结构可靠度在弃渣场项目的水工结构设计

2023-01-04于来会

河南水利与南水北调 2022年3期

于来会

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310000）

0 引言

探索结构可靠度在钱塘江航运弃渣场项目的水工结构设计应用途径，需相关设计研究人员掌握结构可靠度计算对水工结构设计的重要性与必要性，并要求基于水工结构可靠度设计当前的研究现状，分析结构可靠度的具体计算过程，分析水工结构设计进程中可能存在的误差与问题，以此为导向来推进其具体的设计工作，使其最大限度地满足运行要求。

1 钱塘江航运弃渣场项目概述

根据已批复的《钱塘江中上游衢江（金华段）航运开发工程水土保持方案报告书》（2012年12月），共产生弃方179.22万m3，其中石方76.28万m3、砂砾石102.88万m3、建筑垃圾0.06万m3（就近填埋）。随着后续设计的深化，至施工图阶段，姚家枢纽及船闸工程、游埠枢纽及船闸工程、航道工程设计弃渣量共计313.00万m3。主体工程拟选周门村和上吴村附近2处弃渣场及沿线防洪堤堤后空地堆放，但未明确具体位置，也无水土保持措施设计。

2 结构可靠度在水工结构设计的应用过程

2.1 结构可靠度应用思路

在水工结构设计进程中选择的是响应面法，借助输入、输入关系进行极限状态曲面模拟，但是实际施工时，地质勘探成果发生了较大变化，实际弃方大多为不可利用的粉砂岩，再加上不同设计阶段的优化调整等原因，土石方数量、弃方数量和弃方材质均发生较大变化，使得以往水工结构设计中的系列功能函数难以显示出来，从而难以进行结构可靠度计算，这需技术人员有效结合有限元法与响应面来处理系列的数据问题。分以下步骤进行：需通过有限元分析法来整体、系统的分析，然后以响应面法来获取结构功能等重要参数的函数数据，以此为基础并结合施工弃方堆置进度及现场弃渣场踏勘，来计算渣场项目结构功能相应最小值与最大值，得到全面、标准的结构可靠度分析规范与标准，从而明确弃渣场位置及拦挡结构。

在借助有限元分析软件构建弃渣场防护结构功能模型时，需编写与完善接口优化程序，再经过系统的计算后获取结构可靠性指标，综合指标结果显示，中吴弃渣场、下叶弃渣场、上吴弃渣场、周门弃渣场、插口弃渣场、郑麻车弃渣场、七一弃渣场都存在抗拉可靠度稍低的位置，需在设计进程着重考虑结构可靠性，以此来提升其使用寿命与稳定性。比如：中吴弃渣场，弃渣场面积9.85 hm2，堆渣量96.86万m3，最大堆高13.32 m。弃渣场附近敏感因素较多，渣场西侧紧邻衢江防洪堤，弃渣于原防洪堤堤顶处开始堆置，南侧紧邻姚家船闸进场道路，东侧和北侧大多为农田，北侧有一村庄，与渣场间最近距离约20 m。因施工需要，姚家船闸进场道路及弃渣场渣顶均有重型机械交通需求，对弃渣场边坡扰动影响很大，加之弃渣堆置过程中无碾压工序，弃渣场基础为软土基础，在未防护前，弃渣堆置过程中出现了多次坍塌、沉降的现象。

在防护加固时按照以下流程进行：①通过修建多级平台避让防洪堤、修坡、新建排水沟、边坡植物防护等措施减少弃渣对防洪堤、村落的影响，弃渣场防洪堤背水坡及坡脚外5 m（一级平台）清理弃渣至防洪堤顶高程（36.22 m），原防洪堤排水沟保留，一级平台靠近渣体一侧坡脚设置C25混凝土排水沟（60 cm×70 cm），之后修坡至1：2至高程41.07 m后再设置70 m宽的二级平台，坡脚设置C25混凝土排水沟（60 cm×70 cm），再修坡至1：2，渣顶高程44.00 m。一级平台及边坡客土喷播植草防护，二级平台和渣顶平整复垦；靠近村庄部分渣体坡脚修坡至高程36.22 m处设矮平台约20 m宽，平台以上修坡至1：2.5至渣顶高程，坡面采用客土喷播植草护坡；坡脚外设C25混凝土排水沟（60 cm×70 cm）；平台平整复垦。②通过采用经济性好、施工难度小、后期绿化效果好的鑫三角护坡结构，对弃渣场临进场道路一侧进行防护，满足交通运输部门对交通要道附近绿化要求及结构可靠性。先修坡至1：2.50，在坡脚采用联扣式60 cm高生态袋护脚，并在与坡面的联扣式生态袋植草护坡相连，形成软体结构对渣体进行拦挡及边坡防护；于坡脚联扣式生态袋护脚外侧设置C25混凝土排水沟（60 cm×70 cm），减少弃渣场汇水对外界的影响。③通过渣顶覆耕植土复垦，减缓渣顶汇水水流速度，减小对弃渣场坡面的冲刷。

整体而言，水工结构设计进程中若是缺乏相应的不稳定变量概率信息，应借助结构可靠度分析对渣场项目的整体结构实现有效分析，并保持工程理论、分析结构之间规律的一致性，如此方可保持其应用价值。

2.2 列出水工结构极限状态方程式

在分析水工结构可靠性进程中，渣场项目极限状态通常是以功能函数来进行标注，比如：Z=g（Y1，Y2，…，Yn），（Y1，Y2，…，Yn）指的是抗力、荷载与其他各项变量因素，若是Z﹥0，则代表钱塘江航运弃渣场项目结构安全，若是Z﹤0，则代表项目结构时效，若是Z=0，则代表结构处于极限状态。

2.3 对比分析水工结构可靠度各项设计方式

就当前阶段来说，水工结构可靠度设计包括概率、非概率两种可靠度理论分析方式。概率可靠度理论的建立与应用，是以失效准则为基础，比如：其中的结构功能函数，运算随机变量参数函数，可明确、统计与分析各项随机变量具体特征值。在进行水工结构概率可靠度设计荷载分析进程中，若是渣场整体的荷载力来源于自重与具备较高随机性的水位时，可将渣场水位视作定值，将渣场岩层渗透压力当作随机变量。但是因结构设计中诸多变量的变化，且各项专业数据资料的匮乏，会使得在进行水工机构设计时很难针对统计参数、概率分布实施精准的计算。而在进行水工结构概率可靠性度抗力分析进程中，会针对鑫三角护坡结构实施极限拉伸与弹性模量试验，以此来计算渣场结构功能各项平均值。同时需明确的是，渣场项目各项事故的发生原因各不一样，因此单靠结构可靠性分析，很难获取其中的精准数据，这造成结构可靠度分析精准度达不到具体标准。

水工结构非概率可靠度设计针对的是渣场项目进行过程中各项不稳定信息的凸集合模型展示，借助比较响应值与输出变化区域，得到安全指标范围内的度量结果。且水工结构非概率可靠度设计整体过程中发生的结构系统波动幅值越小，代表系统愈加可靠，因此该种设计方式多用于渣场中的系列不稳定因素设计计算中。

2.4 结构可靠度在水工结构具体实施步骤

2.4.1 建设可靠度计算模型

其一，分项系数极限状态表达式。在钱塘江航运弃渣场项目水工结构可靠度设计与分析时，应列出分项系数极限状态表达式，展示其中存在的各项结构不稳定因素，且在应用该表达式时，可通过作用变异性来进一步明确结构可靠度的材料性能以及分项系数，从而更好地判断项目中存在的不稳定因素。其二，列出目标可靠指标，在构建可靠度模型进程中，要求工作人员列出可靠指标。该指标与渣场水工结构设计进程中的投资风险、维护成本等存在着关联，可综合反映出该种结构设计下的安全效益与经济效益。同时，以事故类比法、经济优化法、经验校准法等综合结构设计规范来应用，可列出系列的目标可靠指标。其三，水工结构可靠度分析与计算。在进行水工结构可靠度设计进程中，可借助遗传算法、高次高阶矩、抽样法等来计算系统功能，遗传算法指的是对渣场项目种群个体执行遗传操作，调整种群个体结构，优化其中不稳定因素，提升结构可靠度，使其靠近最优解。

2.4.2 可靠度分析

因水工结构设计整体所用的理论在概率模型、分析方式等层面需进一步完善，在土石坝、钢闸门、排水沟、水塘中未实现系统化使用与普及，对比水工结构设计水平来说尚有一段距离，国外研究人员就结构可靠度设计进程中涉及的抗力荷载效应实施了重点研究与分析，并以校核法为辅助手段对结构可靠度实施了系统的设计工作，有效提升了传统模式下结构可靠度的分析效率与质量。也有部分学生总结与分析了水工结构设计进程中涉及的钢闸门结构等，并列出了一系列可靠度指标，为钱塘江航运弃渣场项目的水工结构设计提供了相应的支持，便利了相关研究工作。

而就当前阶段来说，中国弃渣场项目水工结构设计仍处于不断探索阶段，未形成标准规范，需相关技术人员综合结构可靠理论来修改与完善其整体水工结构设计过程，为其系列理论后期转向极限状态设计奠定基础。此外要求项目组其他管理部门能够有意识地搜集渣场在实际建设过程中涉及的诸多变量资料，设置满足该项结构可靠度设计的软件系统与数据库，使其朝着智能化方向发展，更好地应对渣场建设进程中的诸多不确定性因素。且在各项统计数据不断积累进程中，一些统计资料不全的分项系数与随机变量将会具备更加科学的概念以及更加规范的设计流程，利于其长远发展。