摘要：“水工建筑物设计综述”是对各类水工建筑物设计的总体概述，讲述水工建筑物设计的基本准则和方法，在整个“水工建筑物”课程的教学过程中起着重要的作用。实践证明，将该内容的学时增加至6学时，重点讲述水利水电工程等别划分、水工建筑物的安全性、混凝土的强度指标以及水工建筑物的抗震设计等内容，对“水工建筑物”课程的教学起到了很好的引导和促进作用，取得了较好的教学效果。
关键词：水工建筑物；工程等别；结构安全性；混凝土强度指标；抗震设计
作者简介：刘远（1979-），男，广东中山人，华南农业大学水利与土木工程学院博士研究生，讲师。（广东 广州 510642）
基金项目：本文系华南农业大学教育教学改革与研究项目（项目编号：JG09016）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）25-0059-02
“水工建筑物”是水利水电工程专业的一门核心课程，课程的主要任务是使学生掌握各种水工建筑物的设计理论和方法。该课程内容多、知识面广，涉及重力坝、拱坝、土石坝、水闸、水工隧洞等各种不同的结构物。它们在材料、工作原理上都不一样，所以设计方法也不一样，这是“水工建筑物”学习的难点之一。但是，各种水工建筑物的设计共同遵循着一些基本准则和方法。因此，在开始学习各种水工建筑物的设计之前，必须先学习“水工建筑物设计综述”这一章，意在探讨这些基本准则和方法。“水工建筑物设计综述”是“水工建筑物”课程的主线，对整个课程的学习起着重要的引导作用，必须予以足够的重视。
由于课内学时的压缩，教学内容的删减，很多教师只给这一章内容安排1～2个学时，有的甚至是一带而过。这将给后面课程内容的教学造成很大的困难。笔者自2007年开始讲授“水工建筑物”，积累了几年的教学经验后，越发觉得“水工建筑物设计综述”内容的重要。因此，自2010年起将这一章内容的授课学时增加至6学时，重点讲述“水利水电工程等别划分”（0.5学时）、“水工建筑物的安全性”（2学时）、“混凝土的强度指标”（0.5学时）以及“水工建筑物的抗震设计”（2学时）等内容，务必使得学生先打下良好的基础，再学习各种水工建筑物的设计。
一、水利水电工程等别划分
对于一般的水利水电工程，需先确定工程等别，然后根据工程等别确定水工建筑物的级别，最后根据水工建筑物的级别确定结构安全级别。结构安全级别是进行水工建筑物设计的安全依据，设计时相关安全系数的取值是根据结构安全级别来确定的。若结构安全级别定的低，就会使得选择的安全系数偏小，结构的安全就存在隐患；反之，结构安全级别定的高，选择的安全系数就会偏大，使得结构的安全余量过大，建筑物的材料用量增加，加大了工程的投资。因此，水利水电工程等别的划分直接影响水工建筑物设计的安全性和经济性。
关于水利水电工程等别的划分，目前有3个规范可依：国家强制性标准GB50201-94《防洪标准》、水利行业标准SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》以及电力行业标准DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》。水利水电工程等别，根据水库规模、防洪对象的重要性、治涝规模、供水对象的重要性、水电站的装机容量等，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个等级；水工建筑物的级别是根据工程等别及该水工建筑物在工程中的作用和重要性确定，它反映了对不同水工建筑物的不同技术要求和安全要求。永久性水工建筑物分为1、2、3、4、5五级（其中主要建筑物分1～5级，次要建筑物分3～5级），临时性水工建筑物分为3、4、5三级。水工建筑物的结构安全级别，应根据建筑物的重要性及破坏可能产生后果的严重性确定，与水工建筑物的级别对应，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三级（1级水工建筑物对应结构安全级别为Ⅰ级，2、3级水工建筑物对应结构安全级别为Ⅱ级，4、5级水工建筑物对应结构安全级别为Ⅲ级）。
水利水电工程等级的划分看似简单，容易被忽视，但它直接影响水工建筑物设计的安全性和经济性，是水工建筑物设计的其中一个关键步骤，应当引起足够的重视。当中涉及水利水电工程等别、水工建筑物的级别和结构安全级别三个提法相近，但含义不同的概念，容易造成混淆。教师在讲授时，可结合工程实例来阐述这三个概念的含义，有利于学生理解。
二、水工建筑物的安全性
水工建筑物结构设计必须保证有一定的安全储备，其设计方法有单一安全系数法和分项系数极限状态设计法，当前是两种方法并行使用。例如，同是《混凝土重力坝设计规范》，水利行业标准SL319-2005采用的是单一安全系数法，而电力行业标准DL510-1999采用的则是分项系数极限状态设计法。单一安全系数法采用一个总的安全系数K代表结构总体的安全储备；分项系数极限状态设计法是基于结构可靠度分析理论，以可靠指标度量结构构件的可靠度。分项系数设计表达式是将单一安全系数设计表达式中的安全系数分解成荷载分项系数和抗力分项系数，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。[1]
教师在讲述两种设计方法的时候，必须说明它们的由来和各自的优越性，使学生从根本上理解两种方法。我国水工建筑物设计过去一直采用单一安全系数法，安全系数K直观、概念明确，而且便于使用和进行工程类比。但是，单一安全系数法缺乏严谨的理论基础，安全系数K只是结构设计安全储备的一个综合指标，它综合考虑了作用、材料性能以及其他因素的不确定性，显得过于笼统，而且安全系数的取值包含了很多经验和主观的因素。采用结构可靠度理论进行水工建筑物设计，能够比较全面地考虑有关因素变异性对结构安全的影响，使设计更趋合理。基于可靠度的设计方法具有严格的理论体系，是结构设计的发展方向。但是，分项系数极限状态设计法在水工建筑物设计中的应用还有一些问题需要解决。例如，朱伯芳院士就DL510-1999《混凝土重力坝设计规范》采用分项系数极限状态设计法提出质疑，[2]指出混凝土坝设计安全系数取值的基础主要是国内外长期积累的实际工程经验，而不是可靠度理论；DL510-1999分项系数设计法的系数包含了抗力和荷载的统计参数，没有大量实际数据作基础，不能保证各项系数的合理性；设计公式烦琐，不利于工程师对坝体安全度进行判断和与其他工程进行对比。
可见，水工建筑物结构安全性的两种设计方法有各自存在的意义。很多教师在讲授该内容时往往会更加强调分项系数极限状态设计法，但是，目前大多数水工建筑的设计还是采用单一安全系数法。因此，虽然单一安全系数法原理简单，易于掌握，而分项系数极限状态设计法原理复杂，难于理解，但是前者才是“水工建筑物的安全性”这一节内容的重点。
三、混凝土的强度指标
长期以来，我国坝工一直采用混凝土标号作为混凝土的强度指标，自1997年实施DL/T5057-1996《水工混凝土结构设计规范》开始提出改用混凝土强度等级。目前已经出版的坝工设计规范，有的继续采用混凝土标号，而有的改用混凝土强度等级。如SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》沿用混凝土标号作为坝体混凝土强度指标，而DL510-1999《混凝土重力坝设计规范》则采用混凝土强度等级取代混凝土标号。由于“土木工程材料”、“水工钢筋混凝土结构”等课程都是以混凝土强度等级作为混凝土的强度指标，所以在学习“水工建筑物”前，学生普遍认为“混凝土强度指标指的就是混凝土强度等级”。甚至一些年青教师也同样存在这一观念，认为混凝土标号已经是“过时”、“被淘汰”了，这是“水工建筑物”教学的一个误区。
混凝土强度等级C系指28d龄期的15cm立方体试件保证率95％的抗压强度；混凝土标号Rτ系指龄期τ（常态混凝土坝多用90d，碾压混凝土坝多用180d）的15cm立方体试件（早期采用20cm立方体试件）保证率80％的抗压强度。混凝土强度等级C与混凝土标号R之间在试验龄期和强度保证率两个方面存在较大差别。混凝土强度指标由混凝土标号R改为混凝土强度等级C，意味着设计龄期由90d（或180d）改为28d，强度保证率由80％改为95％，这必须解决C与R90（或R180）的转换关系。但是，R90/C（或R180/C）受到多种因素的影响，变化范围很大。[3]例如，DL510-1999《混凝土重力坝设计规范》采用的是R90/C的下包值，但实际工程R90/C远远超过了规范的建议值，所以实际的混凝土标号将会比按规范建议的R90/C值得到的混凝土标号高很多，这样不但增加水泥用量造成严重的浪费，而且大幅度地增加了温度控制的难度。
可见，目前还不能以混凝土强度等级取代混凝土标号作为坝工混凝土的强度指标，而混凝土标号对学生来讲又是一个陌生的概念。因此，教师在讲授“水工建筑物设计综述”这一章时，必须增加“混凝土的强度指标”的内容，使学生理解坝工混凝土跟一般工业与民用建筑混凝土的区别，重点掌握混凝土标号的概念，及其与混凝土强度等级的区别和各自的适用范围。
四、水工建筑物的抗震设计
我国大陆位于世界两大地震活动带之间，是世界上地震灾害最为严重的国家之一，水工建筑物的抗震安全一直是我国水利水电建设必须面对的一个关键技术问题。2008年“5·12”四川汶川大地震发生后，对震区水利水电工程造成严重的影响，尽管未出现地震致使大坝溃决的情况，但有些工程还是受到严重破坏，甚至面临溃坝风险，给下游人民生命财产和社会经济发展带来严重威胁。这次地震是新中国成立以来震级最强、造成的灾害损失最大的一次地震，震后国内外对我国大坝抗震安全问题十分关注，水工建筑物抗震安全的重视程度被提升到前所未有的高度。
然而，随着高等教育改革的进行，本科专业人才培养方案的课内总学时一再减少，很多院校的水利水电工程专业都没有独立开设有关抗震设计的课程，这必然使得学生抗震设计知识薄弱，不足以应付水工建筑的抗震设计。因此，教师在讲述每一种水工建筑物的设计时都应当包含抗震设计。在“水工建筑物设计综述”一章中，“水工建筑物的抗震设计”这一节要求学生掌握有关地震的概念、水工建筑物工程抗震设防等级的确定、以及拟静力法和动力法两种抗震设计方法。
五、结语
“水工建筑物设计综述”一章是对各类水工建筑物设计的总体概述，在整个“水工建筑物”课程的教学过程中起着重要的作用。实践证明，增加了这一章的授课课时，重点讲述水利水电工程等别划分、水工建筑物的安全性、混凝土的强度指标以及水工建筑物的抗震设计等内容，使学生掌握水工建筑物设计的基本准则和方法，对他们学习“水工建筑物”课程起到了很好的引导和促进作用，取得了较好的教学效果。
参考文献：
[1]刘远.“水工建筑物”教学中重力坝设计的若干问题讨论[J].中国电力教育,2011,(24):198-199,203.
[2]朱伯芳.《混凝土重力坝设计规范》DL5108-1999中几个问题的商榷[J].水利水电技术,2005,(3):23-27.
[3]朱伯芳.论坝工混凝土标号与强度等级[J].水利水电技术,2004,
(8):32-36.
（责任编辑：宋秀丽）
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