5077水工建筑物荷载设计规范.docx
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5077水工建筑物荷载设计规范
水工建筑物荷载设计规范
Specificationforloaddesignofhydraulicstructures
中华人民共和国电力行业标准
水工建筑物荷载设计规范
DL5077－1997
主编单位：
电力工业部中南勘测设计研究院
批准部门：
中华人民共和国电力工业部
批准文号：
电综［1997］567号
前言
本规范是根据1990年原能源部、水利部水利水电规划设计总院“（90）水规字11号”文件的安排组织制订的。
其目的在于统一水利水电工程结构设计的作用（荷载）取值标准，以利于按照GB50199－94《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》的原则和方法进行水工结构设计。
本规范必须与按照GB50199－94《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》制订的其他水工结构设计规范配套使用。
本规范中所列全部附录都是标准的附录。
本规范由电力工业部水电水利规划设计总院提出、归口并负责解释。
本规范的主编单位：
电力工业部中南勘测设计研究院。
参编单位有：
电力工业部北京勘测设计研究院、西北勘测设计研究院、成都勘测设计研究院、华东勘测设计研究院，水利部上海勘测设计研究院、东北勘测设计研究院，中国水利水电科学研究院，南京水利科学研究院。
本规范的主要起草人：
梁文浩宋常春苗琴生张学易段乐斋周芸黄东军
范明桥刘文灏陈厚群席与光卢兴良薜瑞宝赵在望岳耀真吕祖珩潘玉华
刘蕴琪吴孝仁侯顺载谯常忻王鉴义汤书明聂广明徐伯孟潘玉喜唐政生
郦能惠李启雄黄淑萍
目次
前言
1范围
2引用标准
3总则
4主要符号
5作用分类和作用效应组合
5.1作用分类及作用代表值
5.2作用效应组合
6建筑物自重及永久设备自重
6.1建筑物自重
6.2永久设备自重
7静水压力
7.1一般规定
7.2枢纽建筑物的静水压力
7.3水工闸门的静水压力
7.4管道及地下结构的外水压力
8扬压力
8.1一般规定
8.2混凝土坝的扬压力
8.3水闸的扬压力
8.4水电站厂房和泵站厂房的扬压力
9动水压力
9.1一般规定
9.2渐变流时均压力
9.3反弧段水流离心力
9.4水流对尾槛的冲击力
9.5脉动压力
9.6水锤压力
10地应力及围岩压力
10.1一般规定
10.2岩体初始地应力（场）
10.3围岩压力
11土压力和淤沙压力
11.1挡土建筑物的土压力
11.2上埋式埋管的土压力
11.3淤沙压力
12风荷载和雪荷载
12.1风荷载
12.2雪荷载
13冰压力和冻胀力
13.1静冰压力
13.2动冰压力
13.3冻胀力
14浪压力
14.1一般规定
14.2直墙式挡水建筑物上的浪压力
14.3斜坡式挡水建筑物上的浪压力
15楼面及平台活荷载
15.1水电站主厂房楼面活荷载
15.2水电站副厂房楼面活荷载
15.3工作平台活荷载
15.4其他要求及作用分项系数
16桥机和门机荷载
16.1桥机荷载
16.2门机荷载
17温度作用
17.1一般规定
17.2边界温度
17.3温度作用标准值
18地震作用
18.1一般规定
18.2设计地震加速度及设计反应谱
18.3地震作用的水库计算水位
19灌浆压力
附录A（标准的附录）水工结构主要作用按随时间变异的分类
附录B（标准的附录）水工建筑物的材料重度
附录C（标准的附录）混凝土衬砌有压隧洞的外水压力折减系数
附录D（标准的附录）改进阻力系数法
附录E（标准的附录）简单管路水锤压力计算公式
附录F（标准的附录）主动土压力系数Ka和静止土压力系数K0的计算
附录G（标准的附录）波浪要素和爬高计算
附录H（标准的附录）水库坝前水温计算
附录J（标准的附录）拱坝运行期温度作用的标准值
附录K（标准的附录）本规范用词说明
1范围
本规范适用于各类水工建筑物的结构设计。
2引用标准
下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成本标准的条文。
本标准出版时，所示版本均为有效。
所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
GB50199－94水利水电工程结构可靠度设计统一标准
GBJ9－87建筑结构荷载规范
GBJ145－90土的分类标准
DL5073－1997水工建筑物抗震设计规范
DL/T5058－1996水电站调压室设计规范
3总则
3.0.1为了统一水工结构设计的作用取值标准，使设计符合安全适用、经济合理、技术先进的要求，特制订本规范。
3.0.2本规范是根据GB50199－94《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》规定的原则制定的。
3.0.3本规范未予规定的其他作用，应按照各类水工结构设计规范的规定确定。
3.0.4当水工结构设计引用与公路、航运及港口工程等有关的作用时，应根据各部门设计规范的规定经具体分析后确定。
4主要符号
4.0.1分项系数极限状态设计式
γ0—结构重要性系数；
ψ—设计状况系数；
S（·）—作用效应函数；
R（·）—结构抗力函数；
Gk—永久作用的标准值；
Qk—可变作用的标准值；
Ak—偶然作用的代表值；
ak—几何参数的标准值；
fk—材料性能的标准值；
γG—永久作用的分项系数；
γQ—可变作用的分项系数；
γm—材料性能的分项系数；
γd1—承载能力极限状态基本组合的结构系数；
γd2—承载能力极限状态偶然组合的结构系数；
γd3—正常使用极限状态短期组合的结构系数；
γd4—正常使用极限状态长期组合的结构系数；
c1—正常使用极限状态短期组合的结构功能限值；
c2—正常使用极限状态长期组合的结构功能限值；
ρ—可变作用的长期组合系数。
4.0.2作用代表值
pwr—静水压强；
pek—外水压强标准值；
ptr—时均压强代表值；
pfr—脉动压强代表值；
pcr—水流离心力压强代表值；
Pfr—脉动压力代表值；
Pir—水流冲击力代表值；
ΔHr—水锤压力（水头）代表值；
σvk—垂直地应力标准值；
σhk—水平地应力标准值；
qvk—围岩垂直压力标准值；
qhk—围岩水平压力标准值；
Fak—主动土压力标准值；
Fok—静止土压力标准值；
Fsk—埋管垂直土压力标准值；
Ftk—埋管侧向土压力标准值；
Psk—水平淤沙压力标准值；
Fdk—静冰压力标准值；
Fbk—动冰压力标准值；
τt—单位切向冻胀力标准值；
σht—单位水平冻胀力标准值；
σvt—单位竖向冻胀力标准值；
wk—风荷载标准值；
sk—雪荷载标准值；
Pwk—浪压力标准值；
Pmax—作用在桥机一边轨道上的最大轮压；
ΔTmk—截面平均温度变化标准值；
ΔTdk—截面等效线性温差变化标准值；
ΔTck—施工期温度作用标准值。
4.0.3材料性能
ρw—水的密度；
γw—水的重度；
fic—冰的抗压强度；
fib—冰的抗挤压强度；
γsd—淤沙的干重度；
γsb—淤沙的浮重度；
φs—淤沙的内摩擦角；
γ—填土的重度；
γR—岩石的重度；
γc—混凝土的重度；
c—填土的凝聚力；
φ—填土的内摩擦角；
φ′—填土的有效内摩擦角；
cc—混凝土的比热；
λc—混凝土的导热系数；
ac—混凝土的导温系数；
βc—混凝土的表面放热系数。
5作用分类和作用效应组合
5.1作用分类及作用代表值
5.1.1结构上的作用，可按作用随时间的变异分为下列三类：
（1）永久作用；
（2）可变作用；
（3）偶然作用。
水工结构主要作用按随时间变异的分类可按附录A采用。
5.1.2水工结构设计时，对不同作用应采用不同的代表值。
永久作用和可变作用的代表值采用作用的标准值；偶然作用的代表值，除本规范已有规定者外，可按有关标准的规定，或根据观测资料结合工程经验综合分析确定。
5.1.3本规范所列永久作用、可变作用的标准值和偶然作用的代表值以及作用的分项系数，均应按各章中的规定采用。
5.2作用效应组合
5.2.1水工结构设计时，应根据不同设计状况下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。
5.2.2当结构按承载能力极限状态设计时，对应于持久设计状况和短暂设计状况应采用基本组合；偶然设计状况应采用偶然组合。
偶然组合中应只考虑一种偶然作用。
5.2.3承载能力极限状态的基本组合应采用下列设计表达式：
（5.2.3－1）
式中S（·）—作用效应函数；
R（·）—结构抗力函数；
γ0—结构重要性系数，对于结构安全级别为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ级的结构或构件，可分别采用1.1、1.0、0.9；
ψ—设计状况系数；
γd1—承载能力极限状态基本组合的结构系数；
ak—几何参数的标准值；
fk—材料性能的标准值；
γm—材料性能的分项系数；
Gk—永久作用的标准值；
γG—永久作用的分项系数；
Qk—可变作用的标准值；
γQ—可变作用的分项系数。
承载能力极限状态的偶然组合应采用下列设计表达式：
（5.2.3－2）
式中Ak—偶然作用的代表值；
γd2—承载能力极限状态偶然组合的结构系数。
在偶然组合中，偶然作用的分项系数应采用1.0；与偶然作用同时出现的某些可变作用，可对其标准值作适当折减。
5.2.4当结构按正常使用极限状态设计时，应根据结构设计要求，分别采用作用的短期效应组合和长期效应组合，并可采用下列设计表达式：
（1）短期效应组合：
（5.2.4－1）
（2）长期效应组合：
（5.2.4－2）
式中c1、c2—结构的功能限值；
γd3、γd4—正常使用极限状态短期组合、长期组合的结构系数；
ρ—可变作用长期组合系数，按各类水工结构设计规范的规定采用。
6建筑物自重及永久设备自重
6.1建筑物自重
6.1.1水工建筑物（结构）的自重标准值，可按结构设计尺寸与其材料重度计算确定。
水工建筑物常用材料的重度可参照附录B中表B1采用。
6.1.2大体积混凝土结构的材料重度，应根据选定的混凝土配合比通过试验确定。
当无试验资料时，可采用23.5～24.0kN/m3，或根据骨料重度、粒径按附录B中表B2采用。
6.1.3土坝（含土坝和堆石坝的防渗土体）的材料重度，应根据设计计算内容和土体部位的不同，分别采用湿重度、饱和重度或浮重度，其数值可根据压实干重度、含水量和孔隙率换算得出。
堆石坝的材料重度应根据堆石部位的不同，分别采用压实干重度或浮重度。
土石坝土体和堆石体的压实干重度应由压实试验确定。
中、小型土石坝在初步计算缺乏资料时，其压实干重度可按附录B表B3采用，但最终应根据试验资料予以修正。
6.1.4建筑物（结构）自重的作用分项系数应按表6.1.4采用。
表6.1.4建筑物（结构）自重的作用分项系数
建筑物（结构）类型
作用分项系数
大体积混凝土结构、土石坝
1.0
普通水工混凝土结构、金属结构
1.05（0.95）
地下工程混凝土衬砌
1.1（0.9）
注：
1.括号内的数值在自重作用效应对结构有利时采用；
2.大体积混凝土结构系指依靠其重量抵抗倾覆、滑移的结构，如混凝土重力坝、厂房下部结构、重力式挡土墙等；
3.除大体积混凝土结构以外的其他混凝土结构（如厂房上部结构、进水口的构架等）均作为普通水工混凝土结构
6.2永久设备自重
6.2.1永久设备的自重标准值采用设备的铭牌重量。
6.2.2永久设备自重的作用分项系数，当其作用效应对结构不利时应采用1.05，有利时应采用0.95。
7静水压力
7.1一般规定
7.1.1垂直作用于建筑物（结构）表面某点处的静水压强应按下式计算：
pwr＝γwH（7.1.1）
式中pwr—计算点处的静水压强（kN/m2）；
H—计算点处的作用水头（m），按计算水位与计算点之间的高差确定；
γw—水的重度（kN/m3），一般采用9.81kN/m3，对于多泥沙河流应根据实际情况确定。
7.1.2应区分水工建筑物不同的设计状况，分别按待久设计状况、短暂设计状况和偶然设计状况下的计算水位确定相应的静水压力代表值。
7.1.3静水压力（包括外水压力）的作用分项系数应采用1.0。
7.2枢纽建筑物的静水压力
7.2.1坝、水闸等挡水建筑物和河床式水电站厂房在运用期静水压力代表值的计算水位应按下列规定确定：
（1）持久设计状况，上游采用水库的正常蓄水位（或防洪高水位），下游采用可能出现的不利水位；
（2）偶然设计状况，上游采用水库的校核洪水位，下游采用水库在该水位泄洪时的水位；
（3）短暂设计状况，采用设计预定该建筑物在检修期的上、下游水位。
注：
与地震作用组合时的静水压力代表值，其计算水位应按18.3的有关规定确定。
7.2.2对于泄水建筑物的首部挡水结构，其静水压力代表值的计算水位可按7.2.1所规定的上游计算水位采用。
7.2.3坝后式和岸边式水电站厂房静水压力代表值的下游计算水位，可按下列规定确定；
（1）持久设计状况，采用厂房的设计洪水位；
（2）偶然设计状况，采用厂房的校核洪水位；
（3）厂房在施工、机组检修等短暂设计状况下的计算水位，按SD335－89《水电站厂房设计规范》的有关规定确定。
7.2.4水工隧洞、压力管道及调压室等建筑物在各种设计状况下静水压力代表值的计算水位，应根据水库特征水位结合建筑物具体运用条件，按照各类水工结构设计规范的规定确定。
7.2.5临时性水工建筑物以及坝体在施工期渡汛时静水压力代表值的计算水位，应根据有关设计规范所规定的洪水标准计算确定。
7.3水工闸门的静水压力
7.3.1水工闸门在各种设计状况下静水压力代表值的计算水位，应根据闸门的不同运用条件确定。
7.3.2设置在发电、供水、泄水和排沙等建筑物进水口（或泄水道内）的工作闸门或事故闸门，其持久设计状况和偶然设计状况下静水压力代表值的计算水位，应按7.2.1所规定的上游计算水位采用。
对于溢洪道露顶式工作闸门，可不考虑偶然设计状况。
7.3.3设置在船闸上闸首的工作闸门，持久设计状况下静水压力代表值的计算水位应采用正常蓄水位或最高通航水位；偶然设计状况应采用校核洪水位或最高挡水位。
7.3.4设置在泄水道、船闸等建筑物以及水电站引水道的进水口、尾水管出口等处的上、下游检修闸门，其短暂设计状况下静水压力代表值的计算水位，应采用设计预定该建筑物检修时的上、下游水位。
7.3.5导流底孔和其他临时性挡水建筑物的闸门，应根据其临时挡水的洪水标准以及闸门的运用条件，确定相应短暂设计状况下静水压力代表值的计算水位。
7.4管道及地下结构的外水压力
7.4.1混凝土坝坝内钢管放空时各计算断面的外水压力标准值可按以下规定确定：
（1）钢管起始断面的外水压力为aγwH，钢管与下游坝面相接处的外水压力为零，其间压力沿管轴线按直线规律分布；
（2）起始断面作用水头H的计算水位宜采用正常蓄水位，折减系数a可根据钢管外围的防渗、排水及接触灌浆等情况采用1.0～0.5。
7.4.2计算地下结构外水压力标准值时所采用的设计地下水位线，应根据实测资料，结合水文地质条件和防渗排水效果，并考虑工程投入运用后可能引起的地下水位变化等因素，经综合分析确定。
7.4.3作用于混凝土衬砌有压隧洞的外水压强标准值可按下式计算：
pek＝βeγwHe（7.4.3）
式中pek—作用于衬砌上的外水压强标准值（kN/m2）；
βe—外水压力折减系数，按附录C采用；
He—作用水头（m），按设计采用的地下水位线与隧洞中心线之间的高差确定。
7.4.4当无压隧洞和地下洞室设置排水措施时，可根据排水效果和排水设施的可靠性对计算外水压力标准值的作用水头作适当折减，其折减值可采用工程类比或渗流计算分析确定。
7.4.5对于有钢板衬砌的压力隧洞，可按下列情况确定作用于钢管的外水压力标准值的作用水头：
（1）对于埋深较浅且未设排水措施的压力隧洞，其外水压力作用水头宜按设计地下水位与管道中心线之间的高差确定；
（2）当压力隧洞的顶部或外侧设置排水洞时，可在考虑岩层性能及排水效果的基础上，根据工程类比或渗流计算分析，对排水洞以上的外水压力作用水头作适当折减；
（3）当钢衬外围设置排水管时，可根据排水措施的长期有效性，采用工程类比法或渗流计算，综合分析确定外水压力作用水头。
8扬压力
8.1一般规定
8.1.1混凝土坝、水闸和水电站厂房等建筑物的扬压力，应按垂直作用于计算截面全部截面积上的分布力计算。
8.1.2作用于建筑物计算截面上的扬压力分布图形，应根据不同的水工结构型式，上、下游计算水位，地基地质条件及防渗、排水措施等情况确定。
确定扬压力分布图形时的上、下游计算水位，应与计算静水压力代表值的上、下游计算水位一致。
8.1.3计算截面上的扬压力代表值，应根据该截面上的扬压力分布图形计算确定。
其中，矩形部分的合力为浮托力代表值，其余部分的合力为渗透压力代表值。
对于在坝基设置抽排系统的情况，主排水孔之前的合力为扬压力代表值；主排水孔之后的合力为残余扬压力代表值。
8.2混凝土坝的扬压力
8.2.1岩基上各类混凝土坝坝底面的扬压力分布图形可按下列三种情况分别确定：
（1）当坝基设有防渗帷幕和排水孔时，坝底面上游（坝踵）处的扬压力作用水头为H1，排水孔中心线处为H2＋a（H1－H2），下游（坝趾）处为H2，其间各段依次以直线连接［见图8.2.1（a）、（b）、（c）、（d）］；
（2）当坝基设有防渗帷幕和上游主排水孔，并设有下游副排水孔及抽排系统时，坝底面上游处的扬压力作用水头为H1，主、副排水孔中心线处分别为a1H1、a2H2，下游处为H2，其间各段依次以直线连接［见图8.2.1（e）］；
（3）当坝基未设防渗帷幕和上游排水孔时，坝底面上游处的扬压力作用水头为H1，下游处为H2，其间以直线连接［见图8.2.1（f）］。
上述情况中，渗透压力强度系数a、扬压力强度系数a1及残余扬压力强度系数a2可按表8.2.1采用。
8.2.2坝体内部计算截面上的扬压力分布图形，当设有坝体排水管时，可按图8.2.2确定。
其中
排水管处的坝体内部渗透压力强度系数a3可按下列情况采用。
（1）实体重力坝、拱坝及空腹重力坝的实体部位采用0.2；
（2）宽缝重力坝、大头支墩坝的无宽缝部位采用0.2，有宽缝部位采用0.15。
当未设坝体排水管时，上游坝面处扬压力作用水头为H1，下游坝面处为H2，其间以直线连接。
8.2.3坝底面和坝体内部扬压力的作用分项系数应按下列情况采用：
（1）浮托力的作用分项系数均采用1.0；
（2）渗透压力的作用分项系数，对实体重力坝采用1.2；对宽缝重力坝、大头支墩坝、空腹重力坝以及拱坝采用1.1；
1－排水孔中心线；2－主排水孔；3－副排水孔
（a）实体重力坝；（b）宽缝重力坝及大头支墩坝；（c）拱坝；
（d）空腹重力坝；（e）坝基设有抽排系统；（f）未设帷幕及排水孔
图8.2.1坝底面扬压力分布
表8.2.1坝底面的渗透压力、扬压力强度系数
坝型及部位
坝基处理情况
（A）
设置防渗帷幕及排水孔
（B）
设置防渗帷幕及主、副排水孔并抽排
部位
坝型
渗透压力强度系数
a
主排水孔前的扬压力强度系数
a1
残余扬压力强度系数
a2
河
床
坝
段
实体重力坝
0.25
0.20
0.50
宽缝重力坝
0.20
0.15
0.50
大头支墩坝
0.20
0.15
0.50
空腹重力坝
0.25
—
—
拱坝
0.25
0.20
0.50
岸
坡
坝
段
实体重力坝
0.35
—
—
宽缝重力坝
0.30
—
—
大头支墩坝
0.30
—
—
空腹重力坝
0.35
—
—
拱坝
0.35
—
—
注：
1.当坝基仅设排水孔而未设防渗帷幕时，渗透压力强度系数a可按表中（A）项适当提高。
2.拱坝拱座侧面排水孔处的渗透压力强度系数a可按表中“岸坡坝段”采用0.35，但对于地质条件复杂的高拱坝，则应经三向渗流计算或试验验证
1－坝内排水管；2－排水管中心线
（a）实体重力坝；（b）宽缝重力坝；（c）拱坝；（d）空腹重力坝
图8.2.2坝体计算截面上扬压力分布
（3）对于坝基下游设置抽排系统的情况，主排水孔之前扬压力的作用分项系数采用1.1，主排水孔之后残余扬压力的作用分项系数采用1.2。
8.2.4当坝前地基面设有粘土铺盖，或多泥沙河流的坝前地基面上能形成淤沙铺盖时，可依据工程经验对坝踵及排水孔处的扬压力作用水头作适当折减。
8.2.5作用于护坦底面的扬压力分布图形，可根据相应设计状况下坝趾与护坦首部连接处的扬压力作用水头，以及护坦下游水位确定。
若底部设置妥善的排水系统并具备检修条件且接缝间止水可靠时，可考虑排水对降低扬压力的影响。
8.3水闸的扬压力
8.3.1岩基上水闸底面的扬压力分布图形，可按8.2中实体重力坝情况确定。
8.3.2软基上水闸底面的扬压力分布图形，宜根据上、下游计算水位，闸底板地下轮廓线的布置情况，地基土质分布及其渗透特性等条件分析确定。
一般情况下，渗透压力可采用改进阻力系数法或流网法计算。
改进阻力系数法见附录D。
8.3.3软基上水闸两岸墩墙侧向渗透压
力的分布图形可按下列情况确定：
（1）当墙后土层的渗透系数小于地基渗透系数时，可近似地采用相应部位的闸底渗透压力分布图形；
（2）当墙后土层的渗透系数大于地基渗透系数时，应按侧向绕流计算确定；
（3）对于大型水闸，应经三向电拟试验或数值计算验证。
8.3.4水闸扬压力的作用分项系数，对于浮托力应采用1.0，渗透压力可采用1.2。
8.4水电站厂房和泵站厂房的扬压力
8.4.1岩基上河床式水电站厂房、泵站厂房底面的扬压力分布图形，可按8.2中岩基上的实体重力坝情况确定；对于坝后式、岸边式水电站厂房，则参照岩基上实体重力坝情况具体分析确定。
8.4.2对于厂、坝为整体连接，或所设置的永久性变形缝已经止水封闭的岩基上的坝后式水电站厂房，厂房底面的扬压力分布图形应与坝体共同考虑。
8.4.3软基上河床式、岸边式水电站厂房以及泵站厂房底面的扬压力分布图形，可参照8.3中软基上的水闸情况确定。
8.4.4水电站厂房和泵站厂房扬压力的作用分项系数，对于浮托力应采用1.0，渗透压力可采用1.2。
9动水压力
9.1一般规定
9.1.1作用在水工建筑物过流面一定面积上的动水压力（包括时均压力和脉动压力），应按该面积上各点动水压强的合力计算。
动水压力一般可只计及时均压力，但当水流脉动影响结构的安全或引起结构振动时，应计及脉动压力的影响。
9.1.2计算动水压力时，应区分恒定流和非恒定流两种水流状态。
对于恒定流，尚应区别渐变流或急变流等不同流态，并采用相应的方法计算。
水电站压力水道系统内产生的水锤压力，应按有压管道的非恒定流计算。
9.1.3对于重要的或体形复杂的水工建筑物，其动水压力宜通过模型试验测定并经综合分析确定。
9.2渐变流时均压力
9.2.1渐变流时均压强的代表值，可根据相应设计状况下的水流条件，通过计算或试验求得水面线后按下式计算（见图7.2.1）：
图9.2.1时均压强计算示意
ptr＝ρwghcosθ（9.2.1）
式中ptr—过流面上计算点A的时均压强代表值（N/m2）；
ρw—水的密度（kg/m3）
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