關于水工建筑物抗震設計的幾點思考

付慶猛

云南能陽水利水電勘察設計有限公司 云南曲靖 655000

摘要：當前，水工建筑物的設計主要采用單項安全系數、多項安全系數兩種辦法。其中，單項安全系數主要在水利行業(yè)中普遍應用，多項安全系數多應用于水電行業(yè)。這兩種辦法在設計的過程中，均依據實際的工程經驗，雖然形式存在很大的差異性，但是結果非常相近。在進行水閘、土石壩穩(wěn)定性分析時，由于安全系數非常小，不便進行分解，所以實際效果甚微。單項安全系數主要應用于水利行業(yè)，但是進行抗震設計時，需要采用多項安全系數法，增加了設計的復雜性。

關鍵詞：水工建筑物；抗震；設計

最早，國內水利、水電行業(yè)設計采用相同的辦法，即單項安全系數。之后，隨著工業(yè)建筑業(yè)的不斷發(fā)展，衍生了多項安全系數法，并運用到水電行業(yè)設計中，其中，水利行業(yè)在設計中依然單項安全系數。在此基礎上，規(guī)范了不同抗?jié)B設計系數在水利、水電行業(yè)中的運用。本文從地震載荷的角度出發(fā)，對水工建筑物抗震設計進行分析與探討，希望可以起到參考的作用。

一、采用可靠度理論設計

假設某壩體的強度、應力均為隨機變量，同時滿足正態(tài)分布的要求。另有狀態(tài)函數，處于正態(tài)分布。其中，代表應力，代表隨機變量。那么，平均值為：，平均值為：。根據概率方面的知識，可以計算出實際的失效概率，具體計算公式為：

（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，的分項系數為，的分享系數為：。（1）式、（3）式等價，如果（3）式條件成立，那么（1）為失效概率。其中，（3）式在計算的過程中，運用了可靠性的結構方程。通過觀察（1）式、（3）式，可以看出將可靠度理論運用到結構設計當中，參數、與設計的精度緊密相連，而且對設計的精度產生絕對性的影響。同時，還包括兩個方面的問題。首先，針對應力、強度分布的概率，以及產生的變異系數、平均值，需要有充足的樣本。其次，計算與出應力與實際應力往往會出現偏差，因此應該考慮該方法的科學性、合理性，防止與實際數據不符。

二、單項安全系數法和多項安全系數法本質相似

單項安全系數法與多項安全系數法在形態(tài)上雖然有很大的差異性，但是由于計算的結果相似，因此在本質上是相同的。下面通過混凝土拱壩的設計來進行研究。根據相關的設計規(guī)范，拱壩采用多項安全系數法，抗剪斷的計算公式為：

（5）

在（5）式中，代表結構性重要系數，設計狀態(tài)系數為，將安全級別分為三個等級，在持久狀態(tài)時，取值1.00，在短暫狀態(tài)時，取值0.94，在偶然狀態(tài)時。數值為0.83。代表拱壩的結果系數，取值1.2。代表摩擦系數，粘聚力為，是分項系數，取值3。根據傳統(tǒng)安全系數法，對抗剪斷安全系數進行計算，具體的計算公式為：

（6）

（7）

根據上面的公式，可以得出：

（8）

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

表1：規(guī)范，拱壩抗剪力安全系數

公式設計狀態(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在計算安全系數時，主要的區(qū)別是粘聚力的程度不同。為了分析粘聚力產生的影響，給粘聚力打8折，同時滿足的條件，在這種情況下，等于安全系數打了9折。于是，得到了表3。可以看出，拱壩水規(guī)、電規(guī)的計算公式有很大的差異性，但是計算出來的安全系數非常相似。也就是說，雖然這兩種規(guī)范在形式上有區(qū)別，但是實質上是相同的。

早在90年代的時候，多項系數法在運用的過程中，主要以理論的應用為主，這種方式存在一定的局限性。主要表現為：一旦出現復雜的問題，因為樣本的數量少，系數難度大，缺乏實踐經驗，所以在計算大壩的安全系數時，面臨很大的困難。在這種情況下，由于計算方式以經驗為主，因此參數的強度、系數的配置，以及安全系數的取值都會產生一定的差異，因此很不科學。同時，采用單項安全系數法也存在一定的局限性。主要表現為：摩擦系數、粘聚力具有不同的特性，在計算的過程中容易受到干擾，從而存在粘聚力的折減。最后，凡是可以運用多項安全系數法的，都可以使用單項安全系數法。

三、水閘、土石壩采用多項安全系數法面臨的難題

當水閘、土石壩在遇到地震時，應該具備最低的抗滑安全系數。通常在不同建筑物級別當中，產生的安全系數并沒有多大變化，變幅非常微弱，數值接近于1.0。在這種情況下，如果將分為、、、、等不同的系數時，而這些數值乘積的差值很小，所以在分解的過程中，遇到很大的阻力。根據可靠度水電設計的相關制度、標準，在結構設計中主要考慮，另外的數值因為沒有關系，所以不再考慮。當建筑物的等級為I時，為1.1，建筑物等級為II時，為1.0，建筑物的等級為III時，為0.9。其中，變幅的數值只占到20%，大于5%，所以增加了其他系數取值的難度。另外，結構的重要性跟取值沒有關系，因此不管其他系數的取值為多少，都不會給建筑物的安全系數造成影響。當建筑物為I級時，=1.10，要使，應該滿足。但是，在這種情況下，統(tǒng)計理論將沒有辦法發(fā)揮出應有的作用。除此之外，當建筑物為III級時，=0.90，，安全系數小于1.0，因此也不合理。從上面的結論可以看出，根據統(tǒng)計標準辦法，使I級建筑物的安全系數為1.10，II級、III級建筑物的安全系數為1.05，是不可能實現的。為此，只有改變的數值，違反統(tǒng)標的規(guī)定，才能使多項安全系數的結果與傳統(tǒng)安全系數吻合。但是，該辦法在使用的過程中，實際上已經演變?yōu)閱雾椣禂捣?。于是，導致多項系數法失去了本該有的作用?/p>

四、單項安全系數法在不同工程檔案中的應用

雖然單項安全系數法與多項安全系數法在不同的形式下，表現出相同的結果。但是不可否認，形式也非常重要。下面是對我國某特高拱壩拱座抗滑穩(wěn)定分析的結構，在936m的情況下，3332<6445，滿足要求。然而，當高程為756m時，不滿足要求。該方法在不同方案分析中，比較復雜。隨后一列為筆者計算出的抗剪斷安全系數，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，采用單項安全系數法更加方便、簡單。反之，采用多項系數法，具有一定的復雜性，在分析不同方案時有很大的困難。

結束語：

在設計大壩安全系數時，往往由于問題復雜、樣本不足的問題，導致概率論下的多項系數法難以執(zhí)行。實踐證明，采用單項分析法在工程對比中更簡單、方便。當水閘、土石壩遭到地震攻擊時，為了準確分析出抗滑穩(wěn)定安全系數，由于系數分解的關系，主要還采用單項系數法。根據實際情況，推薦水利行業(yè)采用單項安全系數法，水電行業(yè)采用多項安全系數法。當前，水工建筑的抗震設計中，唯一的辦法就是多項安全系數法，但是因為水閘、土石壩的數量大，往往出現很多問題，所以要進一步加強對水工建筑物的抗震設計。

參考文獻：

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[2]張公平，潘曉紅，饒宏玲.水工建筑物抗震設計規(guī)范（DL5073-2000）相關問題探討[J].水電站設計，2014（03）.