摘要：单一安全系数法为过去水工结构设计的常用方法，该方法具有概念明确、计算简便等优点。然而，这种方法处理问题时在理论上其本身存在一定的缺陷，对于水利工程边坡或水工结构真实的安全状态与稳定程度不能较好的作出评判。随着科技的进步和时代的发展，对结构安全状态综合考虑各种随机因素的可靠性理论得到发展和应用。本文对基于可靠性理论应用的水工结构设计进行研究。
关键词：工结构设计；可靠度；指标分析；水电站
1 可靠度理论分析
1.1 传统的理论方法
重力坝在各种环境条件下通常以强度与稳定性破坏两种形式出现，因此可从这两个方面进行可靠度分析，分析过程如下：
1.2 稳定可靠度分析
承载力极限状态为水工结构抗滑移稳定性分析的判断基础，为维持坝体整体稳定性主要是利用其自重形成的抗滑力。为便于计算在分析过程中，坝体和滑动面往往被假定为刚体与胶结面状态，因此滑动力和阻滑力可分别作为效应函数与抗力函数，此时可利用下述方程描述抗滑稳定性状态：
式中：f、c、l分别为基岩抗剪摩擦系数、抗剪断内聚力与坝基宽度;W、P分别为计算面上荷载垂直分力与水平力总和;影响结构设计的因素较多，准确可靠的结构体系往往较为复杂，相关文献对极限状态设计采用概率理论分析。利用可靠度作为反映结构体系的重要参数，并构造可靠度与极限状态之间的数学关系。
该可靠度方法主要包括永久、可变与偶然3种荷载、正常使用与承载力极限2中状态、5类分项系数和3个安全等级。坝体工程是结合工程经验和优化分析方法，综合考虑其破坏特征、经济损失、重要程度等因素而综合确定的分项系数，承载力极限状态方程，如下所示：
式中：Sd(·)、Rd(·)分别为作用组合效应和结构抗力设计值函数;γ0、φ分别为结构重要性系数和设计状态系数;γdn、Gk、Qk分别为第n种组合的结构系数、永久作用与可变作用标准值;γG、γQ、ak分别为永久荷载与可变荷载分项系数，集合参数标准值。但是在实际应用过程中该方法仍存具有较多的分项系数，其计算较为繁琐，因此单一系数法得到研究应用。文献提出可引入安全系数K作为γ0、γdn、φ的综合评判，所以可有效结合单一系数与分项系数法，从而实现了简化运算。
1.3 概率可靠度模型分析
根据以上分析和相关研究，可分别从以下方面探讨影响概率可靠度分析的主要因素:在实际工程中需要根据收集的数据进行分布拟合或参数估计确定统计参数，样本数据与统计结果具有密切关系，并且函数运算与随机变量确定的统计参数通常存在较大的偏差;分布概率参数对失效概率具有较为敏感的影响，通常最终的分析结果受随机变量分布函数的影响最为明显，真实函数在运算后不服从正态分布并且难以确定其分布特征;在10－5量级的失效概率，通常难以处理器数值，仅仅在信息充足的情况下应用概率模型。根据不确定性信息较少和模型可靠性分析可知，利用概率可靠度模型设计水工结构仍存在一定的局限性和不足，因此需改进和完善目前的分析方法，对此可利用凸集模型的非概率可靠度理论进行分析处理。
1.4 非概率可靠性理论
针对概率可靠性理论难以验证结果且要求统计数据较多的问题，YakovBen－Haim提出了非概率可靠度的概念，即:利用凸集合模型描述不确定性信息，通过分析得到响应范围提出了安全度指标。概率为判定传统可靠性的主要依据，并按照失效概率越低则系统越可靠的原则，而非概率可靠性认为系统抗干扰能力越强或性能波动范围越低，则可靠性越好，因此也可称为稳健可靠性。在处理不确定程度较严重和不确定性信息较少的工程问题时，该理论具有较强的适用性与科学性。通过一定的手段将体系负面性能可能发生的概率降低至可允许区间为传统方法的主要目标，而非概率可靠性则是对系统性能要求在允许范围浮动，主要反映在如下方面:对结构可利用统计信息较少的条件下，实现较为准确、科学的可靠性分析，并解决在实际应用过程中传统可靠性模型存在的问题，因此该方法具有较强的实用性与可行性。
2 实例应用
2.1 水电站概况
某省某水电站大坝主要有温度荷载、淤沙压力、坝体重力、水压力以及扬压力等荷载。为获得更多的监测资料并更加高效、全面的获取大坝的工作状态，在水利大坝建设施工期布设了多个观测检验装置如环境温度、变形、裂缝、渗流量、应力应变、裂缝、渗流、扬压力、上游水位、引张线、垂直监测等仪器装置。大坝高程295m、坝体内摩擦角为22°，坝体死水位和正常蓄水位分别为1560m和1620m，总库容和调节库容分别为76.2×108m3、50.1×108m3，电站装机容量为4500MW且为年调节水库。在正常蓄水位条件下，对可靠度计算的定值选取为扬压力折减系数和上、下游水位，坝体力学参数如表1所示。
表1 混凝土双曲拱坝力学参数
2.2 非概率可靠度指标分析
响应面法模拟真实的极限状态曲面主要是利用输入与输出关系来实现，利用功能函数不能显式大坝的复杂结构特征并且不利于可靠性分析。据此，可对大坝可靠性分析利用有效原发与响应面法相结合的方法，即对大坝结构利用有效原发分析并对结构功能函数采用响应面法求解，然后对结构功能响应的极大值与极小值利用功能函数和数学优化法进行求解，从而得到非概率可靠度指标计算结果。对非概率可靠度指标利用ANSYS有限元软件和FORTRAN接口优化程序进行求解，受文章篇幅限制文章未做详细介绍，仅给出了可靠度指标计算结果。大坝的可靠度指标较低的区域位于上游区域的坝踵周围，而坝体的抗拉指标在线弹性与弹塑性分析中的最小值分别为－2.05MPa与－0.82MPa，最小值出现在坝高1/6附近的左坝角上游面。对各不确定性变量概率分布因缺乏足够的有效信息而无法全部求解，因此仅对复杂大坝的结构依据各参数变化区间进行分析，结果显示该分析结果与理论规律保持良好的一致性，并验证了该方法的可行性与可靠性。
结束语
1)对大坝结构利用有效原发分析并对结构功能函数采用响应面法求解，然后对结构功能响应的极大值与极小值利用功能函数和数学优化法进行求解，从而得到非概率可靠度指标计算结果。
2)整个大坝的可靠度指标较低的区域位于上游坝踵附近，而坝体的抗拉指标在线弹性与弹塑性分析中的最小值分别为－2.05MPa与－0.82MPa，最小值出现在坝高1/6附近的左坝角上游面。
参考文献
［1］罗志国，赵兴健，张瑞刚.基于可靠度理论的水工结构设计方法［J］.水利科技与经济，2015(09):26－28.
［2］朱伯芳.关于可靠度理论应用于混凝土坝设计的问题［J］.土木工程学报，1999，32(04):10－15.
论文作者:陈颜
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/20
标签：概率论文; 可靠论文; 结构论文; 大坝论文; 分别为论文; 系数论文; 可靠性论文; 《基层建设》2019年第8期论文;