水工建筑物的安全性與設計安全判別準則

高曉光

(五大連池市水務局，黑龍江五大連池164100)

1 水工建筑物的失事情況統計

水工建筑物，尤其是壩，由于其作用重要，應當精心設計、精心施工，做到安全第一。但是由于各種原因，仍有可能失事。T.H.喬戈瓦則對近9 000座大壩中失事及出現事故的700例的統計結果，按失事原因所占份額，可以百分比計為:①地基滲漏或連接邊墩滲漏占16%;②地基喪失穩定性占15%;③洪水漫頂及泄洪能力不足占12%;④壩體集中滲漏占11%;⑤侵蝕性水火穴居動物通道占9%;⑥地震占6%;⑦溫度裂縫及收縮裂縫占6%;⑧水庫蓄水或放空控制不當占5%;⑨冰融作用占4%;⑩運用不當占4%;[11]波浪作用占2%;[12]原因不明的有10%。

大壩失事有一半以上集中在施工期及使用初期，反映出設計施工中的缺陷大部分是在使用初期暴露出來的。詳見表1。

表1 壩在不同時刻發生事故和失事所占百分比 %

2 安全準備

為了保證建筑物安全，必須在規劃、設計階段詳加分析，保證其在蓄水、泄水能力、結構及其基本的強度和穩定性等方面均有一定的安全儲備。

在建筑物的設計標準中，明確地規定出安全儲備的要求。其表達形式有:單一安全系數法和分項系數極限狀態設計法。后者是近年來在可靠理論基礎上發展起來的。

3 極限狀態

當整個結構(包括地基)后結構的一部分超過某一特定狀態，結構就不能滿足設計規定的某種功能要求時，稱此特定狀態為該功能的極限狀態。《水利水電工程結構可靠度設計統一標準》規定，按下面極限狀態設計:

當結構或結構構件出現下列狀態之一時，即認為超過了承載能力極限狀態:①失去剛體平衡;②超過材料強度而破壞，或因過度的塑性變形而不適于繼續承載;③對結構外形、耐久性以及防滲結構抗滲能力有不良影響的局部損壞等。在這些狀態下，結構是不適于使用的。

結構的功能狀態一般可用功能函數來表示:

式中:Xi(i=1，2，……，n)為基本變量，包括影響結構的各種荷載、結構本身的抗力和材料性能等;c為功能限值，如梁的撓度，許可裂縫寬度等。

對最簡單的情況，上式可寫為:

此外，R為結構抗力S為荷載對結構產生的作用效應。

4 設計安全判別準則

根據經驗，導致水工建筑物出現事故或失事的主要因素為:①荷載的不利性變異;②抗力的不良性變異;③狀態方程表達不正確。因此，設計時一定要保持有安全儲備，即令RS＞0，從而使結構能應付偶然出現的不利局面，以保持原定功能。我國水工設計規范規定的具體處理方式有以下兩種:

4.1 單一安全系數法

單一安全系數法要求S≤R/K，此外，K為安全系數，R為結構抗力的取用值，S為作為效應的作用值。設計的結構經過計算，如果R/S≥規范給定的安全系數K，即認為結構符合安全要求，此法形式簡便，現有水工設計規范大多沿用此法。

規范給出的安全系數目標值是工程界根據經驗制定的，它考慮了:①結構的安全等級;②工作狀況及荷載效應組合(基本組合取值高);③結構和地基的受力特點和計算所用的方程(分析模型準確性差的取值高)。與此同時，還應配合材料抗力試驗方法及取值規則(一般取低于均值的某一概率分位值)，以及作用(荷裁)值的勘測試驗方法及取值規則(一般取高于均值的某一概率分位值)等有關標準。這些規定必須配套使用，才能滿足安全控制要求。

4.2 分項系數極限狀態設計法

此法的基點是概率原理的結構可靠度分析理論，是一個將結構的安全性和適用性定量化的理論。將結構不能完成預定功能的概率稱為失效概率Pf，即:

式中:g(·)為結構功能函數的簡寫，g(·)＜0即結構功能失效，［g(·)＜0］是失效事件的集合。

結構的可靠度，即結構能完成預定功能的概率，即為Ps，因此:

根據可靠度理論制定的分項系數法設計規范，是經過對大量工程結構的可靠度分析、在定量工作的基礎上制定的。它明確規定按極限狀態設計，并給出能反映變異性來源的分項系數，將每種因素的影響在不同的工程結構上統—考慮，取劃—的分項系數。我國《水工建筑物荷載設計規范》(DL5077—1997)設置了下列3個分項系數:①結構重要性系數r0;②作用荷載分項系數vF;③結構系數rd等。以上可查閱水工結構設計規范。

目前全面推動、規范水工建筑物的安全性是十分必要的，始終堅持管理工作制化、規范化、標準化，有技術部門和一支有較高素質且保持相對穩定的專業隊伍，較好地做到了有章必依、執章必嚴，扎扎實實地開展水工建筑物及監測系統檢查維護和改造工作，從而保證了水工建筑物安全、可靠地運行。

［1］ 王勝年，潘德強.港口水工建筑物檢測評估與耐久性壽命預測技術［J］.水運工程，2011(1):116－122.

［2］ 柏寶忠，王以仁.影響水工建筑物耐久性的主要因素及預防對策［J］.水利水電技術，2004，35(10):13－16.

［3］ 王正旭.俄羅斯聯邦水工建筑物安全法［J］.水利水電快報，1999，20(9):14－18.