水力荷载设计要点

【水利知识分享】水力荷载设计要点

水工建筑物在运行过程中承受着多种水力荷载的作用，这些荷载的科学分析与准确计算是保证工程安全的基础。根据《水工建筑物荷载设计规范》SL744—2016，水工建筑物的荷载按作用随时间的变异性，可分为永久作用荷载、可变作用荷载和偶然作用荷载三大类。其中，静水压力、扬压力、动水压力、浪压力和冰压力是水工建筑物上所承受的主要水力荷载。本文系统梳理各类水力荷载的定义、计算方法与设计要点。

一、水力荷载的分类体系

水工建筑物荷载按时间变异性分为三类：

永久作用荷载量值不随时间变化，或变化与平均值相比可忽略不计。主要包括建筑物结构自重、永久设备自重、地应力、围岩压力、土压力、预应力锚固荷载、淤沙压力等。

可变作用荷载量值随时间变化且变化不可忽略，是水力荷载中最为丰富的类别。具体包括静水压力、扬压力、动水压力、水锤压力、浪压力、外水压力、风荷载、雪荷载、冰压力、冻胀力、温度作用、土壤孔隙水压力、灌浆压力等。

偶然作用荷载在设计使用年限内出现概率很小，一旦出现量值很大且持续时间短。主要包括地震作用和校核洪水位时的静水压力。

在上述可变作用荷载中，静水压力、扬压力、动水压力、浪压力和冰压力五项为水工建筑物设计计算中最关键的水力荷载，以下逐一展开分析。

二、静水压力

2.1 基本计算公式

静水压力是水工建筑物承受的最基本水力荷载，垂直作用于建筑物表面。某点处的静水压强按下式计算：

p=γh

式中：p 为计算点处的静水压强（kN/m²），h 为计算点处的作用水头（m），γ 为水的重度，一般采用 9.81kN/m³，对于多泥沙河流应根据实际情况确定。

当水深为 H 时，单位宽度上的水平静水压力为：

P=½γH²

当坝面倾斜时，除水平压力外，还应计入垂直水压力（即水重或上浮力）。

2.2 设计状况与计算水位

设计计算时应区分不同的设计状况，分别按持久设计状况、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：

• 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
• 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
• 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

水工建筑物抗震计算时的水库计算水位，可采用正常蓄水位；对于多年调节水库，经论证后可采用低于正常蓄水位的上游水位。

2.3 水工闸门的静水压力

设置在发电、供水、泄水和排沙等建筑物进水口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，按建筑物进水口的上游计算水位采用。溢洪道露顶式工作闸门可不考虑偶然设计状况。

三、扬压力

3.1 一般规定

扬压力是作用于建筑物底面的向上水压力，对混凝土坝、水闸和水电站厂房等建筑物的抗滑稳定有重要影响。扬压力按垂直作用于计算截面全部截面积上的分布力计算，其分布图形根据水工结构形式、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。上下游计算水位应与计算静水压力代表值的水位一致。

计算截面上的扬压力代表值，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。对于坝基设置抽排系统的，主排水孔之前的合力为扬压力代表值，之后的合力为残余扬压力代表值。

3.2 混凝土坝扬压力分布

岩基上各类混凝土坝坝底面的扬压力分布图形按以下三种情况分别确定：

• 设防渗帷幕和排水孔：坝踵处扬压力作用水头为 H₁，排水孔中心线处为 H₂+α(H₁−H₂)，坝趾处为 H₂，其间各段依次以直线连接
• 设防渗帷幕、主排水孔及抽排系统：坝踵处扬压力作用水头为 H₁，主、副排水孔中心线处分别为 α₁H₁ 和 α₂H₂，坝趾处为 H₂，其间各段依次以直线连接
• 未设防渗帷幕和排水孔：坝踵处扬压力作用水头为 H₁，坝趾处为 H₂，其间以直线连接

上述三种情况中，渗透压力强度系数 α、扬压力强度系数 α₁ 及残余扬压力强度系数 α₂ 均按有关规范确定。

3.3 水闸的扬压力

岩基上水闸底面的扬压力分布图形可按实体重力坝情况确定。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。

图2：混凝土坝扬压力分布三种工况对比

四、动水压力与浪压力

4.1 动水压力

动水压力是指水流流速和方向改变时，对建筑物过流面所产生的压力，包括时均压力和脉动压力两个分量。当水流通过泄水建筑物、溢流面或管道时，水流的动能转换会在结构表面产生附加作用力，设计时需充分考虑水流条件对过流面结构的影响。

4.2 浪压力

波浪对水工建筑物临水面形成的浪压力与波浪的几何要素直接相关。波浪的几何要素包括波高、波长和波速等。水库水面在风力作用下产生波浪，波浪传播至坝面时形成周期性冲击力，对坝体结构和闸门系统产生持续的动力效应，是坝顶高程确定和护坡设计的重要依据。

五、冰压力

在寒冷地区，冰压力是水工建筑物设计中不可忽视的特殊荷载，包括静冰压力和动冰压力两种形式。

静冰压力产生于冬季温度回升阶段：水面结冰厚度可达数厘米甚至 1m 以上，当温度回升但仍低于 0℃ 时，冰盖因热膨胀对建筑物表面产生挤压作用。静冰压力的大小与冰层厚度、开始升温时的气温及温升率三个因素密切相关。

动冰压力产生于春季解冻阶段：冰盖破裂后，冰块随水流漂移撞击建筑物产生撞击力。动冰压力的大小与冰层厚度、冰块流速及流向、冰的抗压强度以及建筑物迎冰面的体形四个因素有关，设计时需结合当地气象水文条件综合确定。

总结

水力荷载是水工建筑物设计的基础性荷载，涵盖静水压力、扬压力、动水压力、浪压力和冰压力五大类型。静水压力遵循 p=γh 的线性分布规律，是坝体断面设计的核心参数；扬压力取决于防渗排水体系的布置方式，直接影响建筑物抗滑稳定；动水压力与浪压力体现水流动力作用；冰压力则是寒冷地区特有的控制性荷载。设计时应根据持久、短暂和偶然三种设计状况分别确定各水力荷载的代表值，确保工程在全寿命周期内的安全可靠。