試論碾壓土石壩設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)

0關(guān)于壩型高土石壩壩壩坡穩(wěn)定驗(yàn)算的實(shí)踐問題隨著土石壩技術(shù)的發(fā)展，高達(dá)200米以上的水庫已投入運(yùn)營和建設(shè)，如蒙薩渡、水布崖和雙江口。鑒于現(xiàn)行的碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范(DL/T5395-2007)明確規(guī)定規(guī)范只適用于水電工程中Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)壩高200m以下碾壓土石壩的設(shè)計(jì),對(duì)于200m以上的高壩應(yīng)進(jìn)行專門研究。因此高土石壩壩坡穩(wěn)定分析并沒有一個(gè)統(tǒng)一的安全標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)行設(shè)計(jì)的高土石壩都是基于前人經(jīng)驗(yàn)或者根據(jù)200m以下土石壩規(guī)范進(jìn)行指導(dǎo)設(shè)計(jì)。然而對(duì)于具有高風(fēng)險(xiǎn)的超過200m的高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)用普通土石壩規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)施工是否合適亟待解決,提出一個(gè)合理的高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)是現(xiàn)實(shí)的迫切需要。土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,對(duì)于低于200m的土石壩壩坡穩(wěn)定允許安全系數(shù)地震工況取1.2。工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB50153-2008)規(guī)定對(duì)于200m以下Ⅰ級(jí)水工建筑物允許可靠指標(biāo)取4.2,對(duì)應(yīng)的失效概率為10-5。對(duì)于高度超過200m的高土石壩現(xiàn)在并沒有一個(gè)廣泛認(rèn)可的允許可靠度指標(biāo),但是高土石壩的失效概率不能高于現(xiàn)行200m的土石壩的失效概率,高土石壩的安全性可以和核電站的安全性處于同一風(fēng)險(xiǎn)控制級(jí)別。美國核管會(huì)(NRC)1982年提出了核電站定量安全目標(biāo),核電安全縱深防御與事故緩解原則都要求安全殼系統(tǒng)具有可靠的性能,為了與這些原則保持一致,要求放射性物質(zhì)通過安全殼向環(huán)境大量釋放放射性物質(zhì)的概率(LRF)小于10-6/(堆·年)。由此為基礎(chǔ)本文提出假如對(duì)于300m的高土石壩壩坡穩(wěn)定失效概率取10-6,對(duì)應(yīng)壩坡穩(wěn)定允許可靠指標(biāo)為4.7,對(duì)于250m的高土石壩壩坡抗滑穩(wěn)定失效概率取0.5×10-5,壩坡抗滑穩(wěn)定允許可靠指標(biāo)為4.45,依據(jù)這一允許可靠指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高土石壩地震工況下壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行討論,并對(duì)所提標(biāo)準(zhǔn)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。1采用非線性土壤水庫橫截面分析，對(duì)水庫坡面的穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析1.1高土石壩壩坡穩(wěn)定穩(wěn)定性計(jì)算土石壩堆石材料的抗剪強(qiáng)度具有明顯的非線性特點(diǎn)。一般來說,上覆土體每增加50m,其內(nèi)摩擦角即減少8°~10°。陳祖煜、陳立宏認(rèn)為用非線性強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行土石壩壩坡穩(wěn)定是適用的。徐佳成、陳祖煜認(rèn)為將地震超越概率納入壩坡穩(wěn)定分析中是合理的。吳震宇、陳建康認(rèn)為高堆石壩按可靠度理論進(jìn)行非線性強(qiáng)度指標(biāo)壩坡穩(wěn)定性分析是合理可行的。本文采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)高土石壩壩坡穩(wěn)定模型進(jìn)行地震工況安全系數(shù)和可靠度指標(biāo)的計(jì)算,并基于相對(duì)安全率的理論通過比較二者的相關(guān)性確定超過200m的高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)。目前,常用于土石壩邊坡非線性穩(wěn)定分析為鄧肯的指數(shù)模式式中,σ3為小主應(yīng)力;ue7880和Δue788為材料參數(shù)。本研究針對(duì)壩坡坡比為1∶1.3和1∶1.4,筑壩材料為硬巖堆石料工況,在不同壩高H值情況下,比較相對(duì)安全率ηF和ηR線性關(guān)系確定高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)。地震工況下進(jìn)行建立在超越概率基礎(chǔ)上的地震壩坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)分析。大型水電站Ⅰ級(jí)擋水建筑物取基準(zhǔn)期100年超越概率2%的地震動(dòng)參數(shù)作為設(shè)計(jì)地震。使用中國水利水電科學(xué)研究院的STAB軟件進(jìn)行壩坡穩(wěn)定可靠指標(biāo)和安全系數(shù)的計(jì)算。固定壩頂寬度和上下游的坡比不變,變化壩高H值,以Ⅰ級(jí)土石壩地震工況抗滑穩(wěn)定允許安全系數(shù)Fa=1.2、允許可靠度指標(biāo)βa=4.2為標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行土石壩壩坡穩(wěn)定安全計(jì)算,并由此總結(jié)高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)規(guī)律,提出高度超過200m的高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)。采用非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表1,計(jì)算簡圖如圖1所示。1.2可靠度分析方法的驗(yàn)證中國水利水電科學(xué)研究院提出的相對(duì)安全率是一個(gè)衡量既定建筑物的安全系數(shù)相對(duì)于設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)裕幅的指標(biāo)。并對(duì)可靠度方法相對(duì)安全率的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證,并用圖2解釋?duì)荝和ηF的相互關(guān)系。定義可靠度分析領(lǐng)域的“可靠度方法相對(duì)安全率”為式中,β為可靠指標(biāo);βa為允許可靠指標(biāo);σF為安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。定義傳統(tǒng)安全系數(shù)方法的“傳統(tǒng)方法相對(duì)安全率”為式中,F為安全系數(shù);Fa為允許安全系數(shù);Ka為分項(xiàng)系數(shù)允許安全系數(shù)。各方法相對(duì)安全率在規(guī)定了合理的Fa和Ka的前提下,ηR具有較好的影射ηF的能力,并可以在同一個(gè)平臺(tái)上互相比較,并彌補(bǔ)各自的局限性。2模型計(jì)算2.1可靠度分析方法考慮地震超越概率在200m以下壩高情況下,按規(guī)范要求的Fa=1.2、βa=4.2的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算該典型土石壩算例Ⅷ度地震工況下確定性模型和可靠度分析的計(jì)算結(jié)果見表2。相對(duì)安全率F和R的相關(guān)關(guān)系見圖3?？疾毂?中最大壩高H=200m時(shí)的計(jì)算結(jié)果,可見確定性模型的安全系數(shù)F=1.325,略大于規(guī)范Fa=1.2的要求;可靠度分析方法計(jì)算所得的可靠指標(biāo)β=4.402,也是略高于規(guī)范βa=4.2的要求,可見規(guī)范對(duì)Fa和βa的規(guī)定基本上處于同一安全水平?？疾靾D3,在不同壩高H下該算例的相對(duì)安全率ηF和ηR基本相等,擬合系數(shù)a=0.940,略低于1,說明地震工況下允許安全系數(shù)安全水平略低。對(duì)于200~250m的高土石壩地震工況下的壩坡穩(wěn)定允許安全系數(shù),首先計(jì)算不同允許安全系數(shù)的傳統(tǒng)方法相對(duì)安全率與允許可靠度指標(biāo)4.45的可靠度方法相對(duì)安全率進(jìn)行擬合,查看擬合斜率后確定200~250m高土石壩地震工況壩坡穩(wěn)定允許安全系數(shù)。根據(jù)回歸結(jié)果發(fā)現(xiàn),在地震工況下200~250m高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.35和可靠度指標(biāo)4.45屬于同一安全級(jí)別。由此也可以確定正常工況下典型算例坡比1∶1.3,200~250m高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.35。在地震工況下250~300m高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.4和可靠度指標(biāo)4.7屬于同一安全級(jí)別。由此也可以確定正常工況下典型算例坡比1∶1.3,250~300m高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.4。2.2土石壩壩坡穩(wěn)定驗(yàn)算按照規(guī)范要求的Fa=1.2、βa=4.2的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算該典型土石壩算例Ⅷ度地震工況下確定性模型和可靠度分析的計(jì)算結(jié)果見表5。相對(duì)安全率ηF和ηR的相關(guān)關(guān)系見圖6。在不同壩高H下該算例的相對(duì)安全率ηF和ηR基本相等,擬合系數(shù)a=0.92,線性關(guān)系也很良好,相關(guān)系數(shù)的平方值達(dá)0.996。地震工況下典型算例1∶1.4土石壩計(jì)算壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)可得到規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)和可靠度指標(biāo),規(guī)范對(duì)于Ⅰ級(jí)土石壩地震工況下允許安全系數(shù)Fa=1.2的要求略微偏小。對(duì)于200~250m高土石壩,計(jì)算不同允許安全系數(shù)的傳統(tǒng)方法相對(duì)安全率,使其與允許可靠度指標(biāo)4.45的可靠度方法相對(duì)安全率進(jìn)行擬合,查看擬合斜率。計(jì)算結(jié)果見表6,擬合結(jié)果如圖7(a)所示。根據(jù)回歸結(jié)果發(fā)現(xiàn),在地震工況下200~250m高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.35和可靠度指標(biāo)4.45屬于同一安全級(jí)別。由此也可以確定正常工況下典型算例坡比1∶1.4,200~250m高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.35。在地震工況下250~300m高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.4和可靠度指標(biāo)4.7屬于同一安全級(jí)別(表7,圖7(b))。由此也可以確定正常工況下典型算例坡比1∶1.4,250~300m高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.4。2.3壩坡穩(wěn)定性驗(yàn)算根據(jù)不同坡比情況下的典型土石壩模型,計(jì)算土石壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和可靠指標(biāo),并對(duì)計(jì)算各自的相對(duì)安全率進(jìn)行線性回歸,得到高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)取值范圍。對(duì)于200~250m高土石壩地震工況下壩坡穩(wěn)定允許安全系數(shù)取1.35;對(duì)于250~300m高土石壩地震工況下壩坡穩(wěn)定允許安全系數(shù)取1.4。3壩體穩(wěn)定可靠計(jì)算我國現(xiàn)行的土石壩和面板堆石壩等設(shè)計(jì)規(guī)范都明確規(guī)定適用于壩高200m以下工程,對(duì)于壩高大于200m的高壩工程應(yīng)進(jìn)行專門研究。現(xiàn)取高土石壩水布埡、長河壩、江河坪、下爾呷、古水、糯扎渡、兩河口、馬吉和茨哈峽,按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行地震工況下壩坡穩(wěn)定可靠指標(biāo)和安全系數(shù)的計(jì)算(表8,圖8)。通過對(duì)三個(gè)已建超200m土石壩工程壩坡穩(wěn)定計(jì)算,可以看出,實(shí)際工程壩坡安全系數(shù)滿足基于相對(duì)安全率提出的高土石壩地震工況壩坡抗滑穩(wěn)定允許安全系數(shù)取1.35和1.4,也進(jìn)一步說明安全系數(shù)取值是合理的。4高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的確定(1)基于風(fēng)險(xiǎn)防控的理念,選取200~250m高土石壩壩坡穩(wěn)定允許可靠度指標(biāo)4.45;250~300m高土石壩允許可靠度指標(biāo)4.7時(shí),計(jì)算得到地震工況下考慮超越概率的高土石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值1.35和1.4