一、主要荷載

根據(jù)《水工建筑荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》，根據(jù)作用隨時(shí)間的變異性，水工建筑荷載可分為永久作用荷載、可變作用荷載和偶然作用荷載。1.永久作用荷載:包括結(jié)構(gòu)自重和永久自重、土壤壓力、淤砂壓力、地應(yīng)力、圍巖壓力和預(yù)應(yīng)力。2.可變作用荷載:包括靜水壓力、揚(yáng)壓力、動(dòng)水壓力、水錘壓力、浪壓力、外水壓力、風(fēng)荷載、雪荷載、冰壓力、凍脹力、溫度荷載、土壤孔隙水壓力、灌漿壓力等。3.偶然作用荷載:包括地震、檢查洪水位時(shí)的靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力和水重。設(shè)計(jì)水工建筑時(shí)，首先要計(jì)算建筑物所承受的荷載，然后進(jìn)行荷載組合，進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析、應(yīng)力分析、滲流計(jì)算、沉降計(jì)算、應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算和抗震設(shè)計(jì)。

二、抗滑穩(wěn)定性分析

在各種荷載組合下，水工建筑應(yīng)保持穩(wěn)定。穩(wěn)定性分析是水工建筑設(shè)計(jì)的重要組成部分。目前，水工建筑的穩(wěn)定性分析采用整體宏觀半經(jīng)驗(yàn)法。比如重力壩的不穩(wěn)定性一般發(fā)生在壩底與基巖的接觸面，因?yàn)閹?kù)水壓力最大，壩底混凝土與巖基不易完全接觸，或者混凝土凝固收縮和溫度收縮時(shí)，接觸面出現(xiàn)局部微小裂縫。在設(shè)計(jì)中，通常會(huì)檢查重力壩沿壩基面的抗滑穩(wěn)定性；如果巖基中有弱夾層，則應(yīng)計(jì)算沿弱夾層的抗滑穩(wěn)定性；對(duì)于岸坡上的壩段，當(dāng)?shù)匦魏偷刭|(zhì)條件不利于壩的穩(wěn)定性時(shí)，也應(yīng)研究三向荷載下的穩(wěn)定性。

三、應(yīng)力分析

強(qiáng)度和穩(wěn)定性是表示建筑物安全的兩個(gè)重要方面。強(qiáng)度問題的研究通常包括內(nèi)力、應(yīng)力、變形、位移和裂縫的研究。當(dāng)應(yīng)力不超過材料強(qiáng)度、變形和位移不超過建筑物正常工作狀態(tài)的允許值，混凝土內(nèi)無(wú)裂縫或限制裂縫在允許范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為建筑物處于正常運(yùn)行狀態(tài)。因此，應(yīng)力分析是檢查強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提。重力壩應(yīng)力分析的方法可以概括為兩類:理論計(jì)算和模型試驗(yàn)。目前常用的模型試驗(yàn)方法有偏光彈性試驗(yàn)、激光全息試驗(yàn)和脆性材料試驗(yàn)。對(duì)于中小型工程，一般只能進(jìn)行理論計(jì)算，對(duì)于非常重要的工程，或者在情況復(fù)雜的情況下進(jìn)行模型試驗(yàn)。理論計(jì)算方法主要包括材料力學(xué)法和有限元法。材料力學(xué)方法常用于中小壩，地質(zhì)條件簡(jiǎn)單時(shí)；對(duì)于高壩，特別是當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，除了材料力學(xué)法計(jì)算外，還應(yīng)同時(shí)進(jìn)行模型試驗(yàn)或采用有限元法計(jì)算。設(shè)計(jì)的壩體截面應(yīng)滿足規(guī)定的應(yīng)力條件。在基本荷載組合下，重力壩基面的最大垂直正應(yīng)力應(yīng)小于壩基面的允許壓應(yīng)力，最小垂直正應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)大于零；在地震條件下，壩基容許的最小垂直正應(yīng)力應(yīng)大于零壓應(yīng)力應(yīng)大于主壓應(yīng)力。

四、滲流分析

對(duì)土石壩而言，由于其壩體材料在一定程度上是透水的，一般允許有限的水流通過其壩體運(yùn)動(dòng)，因此土石壩除研究地基滲流外，還應(yīng)研究土石壩體內(nèi)的滲流及壩體內(nèi)產(chǎn)生的孔隙壓力。造成大壩災(zāi)難性破壞的原因破壞的原因和基本模式有五種：①溢洪道泄洪能力不足，洪水漫過原本無(wú)法完成大壩設(shè)計(jì)的壩頂，溢流而下；②壩體連同部分地基沿軟弱面發(fā)生滑移破壞；③壩體因揚(yáng)壓過大而沿壩基面滑動(dòng)；④壩體或壩基因管涌或流土而破壞；⑤壩體上下坡發(fā)生滑移破壞。滲流在后四種模式中起著重要作用。另外，水庫(kù)水的過度滲漏，水庫(kù)岸坡的穩(wěn)定性，水庫(kù)誘發(fā)的地震等等，都與滲流的作用密切相關(guān)。依據(jù)大壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，通過以下三個(gè)方面的計(jì)算，可以達(dá)到選擇合適的防滲措施，并檢查建筑物在滲流作用下是否安全的目的。(一)確定滲透壓力對(duì)混凝土壩(或水閘)地基中的有壓滲流，要確定沿建筑物地下輪廓線的滲透壓力分布，計(jì)算揚(yáng)壓力，以驗(yàn)算建筑物的穩(wěn)定性。

為了驗(yàn)算壩坡和壩基的穩(wěn)定性，確定防滲體(防滲鋪蓋、斜墻、心墻或截水墻等)的長(zhǎng)度和厚度等幾何尺寸，應(yīng)確定其滲透線的位置和壩基的滲透力分布。第二，確定滲透坡降(或流速)，首先要確定滲流的出逸坡降，檢查出口處是否有局部流土和管涌破壞的危險(xiǎn)。對(duì)粗細(xì)粒兩層土的交界面，以及壩底與地基的接觸面，應(yīng)檢查是否會(huì)發(fā)生接觸沖刷和流土。對(duì)土石壩體內(nèi)的各種防滲體，還應(yīng)檢查其抗?jié)B強(qiáng)度是否符合要求。(3)確定滲流需要計(jì)算流入下游地基或排水設(shè)備的滲流量，以便為估算水庫(kù)漏水損失和確定排水設(shè)置提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。巖體滲流問題，本質(zhì)上是通過裂隙介質(zhì)的水流問題，要正確計(jì)算上述三項(xiàng)指標(biāo)是比較困難的，只能進(jìn)行近似計(jì)算。對(duì)某些松散的巖體，以及節(jié)約裂隙發(fā)育且不規(guī)律的巖體，也可視為多孔介質(zhì)。對(duì)于非常重要或地質(zhì)條件復(fù)雜的水利水電樞紐，應(yīng)選擇足夠大的滲流域，進(jìn)行樞紐壩區(qū)三維滲流計(jì)算，以確保滿足上述三項(xiàng)指標(biāo)。對(duì)于土石壩，以及節(jié)約裂隙發(fā)育、不規(guī)律的巖體，也可視為多孔介質(zhì)。

還應(yīng)確定浸潤(rùn)線的位置。

5.沉降計(jì)算

在土石壩的設(shè)計(jì)中，需要確定壩體和壩基在自重作用下的沉降與時(shí)間的關(guān)系，以及竣工后的總沉降。據(jù)此，計(jì)算完成后為抵消沉降而預(yù)留的壩頂超填，預(yù)測(cè)不均勻沉降，判斷壩體開裂的可能性和預(yù)防措施。常用的分層總和法計(jì)算，即將壩體壩基分成幾層，根據(jù)壩體和壩基土的壓縮曲線計(jì)算時(shí)間t各層中心的豎向總應(yīng)力、孔隙壓力、有效應(yīng)力和相應(yīng)沉降量；疊加每層沉降量，時(shí)間t和完工后壩體和壩基的沉降。

六、應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算

高土石壩一般采用有限元法計(jì)算填土自重等荷載作用下壩基和岸坡接頭的填土應(yīng)力應(yīng)變，判斷是否有剪切損壞、過度變形、拉伸區(qū)和裂縫、防滲土是否有水力劈裂，為壩體穩(wěn)定分析和與土壩連接的建筑設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

七、抗震設(shè)計(jì)