阿里木·阿布都克然木

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

水閘作為一種低水頭水工建筑物，具有擋水和泄水的雙重功能，在水利工程建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用和重要的地位。我國的水閘大多建設(shè)于上世紀(jì)中期，受到當(dāng)時經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平等諸多因素的制約，普遍存在工藝落后、配套不足的問題，病險問題比較突出[1]。因此，隨著我國科技和經(jīng)濟(jì)實力的提升，水閘的安全性問題日益受到重視，并著力進(jìn)行除險加固，以提升水閘的運(yùn)行安全。關(guān)于水閘的安全評價，目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，但是僅通過現(xiàn)場監(jiān)測和分析對水閘進(jìn)行安全性評價是不夠的，因為水閘的安全性是一個動態(tài)變化的過程，單純的安全性評價并不能較好預(yù)測其結(jié)構(gòu)安全的動態(tài)發(fā)展趨勢[2]。因此，對水閘的剩余使用壽命進(jìn)行合理預(yù)測，有助于對水閘結(jié)構(gòu)及時進(jìn)行維修、改造和加固，保證水閘處于良好的服役狀態(tài)，有效減少安全事故的發(fā)生。同時，還可以為水閘管理部門提供維護(hù)管理的決策依據(jù)，實現(xiàn)服役周期內(nèi)除險加固成本的有效控制。因此，以概率分析為基礎(chǔ)的水閘結(jié)構(gòu)壽命動態(tài)可靠度分析就成為當(dāng)前研究的重要方向。

1 計算模型

1.1 計算原理

目前，國內(nèi)外學(xué)者在時變可靠度方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究，且頗有成效。Nowak在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)橋梁可靠度研究過程中充分考慮了抗力退化的影響，使評價結(jié)果更接近工程實際[3]；B.Radhika在研究中以既有結(jié)構(gòu)的靜態(tài)隨機(jī)動力激勵，提出一種專門針對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時變可靠性的分析方法[4]。王光遠(yuǎn)提出動態(tài)可靠度的概念，并對混凝土結(jié)構(gòu)的時變可靠度進(jìn)行了深入分析和研究[5]。陳遠(yuǎn)通過構(gòu)建完整的抗力隨機(jī)過程模型，實現(xiàn)了利用可靠度理論對結(jié)構(gòu)和體系時變可靠度的求解[6]。顯然，上述所有研究均可以為此次研究的順利進(jìn)行提供理論層面的支持和借鑒。當(dāng)然，對水閘而言，其閘室和地基為一個有機(jī)整體，在荷載作用下會有沿著地基面滑動的可能性，甚至荷載過大時還可能出現(xiàn)失穩(wěn)破壞[7]?；诖?，此次研究中引入各種失效模式，對閘室和地基之間的專遞能力進(jìn)行分析計算，驗算其抗滑穩(wěn)定性和可靠度，最后利用時變可靠度理論對水閘的使用壽命進(jìn)行預(yù)測分析。

1.2 極限功能函數(shù)

在水閘工程的設(shè)計和校核計算中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是最為重要的內(nèi)容之一，需要根據(jù)工程不同結(jié)構(gòu)的特點和功能需求，建立可靠度分析的極限功能狀態(tài)函數(shù)[8]，具體的計算狀態(tài)及表達(dá)式如下。

1.2.1閘室抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)

Z1=f∑G+CA-∑P=0

(1)

式中，∑G—所有豎向應(yīng)力之和，kN；∑P—所有水平應(yīng)力之和，kN；f—閘室混凝土和地基之間的摩擦系數(shù)；C—閘室底板和地基的粘聚力，kN；A—閘室底板總面積，m2。

1.2.2下游閘趾抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài)

(2)

式中，f0—地基承載力，kPa；∑M—閘室上豎向和水平荷載對底面垂直水流方向的形心軸力矩，kN·m；W—閘室上豎向和水平荷載對底面垂直水流方向的形心軸截面矩。

1.2.3上游閘踵不出現(xiàn)拉應(yīng)力極限狀態(tài)

(3)

1.2.4上下游應(yīng)力比控制極限狀態(tài)

(4)

式中，k—應(yīng)力允許比值。

按照《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265—2016)中的相關(guān)規(guī)定，閘室基地應(yīng)力的最大值和最小值的比值應(yīng)該滿足表1。

表1 閘室基底應(yīng)力最大值和最小值比值允許值

1.3 壽命終止標(biāo)準(zhǔn)

水閘的使用壽命指的是在正常維護(hù)和使用的條件下，工程本身能夠發(fā)揮功能的時間，也就是開始使用到達(dá)到破壞極限狀態(tài)的時間[9]；剩余使用壽命指的是現(xiàn)狀水閘在不采取修復(fù)加固措施，仍能夠保持其基本功能而可以繼續(xù)使用的年限。當(dāng)然，這里的結(jié)構(gòu)安全和功能發(fā)揮是概率層面的內(nèi)涵，并不具有絕對性，因此使用壽命本身也是一個不可預(yù)測的隨機(jī)變量[10]。

當(dāng)然，水閘的失效概率大于設(shè)定值時，并不是工程已經(jīng)倒塌需要拆除，而是某些功能已經(jīng)不能正常發(fā)揮。按照該領(lǐng)域的研究成果和相關(guān)規(guī)范要求，包括水閘在內(nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載極限狀態(tài)目標(biāo)可靠指標(biāo)βt不應(yīng)低于表2的規(guī)定。

表2 水工結(jié)構(gòu)構(gòu)件目標(biāo)可靠指標(biāo)βt允許值

按照上述思路，水閘工程的剩余壽命計算流程如下：①以水閘的壽命終止指標(biāo)為基礎(chǔ)確定目標(biāo)可靠度；②收集與水閘工程有關(guān)的物理特征、相關(guān)參數(shù)以及環(huán)境等方面的資料和數(shù)據(jù)；③構(gòu)建水閘結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)以及抗力衰減模型；④構(gòu)建水閘結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程和失效模式；⑤按照合理的時間步長對動態(tài)可靠度進(jìn)行計算；⑥根據(jù)小于目標(biāo)可靠度的動態(tài)可靠度對應(yīng)時間確定水閘的剩余使用壽命。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程背景

某水閘于1967年1月動工，1970年6月竣工，為大(Ⅰ)型水利工程。經(jīng)過約50a的運(yùn)行，工程主要建筑物破損、老化嚴(yán)重，已危及工程的安全使用，擬采用水閘主體重建的加固處理方案。工程與2015年5月開始施工建設(shè)，2016年5月竣工驗收并投入使用。竣工后的水閘主要水工建筑物為一級，按照100a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，按照300a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。水閘的單孔凈寬為7.5m，兩孔一聯(lián)，共5聯(lián)，在閘室段上設(shè)有檢修工作橋、排架和啟閉機(jī)房等附屬設(shè)施

2.2 計算模型與參數(shù)

根據(jù)失效模型和極限狀態(tài)方程，水閘的安全穩(wěn)定狀態(tài)的影響因素較多并具有隨機(jī)性，而這些隨機(jī)變量的統(tǒng)計資料往往比較缺乏。因此，研究中選擇水閘的基底面與基土之間的內(nèi)摩擦角、混凝土容重、上游水位、下游水位以及地基承載力作為研究中的參數(shù)隨機(jī)變量，不考慮地震荷載、封凍期冰壓力和泥沙壓力的影響。結(jié)合工程設(shè)計運(yùn)行資料和相關(guān)工程規(guī)范，確定上述參數(shù)的均值、變異系數(shù)和分布類型，結(jié)果見表3。

表3 模型隨機(jī)變量特征統(tǒng)計表

在水閘的長期服役過程中，受到內(nèi)部和外部諸多環(huán)境因素的影響，混凝土重度、摩擦系數(shù)以及粘聚力等參數(shù)均會隨著時間的延長而不斷減小，而地基土在長期荷載的作用下，會產(chǎn)生一定的壓密效應(yīng)，土性會有所提高，因此承載力的特征值和極限值也會相應(yīng)增加。但是，由于工程建設(shè)中水閘的地基處理效果良好，因此在服役過程中的提升值較為有限。同時，工程項目區(qū)的地基土為低壓縮土層，因此地基沉降量滿足要求且該失效模式對水閘的后續(xù)失效不存在影響，因此不再對地基承載力的狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)和時變可靠度的計算。基于此，研究中充分結(jié)合背景工程的資料和相關(guān)研究文獻(xiàn)，確定主要隨機(jī)變形的時效變化，分別計算背景工程在運(yùn)行20～90a之后的具體值，結(jié)果見表4。

表4 各變量在使用期內(nèi)的變化情況統(tǒng)計計算結(jié)果

2.3 計算結(jié)果與分析

水閘的服役壽命預(yù)測需要以水閘的安全現(xiàn)狀為基礎(chǔ)進(jìn)行。基于此，為了保證除險加固設(shè)計的可靠性，首先對不同工況下的水閘靜態(tài)可靠度進(jìn)行計算分析。計算過程中首先將表3中的隨機(jī)變量值代入計算模型的極限狀態(tài)方程，并利用蒙特卡羅法計算出可靠度指標(biāo)，結(jié)果見表5。

表5 水閘靜態(tài)可靠度計算結(jié)果

由于背景工程的安全等級為一級，因此需要按照第一類破壞類型分析。從表中的計算結(jié)果可以看出，四種失效模式在3種不同運(yùn)行工況下的可靠度指標(biāo)均顯著大于3.8，說明在進(jìn)行除險加固之后水閘的安全系數(shù)顯著提高，完全滿足規(guī)范要求。

當(dāng)然，隨著水閘服役年限的增加，各變量參數(shù)也處于動態(tài)變化之中，因此研究中將表4中的隨機(jī)變量值代入極限狀態(tài)方程，對相應(yīng)的可靠度進(jìn)行計算。鑒于正常蓄水位工況為最危險工況，此時工作閘門關(guān)門擋水，水閘的上游有水，下游無水，上下游水位相差最大，因此水平壓力也最大。所以，研究中僅針對該工況進(jìn)行計算。計算過程中以除險加固工程完工投入運(yùn)行為0a，具體的計算結(jié)果見表6。

表6 水閘時變可靠度計算結(jié)果

根據(jù)背景工程除險加固設(shè)計，水閘的使用年限為90a。由于背景工程的安全等級為一級，因此需要按照第一類破壞類型分析，因此剩余使用壽命計算中的目標(biāo)可靠度值為3.8。從計算結(jié)果來看，變化最快的是抗滑穩(wěn)定失效模式。另一方面，在水閘的使用過程中，閘踵拉應(yīng)力和應(yīng)力比均滿足要求，不會因為該指標(biāo)不滿足要求而失效。

在水工結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)中指出，某一個結(jié)構(gòu)件的失效并不意味著整個水利工程結(jié)構(gòu)的失效，也就是單個結(jié)構(gòu)的可靠度并不能代表整個結(jié)構(gòu)體系的可靠度。但是，從本文的計算結(jié)果來看，由于閘踵出現(xiàn)拉應(yīng)力導(dǎo)致破壞的可能性很小，而閘室滑動失效的概率顯著偏大。另一方面，由于水閘工程的設(shè)計使用年限相對較長，必須要從偏安全的角度進(jìn)行計算評價。基于此，此次研究中認(rèn)為3種失效模式中由一個失效。由此可見，當(dāng)加固完成后第75a時，抗滑穩(wěn)定可靠度為3.8356，處于失效臨界狀態(tài)，達(dá)到剩余壽命的終止目標(biāo)。當(dāng)然，者并不意味著75a后水閘不能在使用，而是需要采取一定的補(bǔ)強(qiáng)加固措施，提高指標(biāo)的可靠度。目前，水閘在加固后已經(jīng)運(yùn)行了7a，而計算中也沒有考慮極端天氣和自然災(zāi)害等因素的影響，因此實際壽命應(yīng)該略小于75a。因此，建議水閘在繼續(xù)60～65a時加強(qiáng)檢測，必要時采取維修加固措施，以延長其繼續(xù)使用時間。

3 結(jié)語

基于結(jié)構(gòu)動態(tài)可靠度理論，對某加固后的水閘使用壽命進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果報名該水閘在加固后，可服役75a，75a后水閘的抗滑穩(wěn)定可靠度將處于失效臨界狀態(tài)，若考慮極端天氣和自然災(zāi)害情況，水閘的實際壽命會小于75a，建議在60～65a時加強(qiáng)水閘檢測，必要時采取加固措施，以防止安全事故發(fā)生。由于受到研究對象復(fù)雜性和背景工程地理位置等因素的影響，沒有考慮作用在閘室上的地震、臺風(fēng)等動力荷載，建立的壽命預(yù)測模型也相對比較簡單，在今后的研究中需要關(guān)注和引入更多的服役壽命影響因素，實現(xiàn)對模型的不斷改進(jìn)和優(yōu)化，使計算結(jié)果更貼近工程實際。