水工建筑物的安全性与设计安全判别准则

高晓光

(五大连池市水务局，黑龙江五大连池164100)

1 水工建筑物的失事情况统计

水工建筑物，尤其是坝，由于其作用重要，应当精心设计、精心施工，做到安全第一。但是由于各种原因，仍有可能失事。T.H.乔戈瓦则对近9 000座大坝中失事及出现事故的700例的统计结果，按失事原因所占份额，可以百分比计为:①地基渗漏或连接边墩渗漏占16%;②地基丧失稳定性占15%;③洪水漫顶及泄洪能力不足占12%;④坝体集中渗漏占11%;⑤侵蚀性水火穴居动物通道占9%;⑥地震占6%;⑦温度裂缝及收缩裂缝占6%;⑧水库蓄水或放空控制不当占5%;⑨冰融作用占4%;⑩运用不当占4%;[11]波浪作用占2%;[12]原因不明的有10%。

大坝失事有一半以上集中在施工期及使用初期，反映出设计施工中的缺陷大部分是在使用初期暴露出来的。详见表1。

表1 坝在不同时刻发生事故和失事所占百分比 %

2 安全准备

为了保证建筑物安全，必须在规划、设计阶段详加分析，保证其在蓄水、泄水能力、结构及其基本的强度和稳定性等方面均有一定的安全储备。

在建筑物的设计标准中，明确地规定出安全储备的要求。其表达形式有:单一安全系数法和分项系数极限状态设计法。后者是近年来在可靠理论基础上发展起来的。

3 极限状态

当整个结构(包括地基)后结构的一部分超过某一特定状态，结构就不能满足设计规定的某种功能要求时，称此特定状态为该功能的极限状态。《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》规定，按下面极限状态设计:

当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态:①失去刚体平衡;②超过材料强度而破坏，或因过度的塑性变形而不适于继续承载;③对结构外形、耐久性以及防渗结构抗渗能力有不良影响的局部损坏等。在这些状态下，结构是不适于使用的。

结构的功能状态一般可用功能函数来表示:

式中:Xi(i=1，2，……，n)为基本变量，包括影响结构的各种荷载、结构本身的抗力和材料性能等;c为功能限值，如梁的挠度，许可裂缝宽度等。

对最简单的情况，上式可写为:

此外，R为结构抗力S为荷载对结构产生的作用效应。

4 设计安全判别准则

根据经验，导致水工建筑物出现事故或失事的主要因素为:①荷载的不利性变异;②抗力的不良性变异;③状态方程表达不正确。因此，设计时一定要保持有安全储备，即令RS＞0，从而使结构能应付偶然出现的不利局面，以保持原定功能。我国水工设计规范规定的具体处理方式有以下两种:

4.1 单一安全系数法

单一安全系数法要求S≤R/K，此外，K为安全系数，R为结构抗力的取用值，S为作为效应的作用值。设计的结构经过计算，如果R/S≥规范给定的安全系数K，即认为结构符合安全要求，此法形式简便，现有水工设计规范大多沿用此法。

规范给出的安全系数目标值是工程界根据经验制定的，它考虑了:①结构的安全等级;②工作状况及荷载效应组合(基本组合取值高);③结构和地基的受力特点和计算所用的方程(分析模型准确性差的取值高)。与此同时，还应配合材料抗力试验方法及取值规则(一般取低于均值的某一概率分位值)，以及作用(荷裁)值的勘测试验方法及取值规则(一般取高于均值的某一概率分位值)等有关标准。这些规定必须配套使用，才能满足安全控制要求。

4.2 分项系数极限状态设计法

此法的基点是概率原理的结构可靠度分析理论，是一个将结构的安全性和适用性定量化的理论。将结构不能完成预定功能的概率称为失效概率Pf，即:

式中:g(·)为结构功能函数的简写，g(·)＜0即结构功能失效，［g(·)＜0］是失效事件的集合。

结构的可靠度，即结构能完成预定功能的概率，即为Ps，因此:

根据可靠度理论制定的分项系数法设计规范，是经过对大量工程结构的可靠度分析、在定量工作的基础上制定的。它明确规定按极限状态设计，并给出能反映变异性来源的分项系数，将每种因素的影响在不同的工程结构上统—考虑，取划—的分项系数。我国《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077—1997)设置了下列3个分项系数:①结构重要性系数r0;②作用荷载分项系数vF;③结构系数rd等。以上可查阅水工结构设计规范。

目前全面推动、规范水工建筑物的安全性是十分必要的，始终坚持管理工作制化、规范化、标准化，有技术部门和一支有较高素质且保持相对稳定的专业队伍，较好地做到了有章必依、执章必严，扎扎实实地开展水工建筑物及监测系统检查维护和改造工作，从而保证了水工建筑物安全、可靠地运行。

［1］ 王胜年，潘德强.港口水工建筑物检测评估与耐久性寿命预测技术［J］.水运工程，2011(1):116－122.

［2］ 柏宝忠，王以仁.影响水工建筑物耐久性的主要因素及预防对策［J］.水利水电技术，2004，35(10):13－16.

［3］ 王正旭.俄罗斯联邦水工建筑物安全法［J］.水利水电快报，1999，20(9):14－18.