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
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
《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
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。