水工建筑物的可靠性设计研究

[摘 要]水工建筑是建筑业的一个分支，它的设计主要是用于保护以及容纳水利设施和设备，随着社会的发展进步，开始越来越受到重视。目前水利工程虽然整体属于上升的趋势，但是也存在局部的矛盾，水工建筑物的特点主要有工作的条件复杂、施工的工艺难度比较大以及受自然条件的约束比较多。所以在设计上要注重结构上的研究，本文主要对水工建筑物的可靠性设计的领域以及设计方法进行了阐述。

[关键词]水工建筑；设计研究；可靠性

中图分类号：V253 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0193-01

一、水工建筑的设计可靠性设计领域

1.总平面的设计

水利工程建筑的总平面设计主要包括主体的建筑物以及主要的配套的设施，主体的设施主要包括坝、闸；配套的设施主要包括管理用房、生活用房以及绿化等。在传统的设计过程中，只是对于水利工程的位置图进行设计，但是缺少配套的环境全局和配套建筑的总体规划和设计，从而忽略了建设的合理布局。目前调整之后，对于水利建筑的设计已经提升了水利工程建筑中的艺术感观，增强了建筑物之间的搭配和整体感。

2.建筑的平面设计

水利工程建筑的平面布置形式的设计通常要根据专业的设备布置要求，从而满足在总图布置的过程中的规范需求以及交通的关系，近几年，水利工程建筑开始和建筑的艺术相结合，相互协调、相互促进以及相互提高。目前有反力直线法、半无限地基假定法等方法。再设计过程中要求设计人员要结合地质等因素，选择出简单的又兼顾准确性的计算方法来进行设计。

3.造型的设计

水利工程建筑设计要考虑周边的环境需要，并且将传统的和现代的相结合来达到设计协调，但是要避免只顾追求时尚的建筑设计，建筑确实应该具备一定的个性，但是注意要得体，粗中有细，或者通过墙面、开窗方式和柱子的关系来对其进行丰富，从而使得感观上不单调。

4.建筑的材料设计

水利工程建筑的结构设计所能体现的色彩运用和感观效果所运用的材质有关系，水工建筑通常要位于环境空旷的地方，会受到风沙的侵蚀并相应带来的清洁问题，其次还要考虑耐风的强度以及受到雨水冲击的程度，所以在水利工程的建筑材料的选择上，设计者可能会出现一定的主观性，所以必须要避免对于材质色彩的偏好而进行有限选择。

5.水工建筑的混凝土的结构设计

（1）首先确定出水工的混凝土的结构极限

混凝土的极限状态主要分为正常的使用以及承载能力这两种，承载力的极限状态的标准主要是要使得结构材料的强度超过其极限承载能力，在水利工程的重力坝的挡水结构要能够将受压的极限承载极限状态作为设计的依据，对于最大的拉应力要进行限制，控制其要小于规定的应力限值。那么在这类水利工程的结构之中，要设计一个应力的约束极限，然后测定出混凝土的结构上的不连续点，从而控制裂缝的产生。

（2）裂缝的相关控制

在水利工程的混凝土的结构设计过程中，裂缝的控制是最为重要的问题，水利工程中有许多的结构是会受到裂缝宽度的控制，所以要采取措施控制裂缝的产生，可以通过对所处的荷载性质、构件受力的性质、环境条件、结构的使用年限以及钢筋种类进行综合的考虑，并且区分出来耐久性对于裂缝的宽度的要求不同，并且确定出容许的裂缝宽度，在理论上分析，安全的等级不同的结构，正常的使用的耐久性指标也相应不同。对于钢筋的混凝土的构件的抗裂性的指标进行计算和评估，并且要根据断面的作用变形力所导致的裂纹，来确定设计的标准。

6.水闸的设计问题分析

⑴消力池底板的排水孔

护坦也即消力池底板能够承受要水流的脉动压力、水流的冲击力以及底部的扬压力等作用，所以需要充足的强度、重量以及抗冲耐磨的能力，要降低护坦的底部渗透压力，最常用的措施是在水平护坦的后半部分设置上垂直的排水孔，孔下铺上反滤层，并且使得排水孔以梅花型的形状布置。

⑵闸基的防渗面层的排水

水闸在上下游的水位差作用下，使得上游水可以从河床中渗入，并且绕经上游的防渗铺盖，闸底板以及板桩，并且进一步由反滤层至排水孔再到下游水位，那么不透水的板桩、铺盖和闸底板和地基的接触面就成为地下的轮廓线，其布置的原则是高防低排，在高水位的那侧布置板桩、铺盖等防渗设备，滞渗到延长底板的上游渗径，主要目的是减小在底板上的渗透压力。土基上的水闸一般采用平铺式的排水，渗流与下游连通，降低排水体的起点的前面闸底上的渗透压力，排水体就只需要把滤层中的粗粒粒径中的最大一层厚度增加。

⑶翼墙的排水孔

水闸建成之后，除了闸基的渗流之外，渗水经过上游绕过岸墙、翼墙等流向下游，就成为侧向的渗流，会造成底板的渗透压力的增大，并且使得渗流的出口处发生危害性的渗透性变形。所以一定要做好侧向的防渗排水设施和设备。为了排水渗水，单向的水头水闸可以护坡和下游翼墙上设置排水孔，并且在挡土墙的一个侧孔处设置上反滤层。

二、水工建筑的可靠性设计方法

1.结构的可靠度理论

现行的水工结构的设计中以概率理论作为基础的极限状态设计法，主要是用以经验为主的安全系数法来转换得到的。水工结构的可靠性设计目前仍然仅限于把结构的承能力和抗力等相关参数作为随机变量来处理。主要是以极限状态方程Z=g（R，S）=R-S小于0来定义失效的概率Pf，而可靠度Pr=1-Pf来计算，两者为互补的关系。当S和R都为非正态的分布随机变量，并且需要对其进行当量正态化的处理，也即是按照当量正泰变量的均值以及标准差的概率密度函数，在验算点处可以和原变量的数值相等，迭代求得验算点的可靠指标和变量值，用的是国际结构的安全度联合委员会即是JC法。

2.分项系数的极限状态表达式

以分项系数表达的极限状态设计方法不仅是当前在工程可靠度设计中普遍采用的表达式，同样也适用于确定性的方法，作用分项系数以及材料性能的分项系数可能存在一定的不确定性，并且分别具有明显的超载以及降强的作用，并且与结构的类型没有关系。水工的结构系数可以用来考虑各种结构抗力的不定性，这些不定性以及结构形式有很大的关系，所以引入一个结构系数来表示不同目标的可靠性指标。

3.目标的可靠性指标的确定

目前的可靠性指标的确定主要有事故类比法、经验校准法、经济优化法这三种方法。确定目标的可靠性指标要考虑到理论结果以及工程的结构设计现状，在实际的应用过程中，主要还是应用前两种方法来找到原始规范设计在结构中所隐含的相应的可靠性指标的数值。记过反复的计算来制定以概率分析的可靠性设计目标为基础的可靠性指标。

三、总结

综上所述，在水利工程的结构设计中推行以结构上的可靠度理论为基础的方法，主要是概率极限的状态设计法，可以较好对设计中主要的不定性因素来进行一定的量化分析。与此同时，在推广水利工程结构的可靠度设计方法中，也需要加大对荷载的力度，以及材料性质和抗力等设计的要素的数理统计方面的分析工作，特别是要对近几十年的积累的设计资料来进行统计和分析，其次，对于已经建成的工程的大量原形结构的观测资料进行分析、并且收集极限状态情况下观测的相关资料，下一步对于已经存在的大量实验研究的成果来进行统计和分析。再次，还要开展可靠度的理论方法的研究和简化已有的设计表达式，并且要规范的工作要求，积极宣传设计，做好推广工作，做好这些对于提高水利工程可靠性的高精度的研究具有很大意义。

参考文献

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[2] 陈肇元，杜拱辰.结构设计规范的可靠度设计方法质疑[J].建筑结构，2013（5）：64-69.