孟 靜

(交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

基于可靠度理論的水閘使用性能評(píng)估

孟 靜

(交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

為了更加科學(xué)的判斷水閘的使用性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其安全隱患，杜絕危險(xiǎn)作業(yè)的發(fā)生，從工程實(shí)際出發(fā)，依據(jù)水閘的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能，從閘基的抗?jié)B穩(wěn)定性與閘室的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性兩個(gè)主要方面建立水閘安全性分析的功能函數(shù)或失效模式，并運(yùn)用結(jié)構(gòu)可靠性理論計(jì)算其可靠指標(biāo)或失效概率，并以此為依據(jù)，對(duì)水閘的使用性能作出科學(xué)的評(píng)估。最后以某引黃灌區(qū)排水閘的抗滑穩(wěn)定為例，按JC法進(jìn)行可靠度的計(jì)算，評(píng)估結(jié)果表明這種方法具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

水閘，可靠度，使用性能，JC法

文章根據(jù)工程實(shí)際情況，從水閘抗?jié)B穩(wěn)定性與閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性兩個(gè)方面對(duì)水閘進(jìn)行安全評(píng)估分析。

1 水閘抗?jié)B穩(wěn)定的可靠度評(píng)估[1]

水閘建成后，水位差會(huì)使閘基、邊礅及其翼墻的背水一側(cè)產(chǎn)生滲流,會(huì)產(chǎn)生不利影響：1)降低了閘室的抗滑穩(wěn)定性及兩岸翼墻和邊礅的側(cè)向穩(wěn)定性；2)引起地基的滲透變形；3)損失水量；4)加速溶解地基內(nèi)的可溶性物質(zhì)。但由于閘基滲流區(qū)域的邊界條件十分復(fù)雜，很難求解，因此本文用改進(jìn)的阻力系數(shù)法來進(jìn)行評(píng)估。

閘基抗?jié)B極限狀態(tài)方程:

(1)

(2)

其中，Js為水平段和出口段滲透坡降；[J]為容許的坡降值；l為計(jì)算段的滲徑長度；hi為計(jì)算段的水頭損失；ξi為各段水頭的阻力系數(shù)；ΔH為上、下游水頭差,m。其中：

進(jìn)口段：

(3)

內(nèi)部垂直段：

(4)

水平段：

(5)

其中，S為板樁或齒墻的入土深度,m；T為地基透水層深度,m；S1,S2分別為進(jìn)出口段板樁或齒墻的入土深度,m；Lx為水平段長度,m。

出口段修正系數(shù)：

(6)

其中，S′為底板埋深+板樁入土深度,m；T′為板樁另一側(cè)地基透水層深度,m。

則相應(yīng)的極限狀態(tài)方程為：

Z1=[J]l-h=0

(7)

將上述各出口段水頭損失修正系數(shù)代入極限狀態(tài)方程中：

(8)

則水平段的功能函數(shù)為：

Z2=[Jx]lx-hx=g(S1,S2,S′,lx1，lx2,…,lxn,ΔH,[Jx])

(9)

其中，lxi為第i段的水平長度；ΔH，[Jx]，[J0]分別為上、下游水頭差、水平段和出口段的滲透坡降。容許滲透坡降可查閱SL 265-2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[2]。

在地質(zhì)資料完整的情況下，可用臨界坡降代替容許滲透坡降，則式(7),式(8)可寫為下列形式：

Z′=[J]l-h=Jcl-kh=0

(10)

(11)

(12)

臨界滲透坡降可按以下公式求出[2]：

(13)

對(duì)砂土有：C=0，且使tgφ=0.6；ξ=0.5，則上式簡(jiǎn)化為：

(14)

由于土體經(jīng)滲透頂托力作用變得松動(dòng)，故土粒間無摩擦力，略去土體周邊摩阻力后，則其臨界坡降為：

(15)

前面是滲流出口無反濾層的情況，當(dāng)有反濾層時(shí)，其臨界坡降:

Jc=

(16)

其中，γs為土粒重度，kN/m3；γ為水的重度，10 kN/m3；n為土體空隙率,%；φ為內(nèi)摩擦角；C為凝聚力,kN/m2；ξ為側(cè)壓力系數(shù)，取0.5；n1為排水濾層土料;n2為護(hù)坦或海漫的空隙率,n2=0；γs1為排水濾層;γs2為海漫的土粒重度,γs2=24 kN/m3；t1,t2分別為排水濾層和護(hù)坦或海漫的厚度。

對(duì)于非粘性地基，要進(jìn)行流土破壞和管涌破壞的驗(yàn)算。防止管涌破壞的容許坡降值可按下式計(jì)算[2]：

(17)

閘基滲流破壞主要集中在水平段和出口段，二者構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，各段的失效概率為Pfi，則系統(tǒng)的失效概率為：

(18)

2 閘室穩(wěn)定可靠性分析

在各種荷載的作用下：1)閘室不發(fā)生沿基礎(chǔ)底面或深層滑動(dòng)；2)不發(fā)生明顯的傾斜；3)平均基底壓應(yīng)力不大于地基的容許承載力[2]，成為閘室的穩(wěn)定性。

1)閘室抗滑穩(wěn)定的極限狀態(tài)方程。建立在土基上的水閘，閘室不僅會(huì)產(chǎn)生平面滑動(dòng)而且還可能會(huì)產(chǎn)生深層滑動(dòng)，這是與其地基的法向應(yīng)力相關(guān)聯(lián)的，但一般情況下，閘基的法向應(yīng)力較小，不會(huì)發(fā)生深層滑動(dòng)，因而本章就閘基發(fā)生平面滑動(dòng)的情況進(jìn)行分析。根據(jù)抗滑穩(wěn)定極限條件，建立相應(yīng)極限狀態(tài)方程：

f∑G-∑H=0

(19)

或：

tanφ∑G+CA-∑H=0

(20)

其中，f為閘基底與地基的摩擦系數(shù)；∑G為閘室上所有豎向荷載之和，kN；∑H為在閘室上所有水平向荷載之和，kN；φ為閘基底與土基的摩擦角，(°)；C為閘基底與土基的粘結(jié)力,kN；A為閘室基底面的面積,m2。

2)地基承載力極限狀態(tài)方程。

a.在有豎向荷載的作用下，根據(jù)極限平衡條件建立極限狀態(tài)方程，即為閘室基底壓力的極限狀態(tài)(亦可稱為傾覆破壞極限狀態(tài))：

(21)

(22)

其中，[k]為閘底地基土允許不均勻系數(shù)；∑G為豎向荷載之和；A為閘室基底面積；∑M為閘室的全部作用荷載對(duì)閘基底面垂直水流方向形心軸的力矩，kN·m；W為閘室基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩。

b.地基有時(shí)也會(huì)因承載力不足而發(fā)生剪切破壞，根據(jù)平衡條件建立其各自相應(yīng)的極限狀態(tài)方程：

R-S1=0

(23)

R=NBγBB+NDγDD+NCC

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

其中，R為土質(zhì)允許承載力，按限制塑性區(qū)開展深度計(jì)算,kPa；γB為基底面土重度,kN/m3；γD為基底面上土重度,kN/m3；B為基底面寬,m；D為基底埋置深,m；C為地基土的粘結(jié)力,kPa；NB，ND，NC均為承載力系數(shù)[1]；π為圓周率；S1為閘底板作用在閘底土基上的平均應(yīng)力，kPa。

c.前面兩種情況是從單方面考慮地基的剪切與傾覆破壞的，但是當(dāng)?shù)鼗谪Q向荷載和水平荷載共同作用下，還應(yīng)該考慮其整體穩(wěn)定性，建立其整體穩(wěn)定的極限狀態(tài)方程[3]：

(29)

其中，ck為滿足極限平衡條件所需要的最小凝聚力,kPa；φ為地基的內(nèi)摩擦角，(°)；σx，σy，τxy分別為該點(diǎn)的豎向正應(yīng)力、水平正應(yīng)力和剪應(yīng)力,kPa。

根據(jù)上述極限狀態(tài)方程，可按蒙特卡羅法或JC法求解可靠指標(biāo)。

3 算例

以某引黃灌區(qū)排水閘的抗滑穩(wěn)定為例進(jìn)行可靠度的計(jì)算。該水閘為混凝土和漿砌石混合結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)防洪水位為43.99 m，校核水位為44.79 m。閘室順?biāo)鞣较蜷L16 m，為兩孔并列的開敞式閘型，每孔寬3.5 m，高4.0 m。底板頂面高程為37.29 m，胸墻底高程為41.29 m，工作閘門采用平板式鋼結(jié)構(gòu)，高×寬為4.12 m×3.96 m。公路橋面高程46.79 m，為單車道，寬4.5 m，按汽—10級(jí)(原規(guī)范)設(shè)計(jì)，掛—60校核，工作橋面高程41.29 m，均采用鋼筋混凝土簡(jiǎn)支板結(jié)構(gòu)(均為黃海高程)。

1)計(jì)算參數(shù)見表1，滲透壓力計(jì)算表見表2。

2)抗滑穩(wěn)定功能函數(shù)。

表1 計(jì)算參數(shù)表

表2 滲透壓力計(jì)算表

將各個(gè)參數(shù)代入前面列出的抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)方程(19)中，得到其抗滑穩(wěn)定功能函數(shù)為：

經(jīng)計(jì)算得出其可靠度計(jì)算結(jié)果(見表3)。

表3 可靠度計(jì)算結(jié)果

由分析可知該水閘在目前工作條件下其可靠指標(biāo)遠(yuǎn)低于規(guī)范要求，需加固改造。

4 結(jié)語

本文結(jié)合灌區(qū)工程的實(shí)際情況，建立了水閘不同工況下的極限狀態(tài)方程，并且運(yùn)用編制的可靠度程序?qū)こ踢M(jìn)行了可靠度分析，針對(duì)計(jì)算結(jié)果，提出了對(duì)這些工程的決策建議。但由于實(shí)際工程的復(fù)雜性，特別是部分參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性較難取得，從而限制了該方法的應(yīng)用。從理論上講，可靠度方法應(yīng)是對(duì)在役水閘進(jìn)行技術(shù)評(píng)估的科學(xué)方法。

[1] 何鮮鋒.水閘系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)理論及其應(yīng)用[D].鄭州：鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[2] SL 265-2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 祁慶和.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社,1996.

Performance evaluation of sluice on base of the reliability theory

MENG Jing

(TianjinResearchInstituteofWaterTransportEngineeringKeyLaboratoryofHarbor&MarineStructureSafetyMinistryofCommunications,Tianjin300456,China)

In order to more scientific judgment sluices performance and timely detection of its safety hazards. Preventing the occurrence of hazardous operations. According to engineering practice, this paper assessmented sluice’s reliability from stability of impermeability and structural stability chamber and calculated the reliability index or failure probability with sluice’s structural features and functions. And according to the result， it provided a scientific assessment to the service performance of the building. At last， it taked aqueduct in HuangNan’s sluice as a background to analysis， to calculate the reliability as JC method. The result shows that this method has practical applications.

sluice, reliability, performance, method of JC

1009-6825(2014)03-0233-03

2013-11-15

孟 靜(1981- )，女，碩士，助理研究員

TV66

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