防洪堤的可靠性设计方法探讨

1、防洪堤的可靠性设计方法讨论摘要：基于可靠性理论，提出了防洪堤的概率设计方法。按照堤防设计标准，建立典型斜墙式防洪堤漫顶、浸透稳定、边坡滑动稳定的极限状态方程，采用ntearl法计算相应的可靠性指标。进而通过变动堤防几何参数(堤顶高程、顶宽和坡比)和土工参数，讨论了堤高与漫顶可靠性、堤防几何参数的变化对堤基浸透稳定的可靠性、坡率对边坡失稳可靠性的影响。结果说明：随着堤高的增加，堤防漫顶的可靠性指标逐渐增大；堤防坡率、堤顶宽度、堤基粘土层厚度、前滩地宽度、堤后压盖厚度和宽度等变量的增大，将使堤基浸透稳定的可靠性指标增大；堤基粘土层和砂土层浸透系数的增加，将使堤基浸透稳定可靠性指标减小；堤防上、下游

2、坡率的增加，堤坡稳定可靠性指标增加。关键词：堤防可靠性变异性分析可靠性设计由于受到堤身断面形状、堤身填土性质、堤基地质、水文、地形和施工条件等诸多因素的影响，堤防在汛期往往出现漫顶、堤身(基)浸透破坏、堤身滑坡等险情。根据堤防的设计与使用要求，在使用年限内应充分考虑影响这些险情的因素，以满足浸透稳定和堤坡整体稳定的要求。按照现有的堤防设计标准，设计方法是基于极限平衡分析的平安系数(或分项平安系数)法，它无法给出工程可靠性的评价指标。概率设计方法将构造的多种参数作为随机变量，可根据不同堤防构造重要性程度采取相应设计，无疑有其先进性和科学性。因此，以概率理论为根底的可靠性设计方法在国内外均得到较快

3、的开展，这为岩土工程的设计开拓了新的领域。荷兰的堤坝和护岸工程的一些设计导那么中提出了概率设计和风险分析方法1。国内一些学者2-4对边坡等工程的可靠性设计方法进展了系统研究。结合防洪堤的构造特征与材料组成特点，综合考虑多种失稳因素，提出简便实用的可靠性设计方法是值得深化讨论的课题。作者采用ntearl法，以二元构造堤基的斜墙式典型堤防为算例，讨论几何设计参数和土工参数对堤防漫顶、浸透稳定、岸坡稳定可靠性指标的影响，并提出堤防构造可靠性设计方法。这将有助于完善现有堤防设计标准，最终与穿堤建筑物、防渗墙和防浪墙等可靠性研究共同实现堤防工程系统设计方法向概率型转变。1可靠性的计算原理工程构造可靠性常

4、用的计算方法，主要有验算点法和ntearl法。验算点法是在设计验算点处泰勒级数二项式展开，把非线性函数简化为线性函数，故计算精度不高，对非线性函数存在收敛性问题。ntearl法是通过大量抽样模拟各随机变量以到达计算可靠性之目的，对于极限状态函数形式为非线性的堤防可靠性分析较为适用，且具有方法简单、易于编程的特点，其根本求解原理5如下述。1.1随机抽样方法先在(0，1)区间上产生均匀分布随机数。可采用的方法有乘同余法、混合同余法等，其中混合同余法的递推公式为(1)式中：、x0、和为选定的常数。式(1)表示xi-1+除以的余数为xi，将其再除以即得(0，1)上均匀分布的随机数ri。将随机数序列ri

5、转换为(a,b)区间上的均匀分布随机数序列RiRi=a+(b-a)ri(2)采用反函数法将均匀分布随机数ri转换为符合某一指定概率分布的随机数，其前提是经历分布的反函数存在，否那么采用随机变量函数法。设X为具有分布函数FX(x)且反函数F-1X(x)存在的连续随机变量，r是均匀分布随机变量R(分布函数为FR(r)的值。假设给定累计概率FX(x)=r，那么有x=F-1X(r)(3)假设ri，那么可得符合FX(x)的随机数序列：xi=F-1X(ri)(i=1,2,n)(4)1.2ntearl模拟法的根本步骤(1)统计确定与可靠性分析有关的各根本变量(如材料参数、荷载等)的概率分布模型及其分布参数；

6、(2)对所有根本变量按统计特征进展第一次随机采样，将其代入极限状态方程式，获得第一次模拟结果；(3)重复n次独立随机采样，进而估算失效概率。1.3ntearl模拟法的结果和精度在工程构造可靠性分析中，设极限状态方程Z=g(x1,x2,xn)，其失效概率为Pf=P(g(x1,x2,xn)0)(5)借助随机抽样对根本变量赋值时，计算结果只有g()0和g()0两种可能，故可定义指标函数：(6)根据伯努利大数定理及正态分布随机变量的特性得到的失效概率Pf为(7)式中：为N次模拟计算中g()0的总次数。ntearl模拟法不仅可按式(7)计算失效概率，还可根据模拟计算结果拟合出功能函数的分布形式，据以估计

7、其一、二阶矩x和2x。进而按下式近似计算可靠度指标(8)ntearl模拟法的误差一般可用x表示。功能函数值Z越离散，误差将越大。当模拟次数充分大时，已经证明由模拟结果样本求得估计值的标准差与模拟次数的平方根成反比。因此，加大模拟次数可望进步模拟精度，特别是当计算得到的失效概率较小时。一般要求ntearl法的样本数必须大于引起一次Z0所需的平均样本数的100倍，即N100/Pf次时，可满足精度要求。由此编制了相应的计算程序。2某斜墙式防洪堤的概率设计以某典型斜墙式防洪堤的概率设计为例，如图1所示。假定其堤基为由表层弱透水粘性土、下卧强透水砂层组成的二元构造。表1中给出计算中采用的土工强度参数以及

8、洪水位等参数的取值，表中均值一列给出典型堤防的几何参数取值。转贴于论文联盟.ll.2.1漫顶防洪水位是确定堤顶高程的决定性因素。设防洪堤发生漫顶的极限状态方程z1为z1=h0-h-hs-e(9)式中：hs为波浪爬高；e为风壅高度。由于影响堤顶高程的因素很多，如堤基沉降。考虑到施工精度及开工后固结沉降等因素，为保持设计高程，在设计时需预留沉降量。假定堤顶高程h0服从正态分布，在一定堤段内预留沉降量超过0.1的概率小于2%，由正态分布的表达式可得hd-h0/h0=1.96(10)式中：hd为堤防的开工后高程。表1堤防参数的取值符号名称和单位单位类型均值标准差h0hbL1Lktsb堤顶高程堤基粘土层

9、厚度前滩地宽度有效渗径宽度坡率堤顶宽度透水压盖的厚度设计变量设计变量设计变量设计变量设计变量设计变量设计变量11.03.510.068.752.55.00hbsnksb堤基砂土层厚度粘土的浮容重水的容重压盖土体的容重kN/2kN/2kN/2常量常量常量常量2.59.010.018.0dkshkks渠底粘土层有效厚度洪水位粘土的浸透系数砂土的浸透系数/s/s正态指数正态正态3.58.3410-810-50.70.9210-80.7510-5由式(10)可得h0=0.1/1.96=0.051(11)根据通常的经历，最高洪水位h假定服从指数分布，取h=8.34，h=0.9。波浪爬高hs假定服从正态分

10、布，并取hs=0.696。根据文献7代入蒲田波浪要素公式计算波高的均值h(12)式中：h为波高的均值，单位：；V为计算风速，取为18/s;F为风区长度，取2000;ha为水域的平均水深，取为10.5。波浪爬高为(13)式中：为堤防的坡率；K=0.751.0，可取0.85；KV=1.01.3，可取1.1；为波长的均值。(14)式中：T为周期的均值，单位：s,且。由上述各式可得：hs=0.638；hs=hshs=0.690.638=0.4395。风壅高度为e=(KV2F/2gha)sKV2F/2gha(15)z2=nkdks-hap+sbtsb(16)式中：hap为双层堤基表层弱透水层底板下界面处

11、的剩余水头，可由下式简化计算hap=(h/1+A*Lk+thA*L1)e-Ax，(17)(2)前滩地宽度。随着堤基前滩地宽度的增加，2逐渐增加，如图4所示。原因在于地基渗径宽度的加长，使得表层土体的抗渗才能增强。但就文中算例而言，当前滩地的宽度增加至20.0以上时，2变化不大，这可能与采用的经历公式有关。实际工程设计时，当临水侧有宽且稳定的滩地时，尽可能的利用天然铺盖防渗，这是二元构造地基上进展渗流控制的一种有效方法。(3)堤防坡率。由图5可见，随着堤防上下游坡率的同时增加，2逐渐增加。(4)堤顶宽度。由图6可见，随着堤防顶宽的增加，2根本呈线性增加。由于坡率和堤顶宽度的增加延长了渗径，显然会增加堤防的浸透稳定性，但这会显著地增加堤防建立费用。引入经济分析的概念权衡堤防建立本钱和预期洪灾损失之间的关系是值得深化研究的问题。(5)粘土层浸透系数。随着粘性土层浸透系数的增加，2逐渐减小，如图7所示。起初减小较慢，当浸透系数大于0.510-8/s时，2显著减校上述的计算分析说明，就本文的算例而言，取表1中给出的典型值时可以到达浸透稳定性的要求。进展堤防的浸透稳定设计时，应充分考虑这些因素的影响，并结合工程实际选取适宜的参数。比方，当堤基粘土层的厚度较小或现场不易得到粘性填土时，可以考虑采取增加堤宽、坡率等措施。转贴于论文联盟.ll.2.3