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(tǒng)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(xiàn)事故的700例的統(tǒng)計結(jié)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(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(fā)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(guī)劃、設計階段詳加分析，保證其在蓄水、泄水能力、結(jié)構(gòu)及其基本的強度和穩(wěn)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(guī)定出安全儲備的要求。其表達形式有:單一安全系數(shù)法和分項系數(shù)極限狀態(tài)設計法。后者是近年來在可靠理論基礎上發(fā)展起來的。

3 極限狀態(tài)

當整個結(jié)構(gòu)(包括地基)后結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足設計規(guī)定的某種功能要求時，稱此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)?！端姽こ探Y(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》規(guī)定，按下面極限狀態(tài)設計:

當結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了承載能力極限狀態(tài):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(xù)承載;③對結(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。

對最簡單的情況，上式可寫為:

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

4 設計安全判別準則

根據(jù)經(jīng)驗，導致水工建筑物出現(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(jié)構(gòu)能應付偶然出現(xiàn)的不利局面，以保持原定功能。我國水工設計規(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為作為效應的作用值。設計的結(jié)構(gòu)經(jīng)過計算，如果R/S≥規(guī)范給定的安全系數(shù)K，即認為結(jié)構(gòu)符合安全要求，此法形式簡便，現(xiàn)有水工設計規(guī)范大多沿用此法。

規(guī)范給出的安全系數(shù)目標值是工程界根據(jù)經(jīng)驗制定的，它考慮了:①結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guī)則(一般取低于均值的某一概率分位值)，以及作用(荷裁)值的勘測試驗方法及取值規(guī)則(一般取高于均值的某一概率分位值)等有關標準。這些規(guī)定必須配套使用，才能滿足安全控制要求。

4.2 分項系數(shù)極限狀態(tài)設計法

此法的基點是概率原理的結(jié)構(gòu)可靠度分析理論，是一個將結(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)的簡寫，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)能完成預定功能的概率，即為Ps，因此:

根據(jù)可靠度理論制定的分項系數(shù)法設計規(guī)范，是經(jīng)過對大量工程結(jié)構(gòu)的可靠度分析、在定量工作的基礎上制定的。它明確規(guī)定按極限狀態(tài)設計，并給出能反映變異性來源的分項系數(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—的分項系數(shù)。我國《水工建筑物荷載設計規(guī)范》(DL5077—1997)設置了下列3個分項系數(shù):①結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)r0;②作用荷載分項系數(shù)vF;③結(jié)構(gòu)系數(shù)rd等。以上可查閱水工結(jié)構(gòu)設計規(guī)范。

目前全面推動、規(guī)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(guī)范化、標準化，有技術部門和一支有較高素質(zhì)且保持相對穩(wěn)定的專業(yè)隊伍，較好地做到了有章必依、執(zhí)章必嚴，扎扎實實地開展水工建筑物及監(jiān)測系統(tǒng)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(lián)邦水工建筑物安全法［J］.水利水電快報，1999，20(9):14－18.