土基上闸室抗滑稳定承载能力极限状态与分项系数套改研究

第２６卷第１期　四川　水　力　发电　Ｖｏ】．２６．Ｎｏ．Ｉ　２　０　０　７年２月　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｅｂ．，２　０　０　７　土基上闸室抗滑稳定承载能力极限状态与　分项系数套改研究　徐成　，　陈建康　，　刘世建　，　薛晓翔　（１．四川大学水利水电学院，四川成都６１００６５；２．四川华能宝兴河电力股份有限公司，四川雅安６２５０００）　摘要：目前水闸工程结构设计所采用的设计准则仍为单一安全系数法，该方法不能定量、科学地反映水闸工程的可靠性。　遵照《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》（ＧＢ　５０１９９－９４），在查阅了国内外大量相关文献资料基础上，主要进行了土基　上水闸抗力参数统计特征，闸室抗滑稳定承载力极限状态表达式的提炼以及分项系数的研究，首次较系统地提出了土基上　闸室抗滑稳定的承载能力极限状态表达式及分项系数（套改），并以四川省七座水闸１＝ｊ陧予以检验其合理性。　关键词：水闸；极限状态；分项系数；抗滑稳定；土基　中图分类号：ＴＶ２２２；ＴＶ３ｌ　文献标识码：　Ｂ　文章编号：１００１．２１８４（２００７）Ｏｌ－００８３－０４　１　前言　目前水闸工程结构设计仍采用单一安全系数　Ｋｃ＝留　（１）　法设计准则，即将各种作用、结构尺寸、材料性能　式中Ｋ为纯摩抗滑稳定分析安全系数；　为闸　等因素作为确定性因素考虑，最后用一个概略的　室基底面与土基之间的摩擦系数；∑Ｇ为作用在　系数来包容解决各种不确定因素可能引起的安全　闸室上的全部竖向荷载（ｋＮ）；∑Ｈ为作用在闸室　问题。但是，影响水闸结构设计的因素，如水压　上的全部水平向荷载（ｋＮ）。　力、边界条件、材料性能、几何参数等均为随机变　根据《水利水电工程结构可靠度设计统一标　量，存在客观变异性，仅考虑单一的安全系数会使　准》规定，其承载能力极限状态表达式可描述为：　结构设计显得粗糙而不能反映不同类型结构的可　∑聪ｌ　。靠程度。分项系数极限状态设计方法引进了可靠　。　譬　（２）　度设计理论。以概率极限状态设计原则为基础。综　式中　ｙ。为结构重要性系数；　为设计状况系　合分析了影响结构可靠性的各种因素及其变异性　数；７　为结构系数；ｙ　为材料性能分项系数。　和不确定性，推出了一整套分项系数。笔者结合　由式（２）可得，其结构抗力函数Ｒ（・）为式　《水闸设计规范》修订之水闸结构设计分项系数　（３），作用效应函数Ｓ（・）为式（４）。　套改研究选题，遵照《水利水电工程结构可靠度　（・）＝ｆＹ　Ｇ　（３）　设计统一标准》，在查阅了国内外大量相关文献　Ｓ（・）＝∑Ｈ　（４）　资料的基础上，主要进行了土基上水闸抗力参数　由式（２）可得：　统计特征，闸室抗滑稳定承载力等极限状态表达　式的提炼，分项系数（尤其是材料性能分项系数　（５）　与结构系数）的研究，首次较系统地提出了土基　对比式（１）和式（５），可有：　上水闸结构设计极限状态表达式及分项系数（套　Ｋｃ＝７０　７ｄ　（６）　改），并以四川省七座水闸工程予以检验得出成　结构系数为：　果合理的结论。　Ｋｃ　（７）　＝　２　土基闸室抗滑稳定承载能力极限状态表达式　根据现行《水闸设计规范》（ＳＬ２６５—２００１），土　３结构分项系数套改　基上水闸抗滑稳定纯摩公式为：　３，１　分项系数套改原则　（】）遵循《水工统标》。　收稿日期：２００５－１２－２０　（２）采用现行《水闸设计规范》（ＳＬ２６５一　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏａ，ｅｒ固　维普资讯 http://www.cqvip.com

徐成等：土基上闸室抗滑稳定承载能力橄限状态与分项系数套改研充　２（８７年第１期　２００１）荷载及结构分析模式。　３．２分项系数套改　提条件。对各种作用分项系数，笔者在文中直接　采用《水工建筑物荷载设计规范》（Ｄ１５０７７一Ｉ９９７）　所规定之分项系数。　３．２．４材料性能分项系数　３．２．１结构重要性系数　结构重要性系数主要反映了水闸的安全级　别。根据《水工统标》，结构安全级别为Ｉ（１级建　筑物）、Ⅱ（２、３级建筑物）、Ⅲ（４、５级建筑物）的　水闸，其结构重要性系数分别为１．１，１．０，０．９。　３．２．２设计状况系数　根据《水工统标》７．０．３．３条，考虑材料性能　对其标准值的不利变异，材料性能分项系数按式　（８）计算：　ｙ７　　‘　、设计状况系数反映了结构不同设计状况下应　ｍ　Ｊ　ｄ　有不同的目标可靠度指标。参照《混凝土重力坝　式中　为材料性能的设计值；　为材料性能的　设计规范》（ＤＬ５１０８—１９９）、《混凝土拱坝设计规　标准值。　范》（征求意见稿），水闸结构持久状况、短暂状　Ｙ　反映了闸基的材料特性，考虑了材料的不　况、偶然状况的设计状况系数可分别取１．０，　确定性。由式（８）可知，Ｙ　由材料性能的标准值　０．９５，０．８５。　和设计值决定。材料性能的标准值和材料性能设　３．２．３作用分项系数　计值均反映了分位值的概念，在不同的概率分布　根据《水工统标》７．０．６条规定，作用分项系　上，其取值原理亦不尽相同。显然，材料性能分项　数可根据作用的概率分布模型进行计算。在《水　系数取值与材料性能的统计特性密不可分。　工建筑物荷载设计规范》（Ｄ￣０７７—１９９７）的制定　（１）材料性能的统计特性。文献［１］给出了　中，国家曾列入科技攻关和自然科学基金项目予　三座建在砂性土地基上水闸闸基抗剪参数－厂的统　以支持，有关单位和学者也进行了大量富有成效　计特性，见表１。　的工作，为各水工建筑设计规范的修订提供了前　从表１可以看出，三类砂性土的抗剪参数的　表１　三座水闸闸基土抗剪参数，的统计特征表　均值相差不大，其变异系数大小差异亦不明显。　以天然岩土基础作为拦河建筑物基础，在基础面　总之，三座水闸地基抗剪参数的变异系数比较小，　开挖后要经过检查验收，对于有明显缺陷的严重　其概率分布离散性不大。我国《港口工程结构可　风化、破碎、夹泥层都要挖除，对混凝土、碾压土等　靠度设计统一标准》（ＧＢ５０１５８—９２）认为，地基土　人工材料均要进行检验。因此，将材料性能的保　的物理指标比较符合正态分布。正态分布是概率　证率定为９７．７２５％是恰当的，文献［１］在计算分　分析应用最广泛、使用最简单的一种分布型式，这　析基岩抗剪断情形下的材料性能分项系数时，基　与国内外相关行业的统计结果是基本一致的。综　岩抗剪断摩擦系数厂设计值保证率为９７．７２５％，　上所述，笔者拟取土基抗剪强度服从对数正态分　即　．为２．０；而基岩抗剪断凝聚力Ｃ　的设计值保　布，变异系数为０．１５。　证率则取到了９９．８６５％，对应的　。．为３．０；混凝　（２）闸基抗剪强度标准值与设计分位值。　土抗压强度的设计值保证率为９７．７２５％，相应的　①标准值　分位值。《水利水电工程结构　尺　．为２．０。通过上述分析并考虑土基的材料性　可靠度设计统一标准》规定，土材料和土基强度　质比基岩的更差，其设计值的保证率很难达到　的标准值可采用概率分布的０．１分位值。因此，　９９．８６５％，因此取为９７．７２５％，计算出的　为　土基上水闸抗剪强度标准值采用其概率分布的　２．０。　０，１分位值，计算出的　为１．２８２。　（３）闸基抗剪强度材料性能分项系数。　②设计值　．　由水工结构设计可靠度分析　砂性土地基抗剪强度服从对数正态分布，可　可知，一般材料性能设计验算点即为设计值。若　由式（９）计算材料性能分项系数。　四Ｓ＆ｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２６卷总第１０９期　四Ｊｌｌ水力发电　１．２５。　２００７年２月　～Ｙ　ｍ　（９（　一）　③文献［３］提出的基础工程土体内摩擦角分　项系数为１．２～１．５。　砂性土地基抗剪强度变异系数为０．１５；材料　性能的设计值、标准值分别取概率分布的０．０ｏ２　７５、　０．１分位值。由式（９）可计算得材料性能分项系　数Ｙ　．为１．１１３　０，取整数后为１．１０。　（４）材料性能分项系数合理性评价。　笔者在文中给出的材料性能分项系数与欧美　岩土工程界的略有差异，主要是由于土体抗剪参　数的设计分位值及标准值取值不同。由于材料性　能分项系数反映了材料的不确定性，且基础工程　和土基础摩擦力参数ｔａｎｔｐ的分项系数均在１．２　左右，因此，将水闸土基抗剪强度材料性能分项系　数取为１．２０。　３．２．５结构系数　①在欧洲和北美部分发达国家，岩土工程界　已广泛采用了极限状态设计原理，并提出了砂性　土内摩擦角ｔａｎｔｐ的分项系数：１９５３年，按汉森公　式推导的分项系数值为１．２，之后调整为１．２５；丹　麦岩土工程设计规范（ＤＳ１４５一ＤＩ　１９６５）将该值取　结构系数反映了作用效应计算模式的不定性　和抗力计算模式的不定性，以及其他分项系数未能　反映的不确定性等。根据式（７），可计算出对应于　为１．２５；欧洲岩土工程设计规范第７册（ＣＥＮ　１９９２）取１．２５。　②由文献［２］，土结构的摩擦力参数ｔａｎｔｐ分　项系数为１．２；土基础的材料性能分项系数为１．２　不同级别不同设计状况下的结构系数（表２）。　表２　水闸土基抗滑稳定结构系数计算结果表　水闸安全级别　Ｉ　设计状况　持久　短暂　佃然　Ｙｏ　１．３５　１．２５　１．１０　Ｙ　１．０　０．９５　０．８５　Ｙ　ｆ　１．０２　０．９６　０．９８　１．１　１．１　１．１　１．２　１．２　１．２　Ⅱ　Ⅲ　持久　短暂　偶然　１．３　１．１５　１．Ｏ５　．Ｏ　．０　．Ｏ　１．Ｏ　０．９５　Ｏ．８５　．２　．２　．２　．Ｏ８　．Ｏ１　．Ｏ３　持久　短暂　偶然　１．２５　１．１　１．０５　０．９　０．９　０．９　１．０　０．８５　０．８５　．２　．２　【．２　．１６　．０７　【．１４　由表２可见，不同安全级别的水闸在不同设　２５、１．１５、１．１０及１．１０、１．０５、１．０５，而套改规范　时，安全级别的差异主要体现在结构重要性系数　Ｙ。上，Ｙ。对应于Ｉ、Ⅱ、Ⅲ级水闸的比值为１．１、　１．０及０．９。显然，这个比值小于现行规范相应荷　载组合下不同安全级别水闸安全系数比值，同时，　在规范的套改过程中，力求　．计状况下的结构系数套改结果有所差异，其基本　组合与偶然组合的结构系数变化的范围基本一　致，参考《混凝土重力坝设计规范》，水闸纯摩抗　滑稳定承载能力极限状态设计之结构系数对基本　组合与偶然组合取同一Ｙ　是可以接受的；现行水　闸设计规范规定的安全系数是按工程经验给定　的，从大量的工程实践经验来看具有一定的合理　与现行规范规定　接近，但实际上难以做到，因为结构系数反映　了计算模式的不定性、抗力性能的不定性等，其应　为一定值。　性。本次套改选取的结构系数应尽量使Ｙ。、　、Ｙ　及Ｙ　的乘积接近于　。基于此，笔者拟定套改　结构系数　为１，１０。　４分项系数的合理性检验　分项系数的取值是否合理，更有待于实际工　程的检验。笔者根据国家电力公司成都勘测设计　研究院所提供的不同实际工程资料，按极限状态　设计法检验套改分项系数的合理性，检验成果见　表３。由表３可见，本次套改分项系数均能满足　实际工程的安全要求。　５结论　根据式（６），套改分项系数Ｙ。、　、Ｙ　及Ｙｄ的　乘积理论上应与原规范对应荷载组合下的安全系　数一致。但由于两种设计方法之差异，套改分项　系数之积与现行规范之　略有出入，其基本组合　与偶然组合之相对误差分别为１．５４％～１４．９５％　及３．８３％～１２．２０％。造成这种状况的原因是：　现行规范规定的不同安全级别水闸安全系数比值　在三种计算工况下分别为１．３５、１．３０、１．２５；１．　（１）通过查阅国内外大量相关文献及土基抗　剪参数试验资：ｆ－｝，在分析研究了土基上水闸抗剪　Ｓｉｃｈｕａｎ　ＷａｔｅｒＰｏｗｅｒ四　维普资讯 http://www.cqvip.com

徐成等：土基上闸室抗滑稳定承载能力极限状态与分项系数套改研究　２００７年第１期　参数统计特征的基础上，获得了土基上闸室抗滑　稳定极限状态材料性能分项系数和结构系数。　（２）材料性能分项系数的大小不仅与变异系　表３套改分项系数检验成果表　数、设计值分位值及标准值分位值有很大关系，而　且受概率分布的影响也特别大，砂性土地基抗剪　参数　服从对数正态分布，变异系数取０．１５。　（３）笔者在文中套改的分项系数均能满足实　际工程的安全要求，且大部分工程的安全裕度较　大，其原因是各工程闸室受结构布置限制，并未达　到极限状态最优（工程量最小）状况。　出版社．１９９６．　［３］　高大钊．土力学可靠性原理［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版　社．２Ｏｏｏ．　［４］　彭雄志，赵善锐，罗书学．桩的抗力分项系数的研究［Ｊ］．西　南交通大学学报，２０００，３５（４）：３７１—３７４．　［５］　侯建国，贸采旭．水工混凝土结构设计分项系数的确定　［Ｊ］．水利学报，１９９６，（７）：３７—４１．　［６］　黄传志，孙万禾．土性参数慨率分析中的儿个问题［Ｊ］．水　运工程，１９９４（４），４７—５３．　（４）笔者在文中套改的土基材料性能分项系　数与国内外岩土工程界提出的值比较接近，也表　明本文的取值具有一定的合理性，对《水闸设计　［７］　江启升，张林．分项系数极限状态法在水闸设计中的应用　［Ｊ］．水电站设计，２００３，１９（２）：１３—１７．　［８］　侯矬国，贺采旭．水工混凝土结构承载能力极限状态分项系　数研究［Ｊ］．红水河，１９９４，１３（２）：３２—３８．　作者简介：　绘成（１９８１．），男，四川巾江人，硕士研究生，研究方向：水工结　规范》修订具有实际应用价值和指导意义。　参考文献：　［１　能源部、水利　水利水电规划设计总院《水利水电工程结　构可靠度发汁统一标准》编制组．水利水电工程结构可靠　度设汁统一标准々题文集［Ｍ］．成都：四川科学技术出版　社．１９９４．　构工程；　『２］林宗元．岩土ｔ程助察设汁手册『Ｍ］．沈　：辽宁科学技术　陈建康（１９６３．），男，　肃人，剐院长，教授，博：ｉ＝，研究方向：水工　结构工　；　刘Ⅱ上建（１９７９．），男，四川隆昌人，助理工程师，硕士，从　弘水电工　程技术与管　工作；　薛晓翔（１９８１．），男，山西河｝＿ｌｔ人，硕．｝＝研究生，研究方向：水１－ｆｉ￣　恂工程．　（责任编辑：李燕辉）　固Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ