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对防洪墙稳定安全系数选择问题的商榷

  【摘要】本文通过分析,指出现国家标准《堤防工程设计规范》(GB 50286-98)和某些地方性堤防工程设计导则中,规定的防洪墙稳定安全系数偏小,提出改进的建议,供规范修编参考。

  【关键词】防洪墙;安全系数;选择

  防洪墙一般指在水边修筑防止洪水(潮水)漫溢的墙式结构物[1]。通常有两种形式,一类为完全用混凝土或浆砌石体建造的墙体,建于与基础面有较高结合强度的岩基;另一类为同样用混凝土或浆砌石体建造的墙体,但建于与基础面结合强度很低、粘结力很小的土基上,往往需在背水侧设填土以增强其抗渗流破坏能力。土基上防洪墙的受力状态在某种程度上类似于挡土墙。

  1、两种不同的安全系教

  国家标准《堤防工程设计规范》(GB 50286―98)(以下简称《堤防设计规范》)第2.2.5条规定,防洪墙抗滑和抗倾安全系数不应小于下表1和表2之值[2]。

  上述安全系数的取值规定己收录入2000年颁发的《中华人民共和国工程建设标准强制性条文水利工程部分》[3];一些地方性堤防工程的设计规范或设计导则和大量堤防工程设计文件,均以此作为衡量建筑物的主要指标!端缡嗯こ痰燃痘旨吧杓票曜(山区、丘陵区部分)SDJ 12-78》(试行)(以下简称《78基本规范》)表2的注说明,挡土墙是水工建筑物,故有的《海堤设计导则》直接把表1称为“挡土墙抗滑稳定安全系数”[4]。在另一国家标准的《建筑地基基础设计规范》(GB 50007―2002)(以下简称《建筑地基基础设计规范》)规定[5]:

  “挡土墙的抗滑安全系数应不小于1.3”(与《建筑地基基础设计规范》与此前执行的(GBJ 7―89相同);

  “挡土墙的抗倾安全系数应不小于1.6” (比此前执行的(GBJ 7―89)提高了0.1)。

  从上可见,同样是国家标准,结构形式相似且功能类近,但作为水利水电工程的防洪墙,其失事后造成的损失远大于普通挡土墙,而无论是它的抗滑还是抗倾的安全系数都明显低于后者,显然不合理。

  2、计算方法和合理性分析

  2.1 抗滑安全系数计算方法

  众所周知,结构安全系数的取值是和它所用的计算方法以及参数取值方法是密切相关的,三者不可分割地组成一个完整的工程安全评价系统。对不同的计算方法和参数取值方法,应相应有不同的安全系数。有些堤防设计的地方性法规或导则[4]在套用表1和表2时,连应采用什么计算方法和指标选择方法也未作准确的说明和规定,这样盲目套用,难避免导致的设计失误甚至造成工程事故。

  建议明确,抗滑稳定安全系数应使用只考虑基础破坏面上的摩擦作用、不计及粘结力(或凝聚力)C的抗剪强度公式即纯摩公式进行计算;若采用包含C值在内的抗剪强度进行抗滑稳定计算时,必须采用另外的、与之相应的安全系数。

  2.2 岩基上的防洪墙的抗滑安全系数

  岩基上的防洪墙的结构和功能类似于较矮的重力坝,《堤防设计规范》颁布时所执行的《重力坝设计规范(试行)》(SDJ21―78)用纯摩公式计算的安全系数要求如下表3。

  用抗剪断强度方法计算时,规定安全系数“不分级别,基本组合采用3.0;特殊组合(1)采用2.5;特殊组合(2)不小于2.3”(上述条文己含其后的补充规定)。

  由二者比较可见:

  第一、 防洪墙和重力坝的抗滑安全系数,对 1、2级建筑物,前者比后者大0.05;3级建筑物则完全相同。但防洪墙若按《堤防设计规范》规定、用“抗剪强度”之一的抗剪断强度方法计算出的抗滑安全系数,比同一等级重力坝按“抗剪强度”公式计算的抗滑稳定安全系数小得多,后者约为前者的2.4~2.6倍。

  第二、 重力坝与岩基接触面的结合,无论在设计还是施工的要求,比一般防洪墙要严格得多。现阶段的防洪墙设计,很少(亦无明确规定)按《水利水电工程地质勘察规程》,对“岩基”与防洪墙基础接触面的风化程度进行严格的划定;处理亦缺乏严格的、具体的技术标准,据笔者多年所见,大多数防洪墙是参照《建筑地基基础设计规范》对普通挡土墙的要求设计和提出施工技术要求。因而无论是己建还是在建的防洪墙,其基础与“岩基”的结合强度远比重力坝低。

  第三、重力坝基础与地基间,用纯摩公式计算的摩擦系数是用光面试件进行的,当计算得抗滑稳定安全系数为1.0时,实际安全系数已约为2;而防洪墙目前往往受客观条件限制,例如数量很大,难以完成所需的、有代表性的原位或室内试验,多采用经验值(如《建筑地基基础设计规范》列举的参考值等),其计算的安全系数潜在富裕值远低于重力坝。

  若按《堤防设计规范》的要求设计防洪墙,尽管用表1规定岩基上防洪墙的抗滑安全系数,对1、2级建筑物己略大于重力坝,但低于用几乎是同样方法设计和施工的挡土墙,防洪墙失事后果却远较普通挡土墙严重。因而采用表1设计防洪墙,是明显地不安全和不合理的。

  2.3土基上的防洪墙的抗滑安全系数

  2.3.1对滑裂面发生在基础底面下方的深层滑动

  《堤防设计规范》附录规定,防洪墙的抗滑稳定分析采用瑞典圆弧法或改良圆弧法进行计算。但是:

  (1)《堤防设汁规范》颁布时,土坝坝坡稳定分析用《碾压式土石坝设计规范》(SDJ 218―84)(以下简称《土坝设计规范》)规定瑞典圆弧法进行计算,其安全系数不得小于表4(见《土坝设计规范》表2.2.3)。

  比较表1和表4可见:

  (1)虽然在正常运用条件下,1~4级防洪墙的抗滑最小安全系数比相同级别土坝坝坡抗滑安全系数大0.05, 5级防洪墙与5级土坝坝坡抗滑安全系数相同;在非常运用条件下,相同级别的防洪墙和土坝坝坡抗滑安全系数基本相同;但对5级防洪墙在正常运用条件和2级以下防洪墙在非常运用条件下的深层滑动的安全系数,均小于《建筑地基基础设计规范》规定的、当挡土墙基础发生深层滑动时的安全系数1.2。

  (2)表面上看,似乎土基上防洪墙的抗滑安全系数已略大于坝坡的抗滑安全系数。但是,土坝发生滑动失稳时,破裂面的形状一般是近似于球面的曲面或是包含若干个平面的三维空间曲面。据有关研究证明[3],按三维空间滑动面计算出的边坡稳定安全系数,在无软弱夹层时比按平面原始条分法的计算值约大8~11%;有软弱夹层时比按平面原始条分法的计算值约大20~23%;仅当滑坡纵向长度大于5~6倍坡高时才接近于二维计算的结果。对大多数土石坝而言,因适宜建坝的坝址多为不宽的河谷且坝高相对较大,当坡面出现滑动时,滑坡纵向长度往往小于5~6倍坡高,实际安全系数比通常假设为二维平面问题计算出的安全系数大。而一般的防洪墙高度并不大,绝大部分在发生滑动失稳时基本可归属于二维的平面问题。对同一级建筑物,如要求其安全度要基本相同时,防洪墙按平面问题计算的安全系数,理应比同一级别土坝实际发生三维的滑动面而按平面假设计算得到的安全系数大,其差值至少应反映按平面计算假设造成偏小的误差。与三维的分析成果比较,虽然表1的“土基上防洪墙抗滑安全系数”已略大于表4《土坝设计规范》规定的“土坝抗滑稳定安全系数”,但实际上仍然偏小。

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