水工建筑物的可靠性设计探究

摘要：水工建筑物设计有随机性，要对其进行可靠性设计研究，以保证结构设计的稳固 。

关键词：水工建筑物；可靠性设计；因素

中图分类号： TV文献标识码： A

前言

可靠性理论在水工建筑物设计中的应用，使水工结构设计理论进入了一个新的阶段。可靠度设计方法只能解决可统计的随机性不确定性问题，例如结构相对简单、对其作用、作用效应、材料性能和抗力已基本了解和认识的建筑构件，随机变异性是其设计中主要考虑的因素。所以，在工程结构设计中，可靠度分析方法与传统的总安全系数方法最本质的差异就在于其未计入不可统计的非随机不确定性因素。

一、可靠度和安全系数

安全系数包含了不可统计的非随机不确定性因素。诸如，从作用到作用效应的转换、从试件的强度到结构抗力的转换、以及可能存在的设计中的人为差错、地基查勘中未被查明的隐患等，这些因素都只能依据工程经验确定。所以基于概率理论的可靠度分析对这些不可统计的非随机不确定性因素是不能适用的。

对随机变异性是设计中主要考虑因素的结构，可靠度设计方法具有综合考虑抗力 Ｒ 和作用效应 S 的发生概率、对各类结构给出以功能函数Z ＜0 标志的真实失效概率的优势，对其作为工程设计趋势的前景需要积极关注。但同时也应充分认识到在当前的工程设计中，尤其是对高坝这类复杂的水工建筑物，设计中安全水准的设置在相当程度上仍需依据工程实践经验，其诸多非随机不确定性因素是可靠度设计方法所无法解决的。而对如大坝这类复杂的水工建筑物设计，可靠度设计方法也存在着相当的复杂性和局限性，例如作为统计基础的样本资料的不足，而可靠度方法本身对非线性的大坝结构分析也有不少有待解决的困难，特别是地震作用实际并非随机变量，而是非平稳的随机过程，其动态可靠度分析更是非常复杂难解的。因此，对待可靠度方法在水工建筑物设计中的实际应用，必须十分慎重，应当说，目前在水利水电工程中，直接推行可靠度设计尚不具备条件。但在水利水电工程中，采用笼统的单一安全系数的传统，也确有突破的必要。当前可行的途径是向采用分项系数极限状态的方式转轨，包括考虑作用效应和抗力随机性的分项系数，以及引入计入非随机性的不确定性因素影响的结构系数 γd，这实际上是从单一的安全系数向多安全系数的转轨。但至少在目前，对转轨后分项系数的取值，在相当程度上仍需要依据工程实践经验，因此总体上仍需要由传统的安全系数套改，以保持规范的连续性。

 二、单一安全系数向分项系数的“转轨套改”

1、两种分项系数极限状态方程的本质差异

在可靠度分析中，抗力和作用效应的分项系数 γＲ、γS是通过与目标可靠度相应的验算点的设计值 Ｒd、Sd求解的，因而是相互关联而并非独立确定的。虽然可靠度设计和转轨后的多安全系数法都是以分项系数极限状态方程表征的，但如上所述，两者间有本质差异，因此，把以分项系数表征的多安全系数法混同于可靠度分析方法，正是源于上述这些概念上的混淆。在计入结构系数 γd的情况下，仍要求按可靠度方法确定抗力和作用效应的分项系数，实际也是难以推行的。

2、向分项系数“转轨”的内涵

由于从传统的单一安全系数 K 向以分项系数表征的多安全系数转轨，目前分项系数的取值仍需由安全系数套改，因此，实际上只是将安全系数 K 拆分为考虑抗力和作用效应从标准值到设计值的随机变异性的分项系数 γＲ和 γS、以及考虑非随机不确定性因素的结构系数 γd三者的乘积。因而就安全标准的设置而言，两者并无本质差异。但分项系数法使工程人员更清楚了解安全系数 K 的内涵中包含的各个因素的性质及其在总的安全裕度中所占有的比重，且能根据不同作用产生的作用效应及构成抗力的不同因素之间随机变异性的差异，对相应的分项系数进行适当调整。由于转轨后以分项系数表征的多安全系数法并非可靠度设计，其取值并不以目标可靠度 β 相关联，因而也不存在工程人员要按可靠度理论进行复杂计算的困难。实际上，多安全系数极限状态的设计方法在国际上已广为应用，但在水工建筑物设计的“转轨套改”中，对各个分项系数，特别是引入的结构系数 γd，赋予了更为明确的内涵和取值依据。显然，采用统一的多安全系数极限状态的设计方法，也有利于我国在国际承担愈益增多的水利水电工程建设任务。

三、水工建筑物设计中作用分项系数的特点

在重大的壅水建筑物设计中，作为主要作用的水荷载，其在不同工况下的相应设计水位，就已经考虑了相应的洪水发生概率，可以通过工程具有的控制水位的可靠设施，加以人为调度，因而可以视为定值。另一个主要作用是结构的自重荷载，对大体积坝体而言，其尺寸和容重的随机变异性也是很小的，同样可以视为定值。其余的具有一定随机变异性的作用，如坝基的渗透压力，由于坝基地质条件的复杂和系统观测数据资料所限，很难进行概率分布和统计参数的计算分析; 又如温度作用，与气候条件、人工调度方式、库水中泥沙含量等因素有关，也很难用统计理论进行分析而提出准确的统计参数。所以如文献中所述，把这些作用作为随机变量，实际上也是有一定困难的。

至于地震作用，是随机变异性最大的作用。实际上，地震作用应当视为随时间变化的非平稳随机过程，其失效概率的表征所涉及的对作用效应的动态超越概率分析，十分复杂，目前尚难在工程中实际应用。因而通常还只能把地震动输入的峰值加速度作为与时间无关的随机变量处理。我国地震动输入的设防准则是依据基于概率理论的地震危险性分析的结果。与洪水设防准则相似，水工建筑物的抗震设防准则采用相应于基准期内一定的超越概率水准。

国地震动输入的设防准则是依据基于概率理论的地震危险性分析的结果。与洪水设防准则相似，水工建筑物的抗震设防准则采用相应于基准期内一定的超越概率水准。对于抗震设防类别为甲类的重大的壅水水工建筑物，现行水工抗震规范规定，其抗震设防水准为 100 年超越概率2%，约相当于遭遇约 5 000 年一遇的地震作用，高于国外同类规范、导则中的规定值，并且在 2008 年的汶川大地震中经受了一定的检验。地震作用的随机变异性在设计地震作用的代表值已经得到了反映。在可靠度分析中，属偶然作用的地震作用，其分项系数也应是取为 1. 0 的。因此，作为对于包括高坝在内的水工建筑物的特点，目前是基本可以把作用视作定值处理的。

四、《水工建筑物抗震设计规范》中分项系数的取值

在考虑地震作用的偶然设计状况中，《水工建筑物抗震设计规范》根据已有试验资料，给出了大坝混凝土的抗压强度的动态标准值。对抗滑稳定校核中的抗剪强度参数 f 和 c，目前一般采用 0. 2 分位值的静态参数。

为适合我国的国情，规范中规定，对包括坝高70 m 以下的水坝在内的量大面广的水工建筑物，仍可按拟静力法进行抗震校核计算; 而对重要的水工建筑物应按动力进行抗震校核计算。在拟静力法中，由于地震作用的简化和结构地震作用效应按静力计算、并引入了对地震作用效应进行折减的系数，是主要基于工程实践经验的近似方法，难以反映结构的作用效应和抗力的随机变异性。因此，在套改中，作用效应和抗力设计值的分项系数都取为 1. 0。因考虑地震作用是属于偶然设计状况，其结构系数取为 γd= K/ψ。在动力法中，结构动态抗力设计值的分项系数取其在正常设计状况中相同的值，从而从相应的安全系数中套改结构系数 γd值。

结束语

从上述各项，对水工建筑物统一采用现行的分项系数极限状态方程方法，并不存在实质。这样也有利于我国在国际承担愈益增多的水利水电工程建设任务。

参考文献

[1] Duncan J M. Factor of safety and reliability in geotechnical engineer-ing［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2000，126(4): 307-316.

[2] 陈祖煜，徐佳成，孙平，等 . 重力坝抗滑稳定可靠度分析:(一) 相对安全率方法［J］. 水力发电工程学报，2012(3):148-159.

[3] 陈肇元，杜拱辰 . 结构设计规范的可靠度设计方法质疑［J］.建筑结构，2002(4): 64-69.