關(guān)于水工建筑物抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

付慶猛

云南能陽水利水電勘察設(shè)計(jì)有限公司 云南曲靖 655000

摘要：當(dāng)前，水工建筑物的設(shè)計(jì)主要采用單項(xiàng)安全系數(shù)、多項(xiàng)安全系數(shù)兩種辦法。其中，單項(xiàng)安全系數(shù)主要在水利行業(yè)中普遍應(yīng)用，多項(xiàng)安全系數(shù)多應(yīng)用于水電行業(yè)。這兩種辦法在設(shè)計(jì)的過程中，均依據(jù)實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)，雖然形式存在很大的差異性，但是結(jié)果非常相近。在進(jìn)行水閘、土石壩穩(wěn)定性分析時(shí)，由于安全系數(shù)非常小，不便進(jìn)行分解，所以實(shí)際效果甚微。單項(xiàng)安全系數(shù)主要應(yīng)用于水利行業(yè)，但是進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用多項(xiàng)安全系數(shù)法，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

關(guān)鍵詞：水工建筑物；抗震；設(shè)計(jì)

最早，國內(nèi)水利、水電行業(yè)設(shè)計(jì)采用相同的辦法，即單項(xiàng)安全系數(shù)。之后，隨著工業(yè)建筑業(yè)的不斷發(fā)展，衍生了多項(xiàng)安全系數(shù)法，并運(yùn)用到水電行業(yè)設(shè)計(jì)中，其中，水利行業(yè)在設(shè)計(jì)中依然單項(xiàng)安全系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，規(guī)范了不同抗?jié)B設(shè)計(jì)系數(shù)在水利、水電行業(yè)中的運(yùn)用。本文從地震載荷的角度出發(fā)，對水工建筑物抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析與探討，希望可以起到參考的作用。

一、采用可靠度理論設(shè)計(jì)

假設(shè)某壩體的強(qiáng)度、應(yīng)力均為隨機(jī)變量，同時(shí)滿足正態(tài)分布的要求。另有狀態(tài)函數(shù)，處于正態(tài)分布。其中，代表應(yīng)力，代表隨機(jī)變量。那么，平均值為：，平均值為：。根據(jù)概率方面的知識，可以計(jì)算出實(shí)際的失效概率，具體計(jì)算公式為：

（1），

（2）。

在（2）中，代表壩體可靠度，與的平均值分別為、。與的均方差分別為：、。（2）式在改寫之后，可以得到：

即：（3）

（4）

在（4）式中，、代表、的變異系數(shù)，的分項(xiàng)系數(shù)為，的分享系數(shù)為：。（1）式、（3）式等價(jià)，如果（3）式條件成立，那么（1）為失效概率。其中，（3）式在計(jì)算的過程中，運(yùn)用了可靠性的結(jié)構(gòu)方程。通過觀察（1）式、（3）式，可以看出將可靠度理論運(yùn)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，參數(shù)、與設(shè)計(jì)的精度緊密相連，而且對設(shè)計(jì)的精度產(chǎn)生絕對性的影響。同時(shí)，還包括兩個(gè)方面的問題。首先，針對應(yīng)力、強(qiáng)度分布的概率，以及產(chǎn)生的變異系數(shù)、平均值，需要有充足的樣本。其次，計(jì)算與出應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力往往會出現(xiàn)偏差，因此應(yīng)該考慮該方法的科學(xué)性、合理性，防止與實(shí)際數(shù)據(jù)不符。

二、單項(xiàng)安全系數(shù)法和多項(xiàng)安全系數(shù)法本質(zhì)相似

單項(xiàng)安全系數(shù)法與多項(xiàng)安全系數(shù)法在形態(tài)上雖然有很大的差異性，但是由于計(jì)算的結(jié)果相似，因此在本質(zhì)上是相同的。下面通過混凝土拱壩的設(shè)計(jì)來進(jìn)行研究。根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，拱壩采用多項(xiàng)安全系數(shù)法，抗剪斷的計(jì)算公式為：

（5）

在（5）式中，代表結(jié)構(gòu)性重要系數(shù)，設(shè)計(jì)狀態(tài)系數(shù)為，將安全級別分為三個(gè)等級，在持久狀態(tài)時(shí)，取值1.00，在短暫狀態(tài)時(shí)，取值0.94，在偶然狀態(tài)時(shí)。數(shù)值為0.83。代表拱壩的結(jié)果系數(shù)，取值1.2。代表摩擦系數(shù)，粘聚力為，是分項(xiàng)系數(shù)，取值3。根據(jù)傳統(tǒng)安全系數(shù)法，對抗剪斷安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，具體的計(jì)算公式為：

（6）

（7）

根據(jù)上面的公式，可以得出：

（8）

代表：粘聚力折減系數(shù)。對上面的公式進(jìn)行計(jì)算表，可以得出抗剪斷安全系數(shù)，如表1所示：

表1：規(guī)范，拱壩抗剪力安全系數(shù)

公式設(shè)計(jì)狀態(tài)持久短暫偶然

剪摩式安全級別I3.153.022.66

II2.862.732.43.

III2.582.452.10

從上表可以看出，在規(guī)范下，表1在計(jì)算安全系數(shù)時(shí)，主要的區(qū)別是粘聚力的程度不同。為了分析粘聚力產(chǎn)生的影響，給粘聚力打8折，同時(shí)滿足的條件，在這種情況下，等于安全系數(shù)打了9折。于是，得到了表3?？梢钥闯?，拱壩水規(guī)、電規(guī)的計(jì)算公式有很大的差異性，但是計(jì)算出來的安全系數(shù)非常相似。也就是說，雖然這兩種規(guī)范在形式上有區(qū)別，但是實(shí)質(zhì)上是相同的。

早在90年代的時(shí)候，多項(xiàng)系數(shù)法在運(yùn)用的過程中，主要以理論的應(yīng)用為主，這種方式存在一定的局限性。主要表現(xiàn)為：一旦出現(xiàn)復(fù)雜的問題，因?yàn)闃颖镜臄?shù)量少，系數(shù)難度大，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，所以在計(jì)算大壩的安全系數(shù)時(shí)，面臨很大的困難。在這種情況下，由于計(jì)算方式以經(jīng)驗(yàn)為主，因此參數(shù)的強(qiáng)度、系數(shù)的配置，以及安全系數(shù)的取值都會產(chǎn)生一定的差異，因此很不科學(xué)。同時(shí)，采用單項(xiàng)安全系數(shù)法也存在一定的局限性。主要表現(xiàn)為：摩擦系數(shù)、粘聚力具有不同的特性，在計(jì)算的過程中容易受到干擾，從而存在粘聚力的折減。最后，凡是可以運(yùn)用多項(xiàng)安全系數(shù)法的，都可以使用單項(xiàng)安全系數(shù)法。

三、水閘、土石壩采用多項(xiàng)安全系數(shù)法面臨的難題

當(dāng)水閘、土石壩在遇到地震時(shí)，應(yīng)該具備最低的抗滑安全系數(shù)。通常在不同建筑物級別當(dāng)中，產(chǎn)生的安全系數(shù)并沒有多大變化，變幅非常微弱，數(shù)值接近于1.0。在這種情況下，如果將分為、、、、等不同的系數(shù)時(shí)，而這些數(shù)值乘積的差值很小，所以在分解的過程中，遇到很大的阻力。根據(jù)可靠度水電設(shè)計(jì)的相關(guān)制度、標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要考慮，另外的數(shù)值因?yàn)闆]有關(guān)系，所以不再考慮。當(dāng)建筑物的等級為I時(shí)，為1.1，建筑物等級為II時(shí)，為1.0，建筑物的等級為III時(shí)，為0.9。其中，變幅的數(shù)值只占到20%，大于5%，所以增加了其他系數(shù)取值的難度。另外，結(jié)構(gòu)的重要性跟取值沒有關(guān)系，因此不管其他系數(shù)的取值為多少，都不會給建筑物的安全系數(shù)造成影響。當(dāng)建筑物為I級時(shí)，=1.10，要使，應(yīng)該滿足。但是，在這種情況下，統(tǒng)計(jì)理論將沒有辦法發(fā)揮出應(yīng)有的作用。除此之外，當(dāng)建筑物為III級時(shí)，=0.90，，安全系數(shù)小于1.0，因此也不合理。從上面的結(jié)論可以看出，根據(jù)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)辦法，使I級建筑物的安全系數(shù)為1.10，II級、III級建筑物的安全系數(shù)為1.05，是不可能實(shí)現(xiàn)的。為此，只有改變的數(shù)值，違反統(tǒng)標(biāo)的規(guī)定，才能使多項(xiàng)安全系數(shù)的結(jié)果與傳統(tǒng)安全系數(shù)吻合。但是，該辦法在使用的過程中，實(shí)際上已經(jīng)演變?yōu)閱雾?xiàng)系數(shù)法。于是，導(dǎo)致多項(xiàng)系數(shù)法失去了本該有的作用。

四、單項(xiàng)安全系數(shù)法在不同工程檔案中的應(yīng)用

雖然單項(xiàng)安全系數(shù)法與多項(xiàng)安全系數(shù)法在不同的形式下，表現(xiàn)出相同的結(jié)果。但是不可否認(rèn)，形式也非常重要。下面是對我國某特高拱壩拱座抗滑穩(wěn)定分析的結(jié)構(gòu)，在936m的情況下，3332<6445，滿足要求。然而，當(dāng)高程為756m時(shí)，不滿足要求。該方法在不同方案分析中，比較復(fù)雜。隨后一列為筆者計(jì)算出的抗剪斷安全系數(shù)，可以解決以上問題，更方便對不同工程的分對比。所以，在不同方案的對比中，采用單項(xiàng)安全系數(shù)法更加方便、簡單。反之，采用多項(xiàng)系數(shù)法，具有一定的復(fù)雜性，在分析不同方案時(shí)有很大的困難。

結(jié)束語：

在設(shè)計(jì)大壩安全系數(shù)時(shí)，往往由于問題復(fù)雜、樣本不足的問題，導(dǎo)致概率論下的多項(xiàng)系數(shù)法難以執(zhí)行。實(shí)踐證明，采用單項(xiàng)分析法在工程對比中更簡單、方便。當(dāng)水閘、土石壩遭到地震攻擊時(shí)，為了準(zhǔn)確分析出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，由于系數(shù)分解的關(guān)系，主要還采用單項(xiàng)系數(shù)法。根據(jù)實(shí)際情況，推薦水利行業(yè)采用單項(xiàng)安全系數(shù)法，水電行業(yè)采用多項(xiàng)安全系數(shù)法。當(dāng)前，水工建筑的抗震設(shè)計(jì)中，唯一的辦法就是多項(xiàng)安全系數(shù)法，但是因?yàn)樗l、土石壩的數(shù)量大，往往出現(xiàn)很多問題，所以要進(jìn)一步加強(qiáng)對水工建筑物的抗震設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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