云南能阳水利水电勘察设计有限公司 云南曲靖655000
摘要：当前，水工建筑物的设计主要采用单项安全系数、多项安全系数两种办法。其中，单项安全系数主要在水利行业中普遍应用，多项安全系数多应用于水电行业。这两种办法在设计的过程中，均依据实际的工程经验，虽然形式存在很大的差异性，但是结果非常相近。在进行水闸、土石坝稳定性分析时，由于安全系数非常小，不便进行分解，所以实际效果甚微。单项安全系数主要应用于水利行业，但是进行抗震设计时，需要采用多项安全系数法，增加了设计的复杂性。
关键词：水工建筑物；抗震；设计
最早，国内水利、水电行业设计采用相同的办法，即单项安全系数。之后，随着工业建筑业的不断发展，衍生了多项安全系数法，并运用到水电行业设计中，其中，水利行业在设计中依然单项安全系数。在此基础上，规范了不同抗渗设计系数在水利、水电行业中的运用。本文从地震载荷的角度出发，对水工建筑物抗震设计进行分析与探讨，希望可以起到参考的作用。
一、采用可靠度理论设计
假设某坝体的强度、应力均为随机变量，同时满足正态分布的要求。另有状态函数，处于正态分布。其中，代表应力，代表随机变量。那么，平均值为：，平均值为：。根据概率方面的知识，可以计算出实际的失效概率，具体计算公式为：
在（2）中，代表坝体可靠度，与的平均值分别为、。与的均方差分别为：、。（2）式在改写之后，可以得到：
在（4）式中，、代表、的变异系数，的分项系数为，的分享系数为：。（1）式、（3）式等价，如果（3）式条件成立，那么（1）为失效概率。其中，（3）式在计算的过程中，运用了可靠性的结构方程。通过观察（1）式、（3）式，可以看出将可靠度理论运用到结构设计当中，参数、与设计的精度紧密相连，而且对设计的精度产生绝对性的影响。同时，还包括两个方面的问题。首先，针对应力、强度分布的概率，以及产生的变异系数、平均值，需要有充足的样本。其次，计算与出应力与实际应力往往会出现偏差，因此应该考虑该方法的科学性、合理性，防止与实际数据不符。
二、单项安全系数法和多项安全系数法本质相似
单项安全系数法与多项安全系数法在形态上虽然有很大的差异性，但是由于计算的结果相似，因此在本质上是相同的。下面通过混凝土拱坝的设计来进行研究。根据相关的设计规范，拱坝采用多项安全系数法，抗剪断的计算公式为：
（5）
在（5）式中，代表结构性重要系数，设计状态系数为，将安全级别分为三个等级，在持久状态时，取值1.00，在短暂状态时，取值0.94，在偶然状态时。数值为0.83。代表拱坝的结果系数，取值1.2。代表摩擦系数，粘聚力为，是分项系数，取值3。根据传统安全系数法，对抗剪断安全系数进行计算，具体的计算公式为：
根据上面的公式，可以得出：
（8）
代表：粘聚力折减系数。对上面的公式进行计算表，可以得出抗剪断安全系数，如表1所示：
从上表可以看出，在规范下，表1在计算安全系数时，主要的区别是粘聚力的程度不同。为了分析粘聚力产生的影响，给粘聚力打8折，同时满足的条件，在这种情况下，等于安全系数打了9折。于是，得到了表3。可以看出，拱坝水规、电规的计算公式有很大的差异性，但是计算出来的安全系数非常相似。也就是说，虽然这两种规范在形式上有区别，但是实质上是相同的。
早在90年代的时候，多项系数法在运用的过程中，主要以理论的应用为主，这种方式存在一定的局限性。主要表现为：一旦出现复杂的问题，因为样本的数量少，系数难度大，缺乏实践经验，所以在计算大坝的安全系数时，面临很大的困难。在这种情况下，由于计算方式以经验为主，因此参数的强度、系数的配置，以及安全系数的取值都会产生一定的差异，因此很不科学。同时，采用单项安全系数法也存在一定的局限性。主要表现为：摩擦系数、粘聚力具有不同的特性，在计算的过程中容易受到干扰，从而存在粘聚力的折减。最后，凡是可以运用多项安全系数法的，都可以使用单项安全系数法。
三、水闸、土石坝采用多项安全系数法面临的难题
当水闸、土石坝在遇到地震时，应该具备最低的抗滑安全系数。通常在不同建筑物级别当中，产生的安全系数并没有多大变化，变幅非常微弱，数值接近于1.0。在这种情况下，如果将分为、、、、等不同的系数时，而这些数值乘积的差值很小，所以在分解的过程中，遇到很大的阻力。根据可靠度水电设计的相关制度、标准，在结构设计中主要考虑，另外的数值因为没有关系，所以不再考虑。当建筑物的等级为I时，为1.1，建筑物等级为II时，为1.0，建筑物的等级为III时，为0.9。其中，变幅的数值只占到20%，大于5%，所以增加了其他系数取值的难度。另外，结构的重要性跟取值没有关系，因此不管其他系数的取值为多少，都不会给建筑物的安全系数造成影响。当建筑物为I级时，=1.10，要使，应该满足。但是，在这种情况下，统计理论将没有办法发挥出应有的作用。除此之外，当建筑物为III级时，=0.90，，安全系数小于1.0，因此也不合理。从上面的结论可以看出，根据统计标准办法，使I级建筑物的安全系数为1.10，II级、III级建筑物的安全系数为1.05，是不可能实现的。为此，只有改变的数值，违反统标的规定，才能使多项安全系数的结果与传统安全系数吻合。但是，该办法在使用的过程中，实际上已经演变为单项系数法。于是，导致多项系数法失去了本该有的作用。
四、单项安全系数法在不同工程档案中的应用
虽然单项安全系数法与多项安全系数法在不同的形式下，表现出相同的结果。但是不可否认，形式也非常重要。下面是对我国某特高拱坝拱座抗滑稳定分析的结构，在936m的情况下，3332＜6445，满足要求。然而，当高程为756m时，不满足要求。该方法在不同方案分析中，比较复杂。随后一列为笔者计算出的抗剪断安全系数，可以解决以上问题，更方便对不同工程的分对比。所以，在不同方案的对比中，采用单项安全系数法更加方便、简单。反之，采用多项系数法，具有一定的复杂性，在分析不同方案时有很大的困难。
结束语:
在设计大坝安全系数时，往往由于问题复杂、样本不足的问题，导致概率论下的多项系数法难以执行。实践证明，采用单项分析法在工程对比中更简单、方便。当水闸、土石坝遭到地震攻击时，为了准确分析出抗滑稳定安全系数，由于系数分解的关系，主要还采用单项系数法。根据实际情况，推荐水利行业采用单项安全系数法，水电行业采用多项安全系数法。当前，水工建筑的抗震设计中，唯一的办法就是多项安全系数法，但是因为水闸、土石坝的数量大，往往出现很多问题，所以要进一步加强对水工建筑物的抗震设计。
参考文献:
[1]朱伯芳.关于水工建筑物抗震设计的几点思考[J].水利水电技术，2013(06).
[2]张公平，潘晓红，饶宏玲.水工建筑物抗震设计规范(DL5073-2000)相关问题探讨[J].水电站设计，2014(03).
论文作者:付庆猛
论文发表刊物:《基层建设》2015年第35期
论文发表时间:2016/12/12
标签：安全系数论文; 系数论文; 多项论文; 单项论文; 建筑物论文; 水工论文; 水闸论文; 《基层建设》2015年第35期论文;