基于可靠度理论的水闸使用性能评估

孟 静

(交通部天津水运工程科学研究所 水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津 300456)

基于可靠度理论的水闸使用性能评估

孟 静

(交通部天津水运工程科学研究所 水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津 300456)

为了更加科学的判断水闸的使用性能，及时发现其安全隐患，杜绝危险作业的发生，从工程实际出发，依据水闸的结构特点和功能，从闸基的抗渗稳定性与闸室的结构稳定性两个主要方面建立水闸安全性分析的功能函数或失效模式，并运用结构可靠性理论计算其可靠指标或失效概率，并以此为依据，对水闸的使用性能作出科学的评估。最后以某引黄灌区排水闸的抗滑稳定为例，按JC法进行可靠度的计算，评估结果表明这种方法具有实际的应用价值。

水闸，可靠度，使用性能，JC法

文章根据工程实际情况，从水闸抗渗稳定性与闸室结构稳定性两个方面对水闸进行安全评估分析。

1 水闸抗渗稳定的可靠度评估[1]

水闸建成后，水位差会使闸基、边礅及其翼墙的背水一侧产生渗流,会产生不利影响：1)降低了闸室的抗滑稳定性及两岸翼墙和边礅的侧向稳定性；2)引起地基的渗透变形；3)损失水量；4)加速溶解地基内的可溶性物质。但由于闸基渗流区域的边界条件十分复杂，很难求解，因此本文用改进的阻力系数法来进行评估。

闸基抗渗极限状态方程:

(1)

(2)

其中，Js为水平段和出口段渗透坡降；[J]为容许的坡降值；l为计算段的渗径长度；hi为计算段的水头损失；ξi为各段水头的阻力系数；ΔH为上、下游水头差,m。其中：

进口段：

(3)

内部垂直段：

(4)

水平段：

(5)

其中，S为板桩或齿墙的入土深度,m；T为地基透水层深度,m；S1,S2分别为进出口段板桩或齿墙的入土深度,m；Lx为水平段长度,m。

出口段修正系数：

(6)

其中，S′为底板埋深+板桩入土深度,m；T′为板桩另一侧地基透水层深度,m。

则相应的极限状态方程为：

Z1=[J]l-h=0

(7)

将上述各出口段水头损失修正系数代入极限状态方程中：

(8)

则水平段的功能函数为：

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

(9)

其中，lxi为第i段的水平长度；ΔH，[Jx]，[J0]分别为上、下游水头差、水平段和出口段的渗透坡降。容许渗透坡降可查阅SL 265-2001水闸设计规范[2]。

在地质资料完整的情况下，可用临界坡降代替容许渗透坡降，则式(7),式(8)可写为下列形式：

Z′=[J]l-h=Jcl-kh=0

(10)

(11)

(12)

临界渗透坡降可按以下公式求出[2]：

(13)

对砂土有：C=0，且使tgφ=0.6；ξ=0.5，则上式简化为：

(14)

由于土体经渗透顶托力作用变得松动，故土粒间无摩擦力，略去土体周边摩阻力后，则其临界坡降为：

(15)

前面是渗流出口无反滤层的情况，当有反滤层时，其临界坡降:

Jc=

(16)

其中，γs为土粒重度，kN/m3；γ为水的重度，10 kN/m3；n为土体空隙率,%；φ为内摩擦角；C为凝聚力,kN/m2；ξ为侧压力系数，取0.5；n1为排水滤层土料;n2为护坦或海漫的空隙率,n2=0；γs1为排水滤层;γs2为海漫的土粒重度,γs2=24 kN/m3；t1,t2分别为排水滤层和护坦或海漫的厚度。

对于非粘性地基，要进行流土破坏和管涌破坏的验算。防止管涌破坏的容许坡降值可按下式计算[2]：

(17)

闸基渗流破坏主要集中在水平段和出口段，二者构成一个串联系统，各段的失效概率为Pfi，则系统的失效概率为：

(18)

2 闸室稳定可靠性分析

在各种荷载的作用下：1)闸室不发生沿基础底面或深层滑动；2)不发生明显的倾斜；3)平均基底压应力不大于地基的容许承载力[2]，成为闸室的稳定性。

1)闸室抗滑稳定的极限状态方程。建立在土基上的水闸，闸室不仅会产生平面滑动而且还可能会产生深层滑动，这是与其地基的法向应力相关联的，但一般情况下，闸基的法向应力较小，不会发生深层滑动，因而本章就闸基发生平面滑动的情况进行分析。根据抗滑稳定极限条件，建立相应极限状态方程：

f∑G-∑H=0

(19)

或：

tanφ∑G+CA-∑H=0

(20)

其中，f为闸基底与地基的摩擦系数；∑G为闸室上所有竖向荷载之和，kN；∑H为在闸室上所有水平向荷载之和，kN；φ为闸基底与土基的摩擦角，(°)；C为闸基底与土基的粘结力,kN；A为闸室基底面的面积,m2。

2)地基承载力极限状态方程。

a.在有竖向荷载的作用下，根据极限平衡条件建立极限状态方程，即为闸室基底压力的极限状态(亦可称为倾覆破坏极限状态)：

(21)

(22)

其中，[k]为闸底地基土允许不均匀系数；∑G为竖向荷载之和；A为闸室基底面积；∑M为闸室的全部作用荷载对闸基底面垂直水流方向形心轴的力矩，kN·m；W为闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩。

b.地基有时也会因承载力不足而发生剪切破坏，根据平衡条件建立其各自相应的极限状态方程：

R-S1=0

(23)

R=NBγBB+NDγDD+NCC

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

其中，R为土质允许承载力，按限制塑性区开展深度计算,kPa；γB为基底面土重度,kN/m3；γD为基底面上土重度,kN/m3；B为基底面宽,m；D为基底埋置深,m；C为地基土的粘结力,kPa；NB，ND，NC均为承载力系数[1]；π为圆周率；S1为闸底板作用在闸底土基上的平均应力，kPa。

c.前面两种情况是从单方面考虑地基的剪切与倾覆破坏的，但是当地基在竖向荷载和水平荷载共同作用下，还应该考虑其整体稳定性，建立其整体稳定的极限状态方程[3]：

(29)

其中，ck为满足极限平衡条件所需要的最小凝聚力,kPa；φ为地基的内摩擦角，(°)；σx，σy，τxy分别为该点的竖向正应力、水平正应力和剪应力,kPa。

根据上述极限状态方程，可按蒙特卡罗法或JC法求解可靠指标。

3 算例

以某引黄灌区排水闸的抗滑稳定为例进行可靠度的计算。该水闸为混凝土和浆砌石混合结构，其设计防洪水位为43.99 m，校核水位为44.79 m。闸室顺水流方向长16 m，为两孔并列的开敞式闸型，每孔宽3.5 m，高4.0 m。底板顶面高程为37.29 m，胸墙底高程为41.29 m，工作闸门采用平板式钢结构，高×宽为4.12 m×3.96 m。公路桥面高程46.79 m，为单车道，宽4.5 m，按汽—10级(原规范)设计，挂—60校核，工作桥面高程41.29 m，均采用钢筋混凝土简支板结构(均为黄海高程)。

1)计算参数见表1，渗透压力计算表见表2。

2)抗滑稳定功能函数。

表1 计算参数表

表2 渗透压力计算表

将各个参数代入前面列出的抗滑稳定极限状态方程(19)中，得到其抗滑稳定功能函数为：

经计算得出其可靠度计算结果(见表3)。

表3 可靠度计算结果

由分析可知该水闸在目前工作条件下其可靠指标远低于规范要求，需加固改造。

4 结语

本文结合灌区工程的实际情况，建立了水闸不同工况下的极限状态方程，并且运用编制的可靠度程序对工程进行了可靠度分析，针对计算结果，提出了对这些工程的决策建议。但由于实际工程的复杂性，特别是部分参数的统计特性较难取得，从而限制了该方法的应用。从理论上讲，可靠度方法应是对在役水闸进行技术评估的科学方法。

[1] 何鲜锋.水闸系统可靠性评价理论及其应用[D].郑州：郑州大学硕士学位论文，2005.

[2] SL 265-2001，水闸设计规范[S].

[3] 祁庆和.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社,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 静(1981- )，女，硕士，助理研究员

TV66

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