對防洪墻穩定安全系數選擇問題的商榷

對防洪墻穩定安全系數選擇問題的商榷

　　【摘要】本文通過分析，指出現國家標準《堤防工程設計規范》(GB 50286-98)和某些地方性堤防工程設計導則中，規定的防洪墻穩定安全系數偏小，提出改進的建議，供規范修編參考。

　　【關鍵詞】防洪墻;安全系數;選擇

　　防洪墻一般指在水邊修筑防止洪水(潮水)漫溢的墻式結構物[1]。通常有兩種形式，一類為完全用混凝土或漿砌石體建造的墻體，建于與基礎面有較高結合強度的巖基;另一類為同樣用混凝土或漿砌石體建造的墻體，但建于與基礎面結合強度很低、粘結力很小的土基上，往往需在背水側設填土以增強其抗滲流破壞能力。土基上防洪墻的受力狀態在某種程度上類似于擋土墻。

　　1、兩種不同的安全系教

　　國家標準《堤防工程設計規范》(GB 50286―98)(以下簡稱《堤防設計規范》)第2.2.5條規定，防洪墻抗滑和抗傾安全系數不應小于下表1和表2之值[2]。

　　上述安全系數的取值規定己收錄入2000年頒發的《中華人民共和國工程建設標準強制性條文水利工程部分》[3];一些地方性堤防工程的設計規范或設計導則和大量堤防工程設計文件，均以此作為衡量建筑物的主要指標。《水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準(山區、丘陵區部分)SDJ 12-78》(試行)(以下簡稱《78基本規范》)表2的注說明，擋土墻是水工建筑物，故有的《海堤設計導則》直接把表1稱為“擋土墻抗滑穩定安全系數”[4]。在另一國家標準的《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007―2002)(以下簡稱《建筑地基基礎設計規范》)規定[5]：

　　“擋土墻的抗滑安全系數應不小于1.3”(與《建筑地基基礎設計規范》與此前執行的(GBJ 7―89相同);

　　“擋土墻的抗傾安全系數應不小于1.6” (比此前執行的(GBJ 7―89)提高了0.1)。

　　從上可見，同樣是國家標準，結構形式相似且功能類近，但作為水利水電工程的防洪墻，其失事后造成的損失遠大于普通擋土墻，而無論是它的抗滑還是抗傾的安全系數都明顯低于后者，顯然不合理。

　　2、計算方法和合理性分析

　　2.1 抗滑安全系數計算方法

　　眾所周知，結構安全系數的取值是和它所用的計算方法以及參數取值方法是密切相關的，三者不可分割地組成一個完整的工程安全評價系統。對不同的計算方法和參數取值方法，應相應有不同的安全系數。有些堤防設計的地方性法規或導則[4]在套用表1和表2時，連應采用什么計算方法和指標選擇方法也未作準確的說明和規定，這樣盲目套用，難避免導致的設計失誤甚至造成工程事故。

　　建議明確，抗滑穩定安全系數應使用只考慮基礎破壞面上的摩擦作用、不計及粘結力(或凝聚力)C的抗剪強度公式即純摩公式進行計算;若采用包含C值在內的抗剪強度進行抗滑穩定計算時，必須采用另外的、與之相應的安全系數。

　　2.2 巖基上的防洪墻的抗滑安全系數

　　巖基上的防洪墻的結構和功能類似于較矮的重力壩，《堤防設計規范》頒布時所執行的《重力壩設計規范(試行)》(SDJ21―78)用純摩公式計算的安全系數要求如下表3。

　　用抗剪斷強度方法計算時，規定安全系數“不分級別，基本組合采用3.0;特殊組合(1)采用2.5;特殊組合(2)不小于2.3”(上述條文己含其后的補充規定)。

　　由二者比較可見：

　　第一、 防洪墻和重力壩的抗滑安全系數，對 1、2級建筑物，前者比后者大0.05;3級建筑物則完全相同。但防洪墻若按《堤防設計規范》規定、用“抗剪強度”之一的抗剪斷強度方法計算出的抗滑安全系數，比同一等級重力壩按“抗剪強度”公式計算的抗滑穩定安全系數小得多，后者約為前者的2.4～2.6倍。

　　第二、 重力壩與巖基接觸面的結合，無論在設計還是施工的要求，比一般防洪墻要嚴格得多�，F階段的防洪墻設計，很少(亦無明確規定)按《水利水電工程地質勘察規程》，對“巖基”與防洪墻基礎接觸面的風化程度進行嚴格的劃定;處理亦缺乏嚴格的、具體的技術標準，據筆者多年所見，大多數防洪墻是參照《建筑地基基礎設計規范》對普通擋土墻的要求設計和提出施工技術要求。因而無論是己建還是在建的防洪墻，其基礎與“巖基”的結合強度遠比重力壩低。

　　第三、重力壩基礎與地基間，用純摩公式計算的摩擦系數是用光面試件進行的，當計算得抗滑穩定安全系數為1.0時，實際安全系數已約為2;而防洪墻目前往往受客觀條件限制，例如數量很大，難以完成所需的、有代表性的原位或室內試驗，多采用經驗值(如《建筑地基基礎設計規范》列舉的參考值等)，其計算的安全系數潛在富裕值遠低于重力壩。

　　若按《堤防設計規范》的要求設計防洪墻，盡管用表1規定巖基上防洪墻的抗滑安全系數，對1、2級建筑物己略大于重力壩，但低于用幾乎是同樣方法設計和施工的擋土墻，防洪墻失事后果卻遠較普通擋土墻嚴重。因而采用表1設計防洪墻，是明顯地不安全和不合理的。

　　2.3土基上的防洪墻的抗滑安全系數

　　2.3.1對滑裂面發生在基礎底面下方的深層滑動

　　《堤防設計規范》附錄規定，防洪墻的抗滑穩定分析采用瑞典圓弧法或改良圓弧法進行計算。但是：

　　(1)《堤防設汁規范》頒布時，土壩壩坡穩定分析用《碾壓式土石壩設計規范》(SDJ 218―84)(以下簡稱《土壩設計規范》)規定瑞典圓弧法進行計算，其安全系數不得小于表4(見《土壩設計規范》表2.2.3)。

　　比較表1和表4可見：

　　(1)雖然在正常運用條件下，1～4級防洪墻的抗滑最小安全系數比相同級別土壩壩坡抗滑安全系數大0.05， 5級防洪墻與5級土壩壩坡抗滑安全系數相同;在非常運用條件下，相同級別的防洪墻和土壩壩坡抗滑安全系數基本相同;但對5級防洪墻在正常運用條件和2級以下防洪墻在非常運用條件下的深層滑動的安全系數，均小于《建筑地基基礎設計規范》規定的、當擋土墻基礎發生深層滑動時的安全系數1.2。

　　(2)表面上看，似乎土基上防洪墻的抗滑安全系數已略大于壩坡的抗滑安全系數。但是，土壩發生滑動失穩時，破裂面的形狀一般是近似于球面的曲面或是包含若干個平面的三維空間曲面。據有關研究證明[3]，按三維空間滑動面計算出的邊坡穩定安全系數，在無軟弱夾層時比按平面原始條分法的計算值約大8～11%;有軟弱夾層時比按平面原始條分法的計算值約大20～23%;僅當滑坡縱向長度大于5～6倍坡高時才接近于二維計算的結果。對大多數土石壩而言，因適宜建壩的壩址多為不寬的河谷且壩高相對較大，當坡面出現滑動時，滑坡縱向長度往往小于5～6倍坡高，實際安全系數比通常假設為二維平面問題計算出的安全系數大。而一般的防洪墻高度并不大，絕大部分在發生滑動失穩時基本可歸屬于二維的平面問題。對同一級建筑物，如要求其安全度要基本相同時，防洪墻按平面問題計算的安全系數，理應比同一級別土壩實際發生三維的滑動面而按平面假設計算得到的安全系數大，其差值至少應反映按平面計算假設造成偏小的誤差。與三維的分析成果比較，雖然表1的“土基上防洪墻抗滑安全系數”已略大于表4《土壩設計規范》規定的“土壩抗滑穩定安全系數”，但實際上仍然偏小。

　　(3)《土壩設計規范》規定，其壩坡穩定分析中采用各土層的強度指標，是采用各土層不少于11組試樣的、按規定試驗方法得出參數的小值平均值。但對大多數堤防工程的防洪墻，若要在每一可能滑動的堤段或地質單元段內，按規定取足夠的土樣試驗去統計小值平均值的抗剪強度，其取樣和試驗的總工作量比普通的土壩要大得多。據筆者了解，在目前條件下不僅是3、4級堤防工程，即使是需進行加高培厚的1、2級堤防工程，按此規定操作的可能性也很小。因而實際上在防洪墻的穩定分析中，有些是用組數很小的統計值，很難準確地反映與使用安全系數相匹配的、滑動面自身的抗剪強度;有些則用算統計參考值(見《水利水電工程地質勘察規范GB 50287-99》附錄D.0.2)乘以0.85～0.9的折減系數或由地質專家提供的經驗值(接近統計的算術平均值)，據筆者的初步分析，用算術平均值計算出的穩定安全系數比用小值平均值計算出結果，往往大10～20%以上。即使采用的安全系數增加了0.05仍不能補償參數取值不當的誤差。如果分析結果是安全的也可能是假象，實際安全度是不足的。

　　2.3.2滑裂面發生在地基與基礎的接觸面

　　根據《堤防工程設計規范》的第8，2，8條規定，抗滑穩定應用純摩公式(1)計算。盡管對于重要的堤防工程，理論上其基礎與地基間的摩擦系數f可以通過原位或室內試驗來確定，但《堤防規范》沒有明確規定與安全系數匹配的試驗組數和取值方法。從《水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準(平原、濱海部分)SDJ 217-87》(試行)的編制條文可知，防洪墻的安全系數取值，是與1984年頒布的《水閘設計規范》中水閘的穩定安全系數基本相同(見附錄)。由于通常防洪墻的高度較矮而堤線較長，每組試驗代表的工程數量遠小于水閘和其它工程量較集中的樞紐工程;要取得同等代表性的防洪墻基礎摩擦系數f的試驗值，其試驗工作量和耗費資金遠遠大于水閘的抗剪強度試驗，往往超過目前大多數工程按當前有關規定的承受能力。若試驗數量不足則很難反映整個防洪墻工程基礎與地基接觸的強度條件;若只做少量組數的試驗，則代表性不足，實際上的參考意義不大。目前較普遍的亦是沒有做試驗，僅采用地質專家推薦的經驗值或參考《水利水電工程地質勘察規范》、《建筑地基基礎設計規范》或其它規范提供“可以選用”的建議值，后者的變化幅度往往達20～30%甚至更大。表1列舉的安全系數未能完全涵蓋基礎摩擦系數的取值誤差;特別是對于2級及其以下等級的堤防工程，安全系數明顯低于同幾乎是同樣方法設計和施工的、失事后果嚴重性卻可能較低的擋土墻，顯然是不安全和不合理的。

　　2.4 抗傾安全系數

　　《堤防工程設計規范》除規定了表2的安全系數外，還在第8.2.9條中規定“防洪墻在各種荷載組合的情況下，基底最大壓應力應小于地基的允許承載力。土基上的防洪墻基底的壓應力最大值與最小值之比的允許值，粘土宜取1.5～2.5;砂土宜取2.5～3.0”。實際上，抗傾安全系數與防洪墻基底的應力狀態是密切相關的。設有如圖1所示的防洪墻基礎橫剖面，e為垂直力合力W至轉動中心A的水平距離;O為W與水平力合力W0作用線與基底的交點;b為基礎水平寬度。由材料力學方法可求得不同e/b和最大和最小應力比 時，相應的抗傾安全系數k值，詳見表5。通常e/b大于0.5(兩邊對稱布置的防洪墻)和小于0.75(有很長的前趾板)，多在0.6～0.65之間。由表5可見，若為滿足《堤防規范》第8.2.8條有關基礎最大和最小應力比的要求，必須有遠大于表2規定的抗傾安全系數。

　　表6為當要求基礎后趾(圖1的B點)不出現拉應力時的抗傾安全系數;表7為不同e/b值和不同抗傾安全系數k時，基礎最大應力與按基礎總寬b計算的平均應力的比值 。由表6和表7可見：按常規抗傾安全系數設計防洪墻時，其后趾有可能出現拉應力，使基礎與地基局部脫離接觸。若水壓力在這一側，基礎的滲透壓力會隨之增大，傾覆力矩亦會加大，可能會出現不利于抗傾覆穩定的惡性循環。當抗傾安全系數過低例如接近1.3時，則基礎后趾和地基脫離接觸后，位于前趾的基礎最大應力達到以基礎寬度b計算的平均應力的4～5倍。如果墻體較高，地基較軟，基礎前趾下的地基可能因受過大的擠壓應力產生塑性變形，從而使地基出現較大的不均勻沉降，導致墻向前傾，e/b繼續減小， 繼續增大，亦形成惡性循環，最終可能導致墻體發生傾倒破壞。這此可能是《建筑規范》在編制說明中認為“現實工程中傾覆穩定破壞的可能性又大于滑動破壞”的主要原因之一。

　　因《堤防規范》第8.2.9條是用“宜”來要求基礎兩側的應力比，是允許稍有選擇而不是嚴格的要求。實際上控制基礎最大和最小應力比的目的，在于防止基礎兩側產生過大的不均勻沉陷，影響防洪墻的正常功能。《建筑地基基礎設計規范》無論是1989版還是2002版除了有較大的抗傾安全系數、要求基礎最大應力不大于1.2倍“修正后的基礎承載力特征值”外，只要求“承重結構的局部傾斜”不大于0.002(中、低壓縮性土)或0.003(高壓縮性土)，即以變形控制為準;對沒有明確物理意義的最大和最小應力比沒有提出要求，是概念此較清晰和比較合理的。

　　3、結論和建議

　　安全系數是和一定的計算方法和參數選擇方法相適應，三者組成一個缺一不可的、完整的建筑安全評價系統，不同的計算方法和參數取值方法，應相應有不同的安全系數。因現《堤防工程規范》的抗滑和抗傾安全系數明顯偏小，在明確規定防洪墻合理計算方法和參數選擇方法后，應盡快對其中相互矛盾的條文及其安全系數作合理的調整。因擋土墻量大面廣、實踐經驗較多;《建筑地基基礎設計規范》對擋土墻的安全評價系統，己在1978版的基礎上，又經歷了1989版和2002版兩次修編，相對較接近實際。在《堤防工程設計規范》的安全評價系統未經充分論證和修改完善之前，建議暫以《建筑地基基礎設計規范》對擋土墻的安全評價系統為基礎進行修正。即：

　　(1)當滑動面為基礎與地基的接觸面時，5級堤防的防洪墻的抗滑安全系數，應不小于用同樣計算方法和同樣參數選擇方法的擋土墻的安全系數1.3;對級別較高堤防的防洪墻，抗滑安全系數應以1.3為基礎，逐級適當加大。

　　(2)當滑動面在基礎與地基的接觸面以下、發生深層滑動時，對5級堤防的防洪墻的深層滑動的安全系數，在正常運用及可能出現機率較高的異常運用條件下，其抗滑安全系數應不小于用同樣計算方法和同樣參數選擇方法的擋土墻的安全系數1.2;對級別較高堤防的防洪墻，抗滑安全系數應以1.2為基礎，逐級適當加大。

　　(3)《堤防工程設計規范》列舉的抗傾安全系數不合理地偏小。在未系統修偏之前，建議5級堤防的防洪墻的抗傾安全系數，暫乏為不小于《建筑地基基礎設計規范》規定的擋土墻抗傾安全系數1.6;級利較高者逐級適當加大。今后應盡快與有關行業和部門共同研究。分巖基和土基提出不再互相矛盾的各種類型擋土墻和防洪墻的抗傾安全系。

　　(4)《堤防工程設計規范》第8.2.9條對“土基上的防洪墻基底的壓應力最大值和最小值之比的允許值”，提出的雖然是“允許稍有選擇，在條件許可時首先應這樣做”的“宜”要求，但這基底的壓應力最大值和最小值之比的指標，并不能完整地反映防洪墻基礎不均勻沉降的程度;由上表5可見，有時為滿足這條要求，不得不加大結構斷面，增加抗傾安全系數，而這不一定是保證防洪墻正常工作所必須，必然造成浪費。根據現代土力學已將基礎以應力控制為主改為以變形控制為主的總發展趨勢，建議《堤防工程設計規范》取消“土基上的防洪墻基底的壓應力最大值和最小值之比的允許值”的要求，改為：

　　第一、嚴格控制基底最大應力，保證基礎和地基(包括局部)不會發生脆性或塑性破壞;

　　第二、對較重要的、土基上的防洪墻，應用現代巖土力學應力和應變的本構關系，進行地基變形核算，保證墻體發生的整體沉降和傾斜不會危及防洪墻的安全和影響防洪墻的使用功能。

　　參考文獻 ：

　　[1] 張益善.中華實用水利大辭典.南京大學出版社， 1995：640

　　[2] 堤防工程設計規范(GB 50286―98)：4，108，29，92

　　[3] 中華人民共和國工程建設標準強制性條(水利工程部分)2000年：3-3-9

　　[4] 廣東省水利廳.廣東省海堤工程設計導則.中國水利水電出版社，2004：47

　　[5] 建筑地基基礎設計規范(GB 50007―2002)：43～45

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