单孔水闸抗滑稳定可靠性分析
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底板与地基的基底粘着力的均值采用地勘部
门 提 供 的 数 据).+:用 标 准 值;#变 异 系 数 ’/*#服 从 正态分布$ (-> 回填土摩擦系数
闸室回填土摩擦系数均值采用地质资料的提
供值#变异系数采用 ’/’..#服从正态分布$ (-? 侧向土压力凝聚力
回填土凝聚力的均值用地勘部门提供的数据
本文分两种情况分析单孔水闸在运行期的
抗滑 稳定 可 靠 性>其 一 是 按 照 现 行 水 闸 抗 滑 稳 定 分 析方法$即多孔水闸的计算方法&进 行讨 论>即 把闸室两侧侧向土压力引起的对闸室更为稳定有
利作用不 考 虑?其 二 是 考 虑 闸 室 两 侧 的 侧 向 土 压 力对单孔水闸抗滑稳定的影响@分析结果见表 (@
I POI
QRSTUSVWSUQTRRTVSXTYU ZS[\TUWR] ^_‘E!ab_-!$cdeEghhh&
ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
表 ! 单孔水闸抗滑稳定可靠指标 "和验算点值表
极限状态方程
A 结语
从 上面的分析 知>一般情况 下原 设 计 的 安 全 系数大>则可靠指标 "值亦大>单孔水闸在考虑侧 向 土压力时的 "值远大于不考虑时的 "值?失 效 概率 前者 也 远 远 小 于 后 者@这 表 明 闸 室 两 侧 的 侧 向土压力对单孔水闸的抗滑稳定校核起关键作
用@而 运 用 现 行 常 规 方 法 $多 孔 水 闸 设 计 计 算 方 法&进 行 单 孔 水 闸 抗 滑 稳 定 分 析 时>均 不 考 虑 侧 向土压 力 的 影 响>这 样 对 孔 径 大 的 单 孔 闸 是 一 种 较 安 全 B简 单 的 方 法 >而 对 孔 径 较 小 的 单 孔 闸 则 有 必要考 虑 两 侧 侧 向 土 压 力 的 作 用>这 样 使 得 设 计 水 闸 既 安 全 又 经 济 合 理 @同 时 侧 向 回 填 土 的 土 质 B 含水 量B密 实 度 对 单 孔 水 闸 的 抗 滑 稳 定 也 起 到 了 较为主要的 万作方数用据>土壤内摩擦角 C和 凝 聚 力 D值
fTO%[ $.; \c^P%( 填 料 土 用 粉 质 粘 土"天 然 含 水 量 ;.Z"天 然
湿 容 重 $OTU[ $.; \]^P;"凝 聚 力 $O.Tf[ $.@ \c^P%"内摩擦角 d* $fe"回填土面高程 fO.P(
原设计计算不考虑侧向土压力时的闸室抗滑
稳定安全系数 g * $O.;U( 原设计计算考虑侧向土压力时的闸室抗滑稳
)* +,#$"#%"& "#’-* .
,$-
结构的可靠指标 /可表示为标准正态空间坐
标系 到 极 限 状 态 曲 面 的 最 短 距 离012(且 设 计 验 算
点,345 "5* $"%"& "’-在失效边界上"结构的可
靠性指标 /可由下式计算(
+* ,34$ "34% "& "34’ -* .
B DCB
EFGHIGJKGIEHFFHJGLHMI NGOPHIKFQ RST-%UVS/%:WXY-([[[;
ZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZ
单孔水闸抗滑稳定可靠性分析
申向东 赵占彪 王耀强 李晓丽
摘 要!该文全面考虑了闸室的自重"侧向土压力"上"下游水压力等因素#对单孔水闸的抗滑稳定可靠性 分 析 方 法 进 行 了 探 讨 #并 结 合 工 程 实 例 对 单 孔 水 闸 的 抗 滑 稳 定 可 靠 性 进 行 了 定 量 分 析 $
关键词!泵站 单孔水闸 抗滑稳定 可靠性
% 引言
从 &’年代之后#我国水利"土木"交通等部门 依据结构可靠度理论相继颁布了各自的设计规
范 $这 标 志 着 我 国 结 构 设 计 跻 身 于 世 界 先 进 行 列 # 步入近似概率设计法的阶段$但是具体水工结构 的 可 靠 性 分 析 问 题 #由 于 水 工 结 构 的 条 件 "工 程 复 杂 性 #在 结 构 设 计 可 靠 性 研 究 方 面 进 展 甚 微 #目 前 国内外大多数以结构相对较简单的重力坝为研究
定安全系数 g * $O;;T( KLh 抗滑稳定可靠性分析
依 据 上 述 设 定 的 随 机 变 量 并 代 入 式 ,1-"可 得 到水闸 抗 滑 稳 定 可 靠 性 分 析 的 极 限 状 态 方 程(详 见 表 $(随 机 变 量 #$"#%"&"#T 分 别 表 示 基 底 摩 擦 力 系 数 B钢 筋 砼 容 重 B上 游 水 位 B下 游 水 位 B土 压 力B粘着 力B侧向 土压力 凝聚力B回填 土摩擦 系数 等
:用标准值;#变异系数 ’/*#服从正态分布$
申 向 东 !男 #副 教 授 #内 蒙 古 农 业 大 学 水 利 系 :内 蒙 古 自 治 区 呼 和 浩 特 市 #’*’’*@;A 赵 占 彪 !男 #实 验 师 #内 蒙 古 农 业 大 学 水 利 系 A
王 耀 强 !男 万#副方教 数授 #据内 蒙 古 农 业 大 学 水 利 系 A
闸 室 承 重 结 构 一 般 都 是 钢 筋 砼 结 构#可 按 钢 筋砼容重考虑其重量$闸室结构的自重与各梁" 板 "闸 墩 等 构 件 的 体 积 与 容 重 有 关 #而 各 构 件 的 具 体 体 积 和 容 重 与 施 工 队 伍 "材 质 "质 量 等 有 密 切 的
关 系 $所 以 一 般 讲 它 不 是 一 个 常 量 #而 是 一 个 随 机 变 量 $据 有 关 文 献 的 统 计 #如 果 不 计 其 体 积 尺 寸 的 随 机 性#仅 以 容 重 代 表 自 重 的 随 机 性#均 值 为 ,./.012345#变异系数为 ’/’,6#服从正态分布$ (-( 土压力
零 的相 对高程#据 文 献 )5+提 供 的 上"下 游 水 位 均 值的 有关 统 计 数 据#水 闸 均 值 用 水 闸 稳 定 设 计 水 位#变异系数为 ’/’.#服从正态分布$ (-< 摩擦系数
水闸底板与地基土之间的摩擦系数与基地土
质 有 关#摩 擦 系 数 的 均 值 采 用 地 质 资 料 的 提 供 值).+#变异系数采用 ’/’..#服从正态分布$ (-= 基底粘着力
%(’ 2-)10 %)’ ))-5)0 %*’ )-10. %1’ 0-,.5 %.’ )2-0,* %,’ /-102 %0’ (0-5)/ %/’ 2-)/, "’ )-,//
可靠指标
"’ 2-*2/ 失效概率
;< ’ *-0/= (2+(
"’ )-,,/ 失效概率
;< ’ *-/= (2+*
对 象 #而 对 泵 房 "水 闸 等 水 工 建 筑 物 的 可 靠 性 分 析 研究所见甚少$本文对单孔水闸抗滑稳定可靠性 分析方法进行了探索$
( 影响水闸抗滑稳定因素分析
按 照 水 闸 稳 定 抗 滑 设 计 计 算#影 响 水 闸 抗 滑 稳 定 的 主 要 因 素 有 )*+!水 闸 结 构 的 自 重 "上 下 游 水 压 力 "浮 托 力 "渗 透 压 力 "水 体 重 量 "底 板 与 地 基 间 的 摩 擦 力 "基 底 粘 着 力 及 地 震 荷 载 等 $目 前 考 虑 到 这 方面的 统 计 资 料 缺 乏 的 实 际 情 况#而 且 本 文 仅 对 水闸抗 滑 稳 定 可 靠 性 分 析 方 法 应 用 的 探 讨#同 时 根据文献 ),+考 虑 侧 向 土 压 力 对 水 闸 抗 滑 稳 定 的 影 响#因 而 在 以 下 的 分 析 计 算 中#只 取 自 重"上 下 游水位 及 闸 室 底 板 与 地 基 之 间 的 摩 擦 系 数"基 底粘着力和侧向土压力等作为随机变量$ (-% 闸室的自重
! 抗滑稳定可靠性分析方法
单 孔水闸结构 按极限状 态设 计时"其 结 构 的 极限状态方程可由多个相互独立的正态随机变量 #$"#%"& "#’ 组 成 "见 下 式 (
QRS型圬工结构"底板高程 .O1PB厚 .OTP"闸墩 高 程 UO1P"闸室顺水流方向长 V* $%O1P"闸门 距底板下游端 1O.P"由于双向水头作用"闸底板 下 的上下游两侧分别打 @O.P和 1O.P的钢筋砼 渗板桩"左右岸设剌墙防渗"见图 $(
W下 * UO.P( 地基条件N在高程 8 $@O.P以上为灰色淤泥
质 粘 土"天 然 含 水 量 @YO%Z"湿 容 重 $OU%[ $.; \]^P;"液 性 指 数 $O$Y"压 缩 系 数 $O.%_‘a8$"孔 隙 比 b* $O;T@"固结块剪内聚力 G* TOT%[ $.; \c^P%"内 摩 擦 角 d* $@e"地 基 土 壤 容 许 承 载 力
闸室两侧因回填土对其有侧向土压力作用# 为计算简便起见#把填土视为水平填土情况#即 7 8’#地下水水面以下土的浮容重取 &12345$土 压 力的 均 值 采 用 勘 探 资 料 提 供 的 数 据#变 异 系 数 为 ’/*#服从正态分布$ (-9 上"下游:水闸站前"后;水位
本文讨论的水闸水位都是以水闸底板高程为
6%(’ 2-11 6%)’ 2-2). 6%*’ 2-21 6%1’ 2-21 6%,’ 2-(
%(’ 2-)15 %)’ )*-/15 %*’ )-150 %1’ 0-02, %,’ /-000
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李 晓 丽 !女 #助 教 #内 蒙 古 农 业 大 学 水 利 系 $
排 灌 机 械 第 Ml卷第 M期,hmmm年 M月-
申向东 等N单孔水闸抗滑稳定可靠性分析
i kji
nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn
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34 56
*
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式中
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:35
<+ <35
34
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735AA 基本随机变量 #5的平均值
:35AA 基本随机变量 #5的标准差
,@-
/AA 可靠指标
如 果结构基本随机变量 #5,5* $"%"&"’-任
意分 布 且 相 互 独 立 时"可 将 任 意 分 布 的 变 量 在 验
擦 系 数 和 粘 着 力 等 随 机 变 量 (用 上 述 公 式 "在 泵 房
抗滑 稳定 可 靠 度 分 析 计 算 中"取 水 平 压 力 之 和 为
荷载效应 C"抗滑力,D=E F GH-为抗力 I"根
据抗 滑稳 定极限 条件 I* C"即 可 建 立 抗 滑 稳 定
极限状态方程(
式中
,D=E F GH-8 =J* . ,1-
2-(&)+ *)-*1$%1+ 2-*&)
4%(’ 2-)15 4%)’ )*-5/(789:* 4%*’ )-.: 4%1’ 0-2: 4%,’ /-/)789:) 4%(’ 2-)15 4%)’ )*-5/(789:* 4%*’ )-.: 4%1’ 0-2: 4%.’ )(-*789: 4%,’ /-/)789:) 4%0’ (/-,789:) 4%/’ 2-)/0
DAA 底板与地基之间的摩擦系数 GAA 基底粘着力
=EAA 水闸受竖向荷载之和
=JAA 水平压力之和
K 算例
以文献0%2提供的单孔 水闸资料 为 例作 分 析 计算( KLM 基本 万资方料数据
该闸室结构和主要尺寸N孔径 1O.P"闸室为
图 M 单孔水闸基本情况图
设计水位N正向上游水位 W上 * ;O.P"下游 W下 * .OTPX反 向 上 游 水 位 W上 * %O1P"下 游
算 点 处 标 准 正 态 化"由 式 ,%-B,;-B,@-可 解 得 可
靠 性指标 /及 345 ,5* $"%"&"’-(但由于式,;-中
含有 /值"直接通过方程联立求解困难"一般采用
迭代法求解(
这里 #5,5* $"%"&"’-为基本 随 机 变 量"包
括 水闸 钢筋砼的容重B土 压力B闸 上下 游 水 位B摩
随机变量
验算点值
wk.baidu.com
不考虑侧 向土压力
#$%&’ %($)*)%) + ,*-)./%* + (*)-01)%1+ *2,-).&3 )0-)).%,3 *)-*1$%* 3 2-(&) + *)-*1$%1 +
2-*&)
考虑侧向 土压力
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门 提 供 的 数 据).+:用 标 准 值;#变 异 系 数 ’/*#服 从 正态分布$ (-> 回填土摩擦系数
闸室回填土摩擦系数均值采用地质资料的提
供值#变异系数采用 ’/’..#服从正态分布$ (-? 侧向土压力凝聚力
回填土凝聚力的均值用地勘部门提供的数据
本文分两种情况分析单孔水闸在运行期的
抗滑 稳定 可 靠 性>其 一 是 按 照 现 行 水 闸 抗 滑 稳 定 分 析方法$即多孔水闸的计算方法&进 行讨 论>即 把闸室两侧侧向土压力引起的对闸室更为稳定有
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极限状态方程
A 结语
从 上面的分析 知>一般情况 下原 设 计 的 安 全 系数大>则可靠指标 "值亦大>单孔水闸在考虑侧 向 土压力时的 "值远大于不考虑时的 "值?失 效 概率 前者 也 远 远 小 于 后 者@这 表 明 闸 室 两 侧 的 侧 向土压力对单孔水闸的抗滑稳定校核起关键作
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原设计计算不考虑侧向土压力时的闸室抗滑
稳定安全系数 g * $O.;U( 原设计计算考虑侧向土压力时的闸室抗滑稳
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标系 到 极 限 状 态 曲 面 的 最 短 距 离012(且 设 计 验 算
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靠性指标 /可由下式计算(
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单孔水闸抗滑稳定可靠性分析
申向东 赵占彪 王耀强 李晓丽
摘 要!该文全面考虑了闸室的自重"侧向土压力"上"下游水压力等因素#对单孔水闸的抗滑稳定可靠性 分 析 方 法 进 行 了 探 讨 #并 结 合 工 程 实 例 对 单 孔 水 闸 的 抗 滑 稳 定 可 靠 性 进 行 了 定 量 分 析 $
关键词!泵站 单孔水闸 抗滑稳定 可靠性
% 引言
从 &’年代之后#我国水利"土木"交通等部门 依据结构可靠度理论相继颁布了各自的设计规
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定安全系数 g * $O;;T( KLh 抗滑稳定可靠性分析
依 据 上 述 设 定 的 随 机 变 量 并 代 入 式 ,1-"可 得 到水闸 抗 滑 稳 定 可 靠 性 分 析 的 极 限 状 态 方 程(详 见 表 $(随 机 变 量 #$"#%"&"#T 分 别 表 示 基 底 摩 擦 力 系 数 B钢 筋 砼 容 重 B上 游 水 位 B下 游 水 位 B土 压 力B粘着 力B侧向 土压力 凝聚力B回填 土摩擦 系数 等
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申 向 东 !男 #副 教 授 #内 蒙 古 农 业 大 学 水 利 系 :内 蒙 古 自 治 区 呼 和 浩 特 市 #’*’’*@;A 赵 占 彪 !男 #实 验 师 #内 蒙 古 农 业 大 学 水 利 系 A
王 耀 强 !男 万#副方教 数授 #据内 蒙 古 农 业 大 学 水 利 系 A
闸 室 承 重 结 构 一 般 都 是 钢 筋 砼 结 构#可 按 钢 筋砼容重考虑其重量$闸室结构的自重与各梁" 板 "闸 墩 等 构 件 的 体 积 与 容 重 有 关 #而 各 构 件 的 具 体 体 积 和 容 重 与 施 工 队 伍 "材 质 "质 量 等 有 密 切 的
关 系 $所 以 一 般 讲 它 不 是 一 个 常 量 #而 是 一 个 随 机 变 量 $据 有 关 文 献 的 统 计 #如 果 不 计 其 体 积 尺 寸 的 随 机 性#仅 以 容 重 代 表 自 重 的 随 机 性#均 值 为 ,./.012345#变异系数为 ’/’,6#服从正态分布$ (-( 土压力
零 的相 对高程#据 文 献 )5+提 供 的 上"下 游 水 位 均 值的 有关 统 计 数 据#水 闸 均 值 用 水 闸 稳 定 设 计 水 位#变异系数为 ’/’.#服从正态分布$ (-< 摩擦系数
水闸底板与地基土之间的摩擦系数与基地土
质 有 关#摩 擦 系 数 的 均 值 采 用 地 质 资 料 的 提 供 值).+#变异系数采用 ’/’..#服从正态分布$ (-= 基底粘着力
%(’ 2-)10 %)’ ))-5)0 %*’ )-10. %1’ 0-,.5 %.’ )2-0,* %,’ /-102 %0’ (0-5)/ %/’ 2-)/, "’ )-,//
可靠指标
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;< ’ *-0/= (2+(
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( 影响水闸抗滑稳定因素分析
按 照 水 闸 稳 定 抗 滑 设 计 计 算#影 响 水 闸 抗 滑 稳 定 的 主 要 因 素 有 )*+!水 闸 结 构 的 自 重 "上 下 游 水 压 力 "浮 托 力 "渗 透 压 力 "水 体 重 量 "底 板 与 地 基 间 的 摩 擦 力 "基 底 粘 着 力 及 地 震 荷 载 等 $目 前 考 虑 到 这 方面的 统 计 资 料 缺 乏 的 实 际 情 况#而 且 本 文 仅 对 水闸抗 滑 稳 定 可 靠 性 分 析 方 法 应 用 的 探 讨#同 时 根据文献 ),+考 虑 侧 向 土 压 力 对 水 闸 抗 滑 稳 定 的 影 响#因 而 在 以 下 的 分 析 计 算 中#只 取 自 重"上 下 游水位 及 闸 室 底 板 与 地 基 之 间 的 摩 擦 系 数"基 底粘着力和侧向土压力等作为随机变量$ (-% 闸室的自重
! 抗滑稳定可靠性分析方法
单 孔水闸结构 按极限状 态设 计时"其 结 构 的 极限状态方程可由多个相互独立的正态随机变量 #$"#%"& "#’ 组 成 "见 下 式 (
QRS型圬工结构"底板高程 .O1PB厚 .OTP"闸墩 高 程 UO1P"闸室顺水流方向长 V* $%O1P"闸门 距底板下游端 1O.P"由于双向水头作用"闸底板 下 的上下游两侧分别打 @O.P和 1O.P的钢筋砼 渗板桩"左右岸设剌墙防渗"见图 $(
W下 * UO.P( 地基条件N在高程 8 $@O.P以上为灰色淤泥
质 粘 土"天 然 含 水 量 @YO%Z"湿 容 重 $OU%[ $.; \]^P;"液 性 指 数 $O$Y"压 缩 系 数 $O.%_‘a8$"孔 隙 比 b* $O;T@"固结块剪内聚力 G* TOT%[ $.; \c^P%"内 摩 擦 角 d* $@e"地 基 土 壤 容 许 承 载 力
闸室两侧因回填土对其有侧向土压力作用# 为计算简便起见#把填土视为水平填土情况#即 7 8’#地下水水面以下土的浮容重取 &12345$土 压 力的 均 值 采 用 勘 探 资 料 提 供 的 数 据#变 异 系 数 为 ’/*#服从正态分布$ (-9 上"下游:水闸站前"后;水位
本文讨论的水闸水位都是以水闸底板高程为
6%(’ 2-11 6%)’ 2-2). 6%*’ 2-21 6%1’ 2-21 6%,’ 2-(
%(’ 2-)15 %)’ )*-/15 %*’ )-150 %1’ 0-02, %,’ /-000
6%(’ 2-211 6%)’ 2-2). 6%*’ 2-21 6%1’ 2-21 6%.’ 2-( 6%,’ 2-( 6%0’ 2-( 6%/’ 2-211
李 晓 丽 !女 #助 教 #内 蒙 古 农 业 大 学 水 利 系 $
排 灌 机 械 第 Ml卷第 M期,hmmm年 M月-
申向东 等N单孔水闸抗滑稳定可靠性分析
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如 果结构基本随机变量 #5,5* $"%"&"’-任
意分 布 且 相 互 独 立 时"可 将 任 意 分 布 的 变 量 在 验
擦 系 数 和 粘 着 力 等 随 机 变 量 (用 上 述 公 式 "在 泵 房
抗滑 稳定 可 靠 度 分 析 计 算 中"取 水 平 压 力 之 和 为
荷载效应 C"抗滑力,D=E F GH-为抗力 I"根
据抗 滑稳 定极限 条件 I* C"即 可 建 立 抗 滑 稳 定
极限状态方程(
式中
,D=E F GH-8 =J* . ,1-
2-(&)+ *)-*1$%1+ 2-*&)
4%(’ 2-)15 4%)’ )*-5/(789:* 4%*’ )-.: 4%1’ 0-2: 4%,’ /-/)789:) 4%(’ 2-)15 4%)’ )*-5/(789:* 4%*’ )-.: 4%1’ 0-2: 4%.’ )(-*789: 4%,’ /-/)789:) 4%0’ (/-,789:) 4%/’ 2-)/0
DAA 底板与地基之间的摩擦系数 GAA 基底粘着力
=EAA 水闸受竖向荷载之和
=JAA 水平压力之和
K 算例
以文献0%2提供的单孔 水闸资料 为 例作 分 析 计算( KLM 基本 万资方料数据
该闸室结构和主要尺寸N孔径 1O.P"闸室为
图 M 单孔水闸基本情况图
设计水位N正向上游水位 W上 * ;O.P"下游 W下 * .OTPX反 向 上 游 水 位 W上 * %O1P"下 游
算 点 处 标 准 正 态 化"由 式 ,%-B,;-B,@-可 解 得 可
靠 性指标 /及 345 ,5* $"%"&"’-(但由于式,;-中
含有 /值"直接通过方程联立求解困难"一般采用
迭代法求解(
这里 #5,5* $"%"&"’-为基本 随 机 变 量"包
括 水闸 钢筋砼的容重B土 压力B闸 上下 游 水 位B摩
随机变量
验算点值
wk.baidu.com
不考虑侧 向土压力
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