水工建筑物的安全性與設(shè)計(jì)安全判別準(zhǔn)則

高曉光

(五大連池市水務(wù)局，黑龍江五大連池164100)

1 水工建筑物的失事情況統(tǒng)計(jì)

水工建筑物，尤其是壩，由于其作用重要，應(yīng)當(dāng)精心設(shè)計(jì)、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(duì)近9 000座大壩中失事及出現(xiàn)事故的700例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按失事原因所占份額，可以百分比計(jì)為:①地基滲漏或連接邊墩滲漏占16%;②地基喪失穩(wěn)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(dòng)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(kù)蓄水或放空控制不當(dāng)占5%;⑨冰融作用占4%;⑩運(yùn)用不當(dāng)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(shè)計(jì)施工中的缺陷大部分是在使用初期暴露出來(lái)的。詳見(jiàn)表1。

表1 壩在不同時(shí)刻發(fā)生事故和失事所占百分比 %

2 安全準(zhǔn)備

為了保證建筑物安全，必須在規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段詳加分析，保證其在蓄水、泄水能力、結(jié)構(gòu)及其基本的強(qiáng)度和穩(wěn)定性等方面均有一定的安全儲(chǔ)備。

在建筑物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，明確地規(guī)定出安全儲(chǔ)備的要求。其表達(dá)形式有:單一安全系數(shù)法和分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。后者是近年來(lái)在可靠理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

3 極限狀態(tài)

當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)(包括地基)后結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某種功能要求時(shí)，稱此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，按下面極限狀態(tài)設(shè)計(jì):

當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)為超過(guò)了承載能力極限狀態(tài):①失去剛體平衡;②超過(guò)材料強(qiáng)度而破壞，或因過(guò)度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載;③對(duì)結(jié)構(gòu)外形、耐久性以及防滲結(jié)構(gòu)抗?jié)B能力有不良影響的局部損壞等。在這些狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)是不適于使用的。

結(jié)構(gòu)的功能狀態(tài)一般可用功能函數(shù)來(lái)表示:

式中:Xi(i=1，2，……，n)為基本變量，包括影響結(jié)構(gòu)的各種荷載、結(jié)構(gòu)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(duì)最簡(jiǎn)單的情況，上式可寫(xiě)為:

此外，R為結(jié)構(gòu)抗力S為荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用效應(yīng)。

4 設(shè)計(jì)安全判別準(zhǔn)則

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致水工建筑物出現(xiàn)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(tài)方程表達(dá)不正確。因此，設(shè)計(jì)時(shí)一定要保持有安全儲(chǔ)備，即令RS＞0，從而使結(jié)構(gòu)能應(yīng)付偶然出現(xiàn)的不利局面，以保持原定功能。我國(guó)水工設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的具體處理方式有以下兩種:

4.1 單一安全系數(shù)法

單一安全系數(shù)法要求S≤R/K，此外，K為安全系數(shù)，R為結(jié)構(gòu)抗力的取用值，S為作為效應(yīng)的作用值。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)計(jì)算，如果R/S≥規(guī)范給定的安全系數(shù)K，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)符合安全要求，此法形式簡(jiǎn)便，現(xiàn)有水工設(shè)計(jì)規(guī)范大多沿用此法。

規(guī)范給出的安全系數(shù)目標(biāo)值是工程界根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定的，它考慮了:①結(jié)構(gòu)的安全等級(jí);②工作狀況及荷載效應(yīng)組合(基本組合取值高);③結(jié)構(gòu)和地基的受力特點(diǎn)和計(jì)算所用的方程(分析模型準(zhǔn)確性差的取值高)。與此同時(shí)，還應(yīng)配合材料抗力試驗(yàn)方法及取值規(guī)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(cè)試驗(yàn)方法及取值規(guī)則(一般取高于均值的某一概率分位值)等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這些規(guī)定必須配套使用，才能滿足安全控制要求。

4.2 分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

此法的基點(diǎn)是概率原理的結(jié)構(gòu)可靠度分析理論，是一個(gè)將結(jié)構(gòu)的安全性和適用性定量化的理論。將結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率稱為失效概率Pf，即:

式中:g(·)為結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的簡(jiǎn)寫(xiě)，g(·)＜0即結(jié)構(gòu)功能失效，［g(·)＜0］是失效事件的集合。

結(jié)構(gòu)的可靠度，即結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的概率，即為Ps，因此:

根據(jù)可靠度理論制定的分項(xiàng)系數(shù)法設(shè)計(jì)規(guī)范，是經(jīng)過(guò)對(duì)大量工程結(jié)構(gòu)的可靠度分析、在定量工作的基礎(chǔ)上制定的。它明確規(guī)定按極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，并給出能反映變異性來(lái)源的分項(xiàng)系數(shù)，將每種因素的影響在不同的工程結(jié)構(gòu)上統(tǒng)—考慮，取劃—的分項(xiàng)系數(shù)。我國(guó)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5077—1997)設(shè)置了下列3個(gè)分項(xiàng)系數(shù):①結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)r0;②作用荷載分項(xiàng)系數(shù)vF;③結(jié)構(gòu)系數(shù)rd等。以上可查閱水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。

目前全面推動(dòng)、規(guī)范水工建筑物的安全性是十分必要的，始終堅(jiān)持管理工作制化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，有技術(shù)部門(mén)和一支有較高素質(zhì)且保持相對(duì)穩(wěn)定的專業(yè)隊(duì)伍，較好地做到了有章必依、執(zhí)章必嚴(yán)，扎扎實(shí)實(shí)地開(kāi)展水工建筑物及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢查維護(hù)和改造工作，從而保證了水工建筑物安全、可靠地運(yùn)行。

［1］ 王勝年，潘德強(qiáng).港口水工建筑物檢測(cè)評(píng)估與耐久性壽命預(yù)測(cè)技術(shù)［J］.水運(yùn)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(yù)防對(duì)策［J］.水利水電技術(shù)，2004，35(10):13－16.

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