堤防工程渗透稳定的可靠度分析

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1、DOI：10．3969／j．issn．1672-4011．2013．03．042堤防工程渗透稳定的可靠度分析苏涛(中交上海航道勘察设计研究院，上海200002)摘要：考虑影响堤防工程渗流稳定的不确定因素，结合可靠性理论，建立堤防工程渗透稳定可靠度分析的计算模型。运用一次二阶矩法进行迭代求解，得到渗透稳定的可靠性指标。对于相关参数进行灵敏度分析，得到各参数变化对于可靠性指标的影响。关键词：堤防；可靠度；渗透稳定；可靠性指标中图分类号：TU223．4文献标志码：B文章编号：1672—401l(2013)03—0092—030前言堤

2、防的失事形式主要是堤身失稳，包括堤边坡滑动失稳、堤身(基)渗透变形(管涌或流土)失稳或堤身(基)先发生渗透变形，然后发展为堤塌陷或堤坡滑动失稳。对堤防工程而言，由于设计参数的误差和施工质量控制的困难，其渗透破坏造成失事的比例占有很高比例，渗流稳定分析一直是水利工程研究的重点。常规的渗流稳定计算方法多是对个参数进行确定性分析，并没有考虑到参数指标的不确定性对渗流稳定的影响，所以并不能完全确切地表征工程的安全程度。1堤防渗透稳定的确定性分析堤防渗透稳定性分析目前常用的方法是通过渗流计算获得堤身和堤基的渗透比降．，，若．，小于土体的

3、抗渗允许比降(临界比降)上，则土体是稳定的，否则表明土体不能满足抗渗稳定要求。渗透稳定性分析中对渗流场的计算，主要方法有：水力学法、模型试验方法和数值计算法。通过渗流计算可以获得堤防的渗透比降，即沿渗流途径的水头变化率。研究表明，水力坡降值在渗流的进口和出口处比堤身和堤基内要大，而渗透破坏常发生在渗流出口处，所以出逸水力坡降是校核堤防渗透稳定的一项重要水力要素。管涌破坏为渗透破坏的常见形式，本文主要对无粘性土的管涌破坏进行研究。研究管涌临界比降有不同的方法，一种是通过试验积累资料，绘制临界比降与某些因素之间的关系曲线图；另一种

4、是根据单个颗粒在土体中的受力情况，从理论上进行分析，推导出发生管涌的临界比降计算公式。运用南京水利科学研究院沙金煊公式⋯，根据流失颗粒在水中的自重与作用在其上的渗透力相平衡的原理，得到发生管涌的临界比降上计算公式为：作者简介：苏涛(1983一)，男，工程师，主要从事水利工程、港口海岸工程的设计工作。上=42×媚(1)式中，d为管涌时的流失颗粒之粒径，一般取南计算，以em为单位，_j}为渗透系数，以em／s为单位，n为土体孔隙率。在现有的管涌临界比降计算公式中，通过南京水科院验证，发现此式计算无粘性土时精确度较好，且计算也方便。

5、目前对于堤防稳定的确定性分析，其理论和方法已较为完善，并已应用于众多的实际工程。但是由于没有考虑到堤防中客观存在的不确定性因素(如土层分布、土工参数和水位的变异性)，上述方法并不能完全确切地表征结构的安全度，因此以可靠度理论为基础的可靠度分析正在迅速成为堤防工程中最新的研究领域。2可靠度计算的基本原理2．1理论模型堤防的两侧存在水头差就会有渗流产生。当渗流产生的出逸比降．，大于土体的抗渗临界比降上时，土体就会发生渗流破坏。由此给出渗透破坏的功能函数为：Z=R—S=Jc一．，(2)渗流破坏风险率P，的数学表达式为：P，=P(g≤

6、0)(3)对影响堤防工程渗透稳定的因素进行不确定性的研究是项很复杂的工作，而且某些因素的不确定性的研究还极其困难。为简化这方面的研究，参照相关资料，本文将渗透系数和孔隙率作为随机变量，结合可靠度理论进行计算。渗透系数和孔隙率的分布函数可以由实际工程的地质勘探资料经过统计分析求得，已有一些资料表明，一般情况下，土层的渗透系数服从对数正态分布，孔隙率服从正态分布。风险的表达方式一般有三种：可靠度、可靠性指标和风险率，它们之间有着一一对应的关系。运用下式可以将可靠性指标与风险率之间进行相互转化：P，=1一中(卢)(4)式中，口为可靠

7、性指标。2．2计算方法功能函数可以看作是由许多相关变量(如渗透系数、孔隙率等)组成的函数，即：Z=g(x1，X2，⋯，‰)(5)式中，(互。，工：，⋯，‰)表示基本变量。由功能函数对应的风险概率为：P，2J上。o⋯此钆％⋯，Xn)出l如⋯dx一(6)式中以茹。，互：，⋯，‰)表示(算。，茹：，⋯，‰)的联合概率密度函数。墨；錾盔三墨墨童墅￡垒丝墨当盛蓥丝塑堡呈玉兰i旦实际工程中，随机变量闯存在着一定的相关性，并且随机变量间的相关性对结构的可靠度有影响，特别是在高度正相关或高度负相关时。因此，若随机变量相关，则在计算风险率时应予

8、以充分考虑。设五，五，⋯，墨为广义随机空间内的n个随机变量，平均值为肌；(i=1，2，⋯，n)，标准差为O"x。(i=1，2，⋯，n)，置与墨(i≠．『)问的线性相关系数Px西，由n个随机变量表示的结构功能函数为：Z=g(xI，五，⋯，瓦)(7)在实际工程中，由式(7)表达的