3.2.3条要求绝缘油及透平油露天油罐与厂区建筑物、开关站厂外铁路、公路干线的防火间距不小于表3.2.3的规定,第3.2.4条要求厂房外地面油罐室的耐火等级不应低于三级,与厂区建筑物、屋外主变压器场及厂外铁路、公路干线的防火间距不小于表3.2.4的规定。
3确定防火间距的基本原则
最小防火间距应能通过一辆消防车,即3.5m左右,一般宜为4m。
两座相邻建筑较高的一面外墙为防火墙时,其防火间距不限。
3.4.4安全疏散
1安全出口及数目
《强制性条文》的SDJ278-90第4.2.1条和第4.2.2条分别规定:
地面厂房的发电机层或水站的电机层,安全出口不应少于两个,且必须有一个直通屋外地面;地下厂房的发电机屋应设两个通至屋外地面的安全出口,并至少应有一个直通屋外地面。
3.4.5消防设施
消防设施有火灾自动报警系统、建筑防排烟系统、固定的自动灭火系统(如自动喷水灭火系统、泡沫灭火系统、气体灭火系统等)和其他灭火设施(手提灭火器、室内外消火栓等)。
主、副厂房、泵房均应设置消火栓。
在《强制性条文》中主要纳入了SDJ278-90的第8.0.5条、9.2.1条、9.2.2条有关消火栓和给水方面的规定:
给水设施应满足消防给水要求的水量与水压。
必须在任何情况下保证消防给水。
3.4.6采暖通风防火
《强制性条文》中主要纳入了SDJ278-90的第10.0.6条规定防酸隔爆型铅酸蓄电池室、储酸室、油罐室、油处理室和油再生室严禁用明火或敞开式电热器采暖,不应装设照明开关和插座。
灯具应采用防爆型。
油罐室、油处理室、油再生室、防酸隔爆型铅酸蓄电池室、储酸室等的送风量按不小于3~6次/h换气次数计算。
排风系统必须独立设置,且不允许循环使用。
3.4.7施工组织设计中的消防安全问题
《强制性条文》引用了(SD267-88)第6.2.1条的规定在编制施工组织设计时,应对消防安全要求统一考虑。
3.5抗震
3.5.1基本内容与技术背景
我国己于1984年颁布了基于概率法的《建筑结构设计统一标准》(GBJ68—84),1989年颁布的《建筑抗震设计规范》(GBJll—89)。
水电部门也于1994年完成了《水利水电工程结构可靠度设计统一标准(GB50199-94。
3.5.2地震危险性分析
3.5.3抗震设防概率水准
3.5.4加速度的概率分布
地震的各种参数诸如地震烈度、峰值加速度、反应谱等符合极值概率分布,为国内外地震工程研究界所接受。
地震峰值加速度的概率分布,目前已有的研究趋向认为符合极值ii型。
我国城建部门曾对地震烈度换算的峰值加速度进行分析检验,分别用极值ⅱ型和极值I型进行拟合,结果表明,用极值卫型比用极值I型拟合得更好些。
3.5.5地震烈度的概型
由于地震烈度有上界,一般倾向于认为地震烈度的概率分布符合极值ⅲ型。
我国城建部门曾用极值皿型分布拟合45个城镇地震危险性分析的烈度成果,得到满意结果。
3.5.6水库诱发地震
SL203-97第1.0.7条规定:
“坝高超过100m、库容大于5亿m3的水库,如有可能发生高于6度的水库诱发地震时,应在水库蓄水前就进行地震前期监测”。
3.5.7地震监测
SL203-97第1.0.9条规定:
“设计烈度为8、9度时,工程抗震设防类别为甲类的水工建筑物,应进行动力试验验证,并提出强震观测设计,必要时,在施工期宜设场地效应台阵,以监测可能发生的强震;工程抗震设防类别为乙类的水工建筑物,宜满足类似要求。
”
3.6抗冰冻
3.6.1基本要求
抗冰冻设计的基本要求:
1.在充分掌握工程所在地的自然条件和运行情况等基本资料的前提下,合理确定冰冻荷载;
2.选择适宜的材料和确定混凝土抗冻等级;
3.在选择工程站址、总体布置和结构形式时,应充分考虑冰冻作用;
4.进行冰压力和冻胀力作用下的稳定和强度验算,确定必要的抗冻胀工程措施。
3.6.2混凝土抗冻等级
混凝土的抗冻等级分为F400、F300、F200、F150、F100、F50六级,应按《水工混凝土试验规程》SD105-82规定的快冻试验方法确定。
1气候分区
2冻融循环次数
3小气候条件
4饱和程度
5构件重要性和检修条件
6其它
7大体积混凝土的抗冻等级
3.6.3堤坝
1混凝土坝与浆砌石坝
2土石坝
3泄水建筑物岸坡
3.6.4取水和输水建筑物
1取水口排冰
2露天压力管道
3.6.5闸涵建筑物
有过冰要求的拦河闸和渠系水闸,宜采用开敞式。
应验算冰压力作用下闸墩的稳定和强度。
3.6.6桥梁和渡槽
SL211-98第10.1.6条规定:
基础在冻(冰)层内和地(冰)面以上至少40cm范围内不得设置横系梁。
3.7劳动安全
根据《中华人民共和国劳动法》有关“新建、改建、扩建工程的劳动安全卫生设施必须与主体工程同时设计、同地施工、同时投入生产和使用。
”的规定,水利水电工程劳动安全与工业卫生设计必须与主体工程同时设计。
3.7.1防雷击
厂外独立的油处理室、油罐室(露天油罐)及易燃材仓库应在直击雷保护范围内,其建筑物或设备上严禁装设避雷针,应用独立避雷针保护,并应采取防止感应雷和防静电的措施。
3.7.2防噪声
《强制性条文》引入DL5096-1996第5.1.1条规定:
水利水电工程各类工作场所的噪声宜符合
3.7.2所列噪声A声级限制值的要求。
3.7.3防烟
DL5096-1996第5.4.11条规定:
易发生火灾的部位应设置事故排烟设施。
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