基于結構動態可靠度的水閘使用壽命預測分析

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，在水利工程建設中具有廣泛的應用和重要的地位。我國的水閘大多建設于上世紀中期，受到當時經濟技術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，隨著我國科技和經濟實力的提升，水閘的安全性問題日益受到重視，并著力進行除險加固，以提升水閘的運行安全。關于水閘的安全評價，目前國內外學者已經進行了廣泛而深入的研究，但是僅通過現場監測和分析對水閘進行安全性評價是不夠的，因為水閘的安全性是一個動態變化的過程，單純的安全性評價并不能較好預測其結構安全的動態發展趨勢[2]。因此，對水閘的剩余使用壽命進行合理預測，有助于對水閘結構及時進行維修、改造和加固，保證水閘處于良好的服役狀態，有效減少安全事故的發生。同時，還可以為水閘管理部門提供維護管理的決策依據，實現服役周期內除險加固成本的有效控制。因此，以概率分析為基礎的水閘結構壽命動態可靠度分析就成為當前研究的重要方向。

1 計算模型

1.1 計算原理

目前，國內外學者在時變可靠度方面進行了廣泛而深入的研究，且頗有成效。Nowak在進行混凝土結構橋梁可靠度研究過程中充分考慮了抗力退化的影響，使評價結果更接近工程實際[3]；B.Radhika在研究中以既有結構的靜態隨機動力激勵，提出一種專門針對結構系統時變可靠性的分析方法[4]。王光遠提出動態可靠度的概念，并對混凝土結構的時變可靠度進行了深入分析和研究[5]。陳遠通過構建完整的抗力隨機過程模型，實現了利用可靠度理論對結構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行提供理論層面的支持和借鑒。當然，對水閘而言，其閘室和地基為一個有機整體，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失穩破壞[7]?；诖耍舜窝芯恐幸敫鞣N失效模式，對閘室和地基之間的專遞能力進行分析計算，驗算其抗滑穩定性和可靠度，最后利用時變可靠度理論對水閘的使用壽命進行預測分析。

1.2 極限功能函數

在水閘工程的設計和校核計算中，結構穩定是最為重要的內容之一，需要根據工程不同結構的特點和功能需求，建立可靠度分析的極限功能狀態函數[8]，具體的計算狀態及表達式如下。

1.2.1閘室抗滑穩定極限狀態

Z1=f∑G+CA-∑P=0

(1)

式中，∑G—所有豎向應力之和，kN；∑P—所有水平應力之和，kN；f—閘室混凝土和地基之間的摩擦系數；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下游閘趾抗壓強度極限狀態

(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上游閘踵不出現拉應力極限狀態

(3)

1.2.4上下游應力比控制極限狀態

(4)

式中，k—應力允許比值。

按照《水閘設計規范》(SL 265—2016)中的相關規定，閘室基地應力的最大值和最小值的比值應該滿足表1。

表1 閘室基底應力最大值和最小值比值允許值

1.3 壽命終止標準

水閘的使用壽命指的是在正常維護和使用的條件下，工程本身能夠發揮功能的時間，也就是開始使用到達到破壞極限狀態的時間[9]；剩余使用壽命指的是現狀水閘在不采取修復加固措施，仍能夠保持其基本功能而可以繼續使用的年限。當然，這里的結構安全和功能發揮是概率層面的內涵，并不具有絕對性，因此使用壽命本身也是一個不可預測的隨機變量[10]。

當然，水閘的失效概率大于設定值時，并不是工程已經倒塌需要拆除，而是某些功能已經不能正常發揮。按照該領域的研究成果和相關規范要求，包括水閘在內的結構構件承載極限狀態目標可靠指標βt不應低于表2的規定。

表2 水工結構構件目標可靠指標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為基礎確定目標可靠度；②收集與水閘工程有關的物理特征、相關參數以及環境等方面的資料和數據；③構建水閘結構的荷載效應以及抗力衰減模型；④構建水閘結構極限狀態方程和失效模式；⑤按照合理的時間步長對動態可靠度進行計算；⑥根據小于目標可靠度的動態可靠度對應時間確定水閘的剩余使用壽命。

2 工程應用

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。經過約50a的運行，工程主要建筑物破損、老化嚴重，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，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一遇洪水標準設計，按照300a一遇洪水標準校核。水閘的單孔凈寬為7.5m，兩孔一聯，共5聯，在閘室段上設有檢修工作橋、排架和啟閉機房等附屬設施

2.2 計算模型與參數

根據失效模型和極限狀態方程，水閘的安全穩定狀態的影響因素較多并具有隨機性，而這些隨機變量的統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隨機變量，不考慮地震荷載、封凍期冰壓力和泥沙壓力的影響。結合工程設計運行資料和相關工程規范，確定上述參數的均值、變異系數和分布類型，結果見表3。

表3 模型隨機變量特征統計表

在水閘的長期服役過程中，受到內部和外部諸多環境因素的影響，混凝土重度、摩擦系數以及粘聚力等參數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，會產生一定的壓密效應，土性會有所提高，因此承載力的特征值和極限值也會相應增加。但是，由于工程建設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失效不存在影響，因此不再對地基承載力的狀態進行相關參數和時變可靠度的計算。基于此，研究中充分結合背景工程的資料和相關研究文獻，確定主要隨機變形的時效變化，分別計算背景工程在運行20～90a之后的具體值，結果見表4。

表4 各變量在使用期內的變化情況統計計算結果

2.3 計算結果與分析

水閘的服役壽命預測需要以水閘的安全現狀為基礎進行。基于此，為了保證除險加固設計的可靠性，首先對不同工況下的水閘靜態可靠度進行計算分析。計算過程中首先將表3中的隨機變量值代入計算模型的極限狀態方程，并利用蒙特卡羅法計算出可靠度指標，結果見表5。

表5 水閘靜態可靠度計算結果

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。從表中的計算結果可以看出，四種失效模式在3種不同運行工況下的可靠度指標均顯著大于3.8，說明在進行除險加固之后水閘的安全系數顯著提高，完全滿足規范要求。

當然，隨著水閘服役年限的增加，各變量參數也處于動態變化之中，因此研究中將表4中的隨機變量值代入極限狀態方程，對相應的可靠度進行計算。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行計算。計算過程中以除險加固工程完工投入運行為0a，具體的計算結果見表6。

表6 水閘時變可靠度計算結果

根據背景工程除險加固設計，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可靠度值為3.8。從計算結果來看，變化最快的是抗滑穩定失效模式。另一方面，在水閘的使用過程中，閘踵拉應力和應力比均滿足要求，不會因為該指標不滿足要求而失效。

在水工結構可靠度統一標準中指出，某一個結構件的失效并不意味著整個水利工程結構的失效，也就是單個結構的可靠度并不能代表整個結構體系的可靠度。但是，從本文的計算結果來看，由于閘踵出現拉應力導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，由于水閘工程的設計使用年限相對較長，必須要從偏安全的角度進行計算評價。基于此，此次研究中認為3種失效模式中由一個失效。由此可見，當加固完成后第75a時，抗滑穩定可靠度為3.8356，處于失效臨界狀態，達到剩余壽命的終止目標。當然，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強加固措施，提高指標的可靠度。目前，水閘在加固后已經運行了7a，而計算中也沒有考慮極端天氣和自然災害等因素的影響，因此實際壽命應該略小于75a。因此，建議水閘在繼續60～65a時加強檢測，必要時采取維修加固措施，以延長其繼續使用時間。

3 結語

基于結構動態可靠度理論，對某加固后的水閘使用壽命進行預測，結果報名該水閘在加固后，可服役75a，75a后水閘的抗滑穩定可靠度將處于失效臨界狀態，若考慮極端天氣和自然災害情況，水閘的實際壽命會小于75a，建議在60～65a時加強水閘檢測，必要時采取加固措施，以防止安全事故發生。由于受到研究對象復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、臺風等動力荷載，建立的壽命預測模型也相對比較簡單，在今后的研究中需要關注和引入更多的服役壽命影響因素，實現對模型的不斷改進和優化，使計算結果更貼近工程實際。