水利工程设计.doc

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.