結(jié)構(gòu)可靠度在棄渣場項(xiàng)目的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

于來會

（浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310000）

0 引言

探索結(jié)構(gòu)可靠度在錢塘江航運(yùn)棄渣場項(xiàng)目的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用途徑，需相關(guān)設(shè)計(jì)研究人員掌握結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算對水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性與必要性，并要求基于水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，分析結(jié)構(gòu)可靠度的具體計(jì)算過程，分析水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)程中可能存在的誤差與問題，以此為導(dǎo)向來推進(jìn)其具體的設(shè)計(jì)工作，使其最大限度地滿足運(yùn)行要求。

1 錢塘江航運(yùn)棄渣場項(xiàng)目概述

根據(jù)已批復(fù)的《錢塘江中上游衢江（金華段）航運(yùn)開發(fā)工程水土保持方案報(bào)告書》（2012年12月），共產(chǎn)生棄方179.22萬m3，其中石方76.28萬m3、砂礫石102.88萬m3、建筑垃圾0.06萬m3（就近填埋）。隨著后續(xù)設(shè)計(jì)的深化，至施工圖階段，姚家樞紐及船閘工程、游埠樞紐及船閘工程、航道工程設(shè)計(jì)棄渣量共計(jì)313.00萬m3。主體工程擬選周門村和上吳村附近2處棄渣場及沿線防洪堤堤后空地堆放，但未明確具體位置，也無水土保持措施設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)可靠度在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用過程

2.1 結(jié)構(gòu)可靠度應(yīng)用思路

在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)程中選擇的是響應(yīng)面法，借助輸入、輸入關(guān)系進(jìn)行極限狀態(tài)曲面模擬，但是實(shí)際施工時(shí)，地質(zhì)勘探成果發(fā)生了較大變化，實(shí)際棄方大多為不可利用的粉砂巖，再加上不同設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化調(diào)整等原因，土石方數(shù)量、棄方數(shù)量和棄方材質(zhì)均發(fā)生較大變化，使得以往水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的系列功能函數(shù)難以顯示出來，從而難以進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算，這需技術(shù)人員有效結(jié)合有限元法與響應(yīng)面來處理系列的數(shù)據(jù)問題。分以下步驟進(jìn)行：需通過有限元分析法來整體、系統(tǒng)的分析，然后以響應(yīng)面法來獲取結(jié)構(gòu)功能等重要參數(shù)的函數(shù)數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)并結(jié)合施工棄方堆置進(jìn)度及現(xiàn)場棄渣場踏勘，來計(jì)算渣場項(xiàng)目結(jié)構(gòu)功能相應(yīng)最小值與最大值，得到全面、標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)可靠度分析規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，從而明確棄渣場位置及攔擋結(jié)構(gòu)。

在借助有限元分析軟件構(gòu)建棄渣場防護(hù)結(jié)構(gòu)功能模型時(shí)，需編寫與完善接口優(yōu)化程序，再經(jīng)過系統(tǒng)的計(jì)算后獲取結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)，綜合指標(biāo)結(jié)果顯示，中吳棄渣場、下葉棄渣場、上吳棄渣場、周門棄渣場、插口棄渣場、鄭麻車棄渣場、七一棄渣場都存在抗拉可靠度稍低的位置，需在設(shè)計(jì)進(jìn)程著重考慮結(jié)構(gòu)可靠性，以此來提升其使用壽命與穩(wěn)定性。比如：中吳棄渣場，棄渣場面積9.85 hm2，堆渣量96.86萬m3，最大堆高13.32 m。棄渣場附近敏感因素較多，渣場西側(cè)緊鄰衢江防洪堤，棄渣于原防洪堤堤頂處開始堆置，南側(cè)緊鄰姚家船閘進(jìn)場道路，東側(cè)和北側(cè)大多為農(nóng)田，北側(cè)有一村莊，與渣場間最近距離約20 m。因施工需要，姚家船閘進(jìn)場道路及棄渣場渣頂均有重型機(jī)械交通需求，對棄渣場邊坡擾動影響很大，加之棄渣堆置過程中無碾壓工序，棄渣場基礎(chǔ)為軟土基礎(chǔ)，在未防護(hù)前，棄渣堆置過程中出現(xiàn)了多次坍塌、沉降的現(xiàn)象。

在防護(hù)加固時(shí)按照以下流程進(jìn)行：①通過修建多級平臺避讓防洪堤、修坡、新建排水溝、邊坡植物防護(hù)等措施減少棄渣對防洪堤、村落的影響，棄渣場防洪堤背水坡及坡腳外5 m（一級平臺）清理?xiàng)壴练篮榈添敻叱蹋?6.22 m），原防洪堤排水溝保留，一級平臺靠近渣體一側(cè)坡腳設(shè)置C25混凝土排水溝（60 cm×70 cm），之后修坡至1：2至高程41.07 m后再設(shè)置70 m寬的二級平臺，坡腳設(shè)置C25混凝土排水溝（60 cm×70 cm），再修坡至1：2，渣頂高程44.00 m。一級平臺及邊坡客土噴播植草防護(hù)，二級平臺和渣頂平整復(fù)墾；靠近村莊部分渣體坡腳修坡至高程36.22 m處設(shè)矮平臺約20 m寬，平臺以上修坡至1：2.5至渣頂高程，坡面采用客土噴播植草護(hù)坡；坡腳外設(shè)C25混凝土排水溝（60 cm×70 cm）；平臺平整復(fù)墾。②通過采用經(jīng)濟(jì)性好、施工難度小、后期綠化效果好的鑫三角護(hù)坡結(jié)構(gòu)，對棄渣場臨進(jìn)場道路一側(cè)進(jìn)行防護(hù)，滿足交通運(yùn)輸部門對交通要道附近綠化要求及結(jié)構(gòu)可靠性。先修坡至1：2.50，在坡腳采用聯(lián)扣式60 cm高生態(tài)袋護(hù)腳，并在與坡面的聯(lián)扣式生態(tài)袋植草護(hù)坡相連，形成軟體結(jié)構(gòu)對渣體進(jìn)行攔擋及邊坡防護(hù)；于坡腳聯(lián)扣式生態(tài)袋護(hù)腳外側(cè)設(shè)置C25混凝土排水溝（60 cm×70 cm），減少棄渣場匯水對外界的影響。③通過渣頂覆耕植土復(fù)墾，減緩渣頂匯水水流速度，減小對棄渣場坡面的沖刷。

整體而言，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)程中若是缺乏相應(yīng)的不穩(wěn)定變量概率信息，應(yīng)借助結(jié)構(gòu)可靠度分析對渣場項(xiàng)目的整體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有效分析，并保持工程理論、分析結(jié)構(gòu)之間規(guī)律的一致性，如此方可保持其應(yīng)用價(jià)值。

2.2 列出水工結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程式

在分析水工結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)程中，渣場項(xiàng)目極限狀態(tài)通常是以功能函數(shù)來進(jìn)行標(biāo)注，比如：Z=g（Y1，Y2，…，Yn），（Y1，Y2，…，Yn）指的是抗力、荷載與其他各項(xiàng)變量因素，若是Z﹥0，則代表錢塘江航運(yùn)棄渣場項(xiàng)目結(jié)構(gòu)安全，若是Z﹤0，則代表項(xiàng)目結(jié)構(gòu)時(shí)效，若是Z=0，則代表結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。

2.3 對比分析水工結(jié)構(gòu)可靠度各項(xiàng)設(shè)計(jì)方式

就當(dāng)前階段來說，水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)包括概率、非概率兩種可靠度理論分析方式。概率可靠度理論的建立與應(yīng)用，是以失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，比如：其中的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)，運(yùn)算隨機(jī)變量參數(shù)函數(shù)，可明確、統(tǒng)計(jì)與分析各項(xiàng)隨機(jī)變量具體特征值。在進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)概率可靠度設(shè)計(jì)荷載分析進(jìn)程中，若是渣場整體的荷載力來源于自重與具備較高隨機(jī)性的水位時(shí)，可將渣場水位視作定值，將渣場巖層滲透壓力當(dāng)作隨機(jī)變量。但是因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中諸多變量的變化，且各項(xiàng)專業(yè)數(shù)據(jù)資料的匱乏，會使得在進(jìn)行水工機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)很難針對統(tǒng)計(jì)參數(shù)、概率分布實(shí)施精準(zhǔn)的計(jì)算。而在進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)概率可靠性度抗力分析進(jìn)程中，會針對鑫三角護(hù)坡結(jié)構(gòu)實(shí)施極限拉伸與彈性模量試驗(yàn)，以此來計(jì)算渣場結(jié)構(gòu)功能各項(xiàng)平均值。同時(shí)需明確的是，渣場項(xiàng)目各項(xiàng)事故的發(fā)生原因各不一樣，因此單靠結(jié)構(gòu)可靠性分析，很難獲取其中的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這造成結(jié)構(gòu)可靠度分析精準(zhǔn)度達(dá)不到具體標(biāo)準(zhǔn)。

水工結(jié)構(gòu)非概率可靠度設(shè)計(jì)針對的是渣場項(xiàng)目進(jìn)行過程中各項(xiàng)不穩(wěn)定信息的凸集合模型展示，借助比較響應(yīng)值與輸出變化區(qū)域，得到安全指標(biāo)范圍內(nèi)的度量結(jié)果。且水工結(jié)構(gòu)非概率可靠度設(shè)計(jì)整體過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)波動幅值越小，代表系統(tǒng)愈加可靠，因此該種設(shè)計(jì)方式多用于渣場中的系列不穩(wěn)定因素設(shè)計(jì)計(jì)算中。

2.4 結(jié)構(gòu)可靠度在水工結(jié)構(gòu)具體實(shí)施步驟

2.4.1 建設(shè)可靠度計(jì)算模型

其一，分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)表達(dá)式。在錢塘江航運(yùn)棄渣場項(xiàng)目水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)與分析時(shí)，應(yīng)列出分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)表達(dá)式，展示其中存在的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定因素，且在應(yīng)用該表達(dá)式時(shí)，可通過作用變異性來進(jìn)一步明確結(jié)構(gòu)可靠度的材料性能以及分項(xiàng)系數(shù)，從而更好地判斷項(xiàng)目中存在的不穩(wěn)定因素。其二，列出目標(biāo)可靠指標(biāo)，在構(gòu)建可靠度模型進(jìn)程中，要求工作人員列出可靠指標(biāo)。該指標(biāo)與渣場水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)程中的投資風(fēng)險(xiǎn)、維護(hù)成本等存在著關(guān)聯(lián)，可綜合反映出該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下的安全效益與經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，以事故類比法、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化法、經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)法等綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范來應(yīng)用，可列出系列的目標(biāo)可靠指標(biāo)。其三，水工結(jié)構(gòu)可靠度分析與計(jì)算。在進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)進(jìn)程中，可借助遺傳算法、高次高階矩、抽樣法等來計(jì)算系統(tǒng)功能，遺傳算法指的是對渣場項(xiàng)目種群個體執(zhí)行遺傳操作，調(diào)整種群個體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其中不穩(wěn)定因素，提升結(jié)構(gòu)可靠度，使其靠近最優(yōu)解。

2.4.2 可靠度分析

因水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體所用的理論在概率模型、分析方式等層面需進(jìn)一步完善，在土石壩、鋼閘門、排水溝、水塘中未實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化使用與普及，對比水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平來說尚有一段距離，國外研究人員就結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)進(jìn)程中涉及的抗力荷載效應(yīng)實(shí)施了重點(diǎn)研究與分析，并以校核法為輔助手段對結(jié)構(gòu)可靠度實(shí)施了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，有效提升了傳統(tǒng)模式下結(jié)構(gòu)可靠度的分析效率與質(zhì)量。也有部分學(xué)生總結(jié)與分析了水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)程中涉及的鋼閘門結(jié)構(gòu)等，并列出了一系列可靠度指標(biāo)，為錢塘江航運(yùn)棄渣場項(xiàng)目的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的支持，便利了相關(guān)研究工作。

而就當(dāng)前階段來說，中國棄渣場項(xiàng)目水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍處于不斷探索階段，未形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，需相關(guān)技術(shù)人員綜合結(jié)構(gòu)可靠理論來修改與完善其整體水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，為其系列理論后期轉(zhuǎn)向極限狀態(tài)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。此外要求項(xiàng)目組其他管理部門能夠有意識地搜集渣場在實(shí)際建設(shè)過程中涉及的諸多變量資料，設(shè)置滿足該項(xiàng)結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫，使其朝著智能化方向發(fā)展，更好地應(yīng)對渣場建設(shè)進(jìn)程中的諸多不確定性因素。且在各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不斷積累進(jìn)程中，一些統(tǒng)計(jì)資料不全的分項(xiàng)系數(shù)與隨機(jī)變量將會具備更加科學(xué)的概念以及更加規(guī)范的設(shè)計(jì)流程，利于其長遠(yuǎn)發(fā)展。

3 結(jié)語

文章就結(jié)構(gòu)可靠度在錢塘江航運(yùn)棄渣場項(xiàng)目的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述與分析，探討了其具體的設(shè)計(jì)方式、流程與分析方式等，要求給予其必要的重視，并強(qiáng)調(diào)該項(xiàng)設(shè)計(jì)工作是錢塘江航運(yùn)棄渣場項(xiàng)目順利推進(jìn)的必要措施，要求相關(guān)設(shè)計(jì)研究人員按照固定的流程與標(biāo)準(zhǔn)來推進(jìn)設(shè)計(jì)工作。