黨雪梅 孫勝利

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,鄭州 450003)

1 運用條件劃分的基本原則和方法

1.1 運用條件劃分在邊坡設(shè)計中所處的地位

在邊坡設(shè)計中,與運用條件劃分關(guān)系最密切的設(shè)計工作之一是穩(wěn)定分析計算。在進行穩(wěn)定分析時,常常會出現(xiàn)只重視計算而忽視運用條件劃分的現(xiàn)象。但運用條件劃分直接決定穩(wěn)定安全系數(shù)標準,若運用條件劃分不合理,直接影響邊坡的安全度設(shè)計是否合理,繼而影響工程投資的大小。在以往的設(shè)計實踐中,由于沒有統(tǒng)一的技術(shù)標準和技術(shù)交流等多種原因,各設(shè)計單位、不同工程所把握的度往往不一致,因此在制定 《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》 (S L386—2007)時進行了專門的研究。

1.2 劃分思路

為了便于設(shè)計實踐中的操作,考察了各水工建筑物設(shè)計相關(guān)規(guī)范,運用條件劃分形式大致有運用條件劃分和荷載組合兩種?！赌雺菏酵潦瘔卧O(shè)計規(guī)范》(S L274—2001)是采用的 “運用條件劃分”的典型技術(shù)標準。該規(guī)范將運用條件劃分為正常運用條件、非常運用條件Ⅰ和非常運用條件Ⅱ?！兜谭拦こ淘O(shè)計規(guī)范》(G B50286—98)和 《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計準則》(SLJ 01—88)等與碾壓式土石壩設(shè)計運用條件劃分標準一致。常見的水工混凝土建筑物設(shè)計規(guī)范,如 《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(S L319—2005)、《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》 (S L282—2003)、 《水閘設(shè)計規(guī)范 》 (SL265—2001)、《溢洪道設(shè)計規(guī)范》 (S L253—2000)等,則是采用荷載組合這種形式。但無論其名稱采用何種稱謂,二者本質(zhì)上基本相同,都是根據(jù)水工建筑物可能遭遇的不同工作條件,設(shè)計不同的安全度及采取相應(yīng)的工程和結(jié)構(gòu)措施,以確保水工建筑物在各種情況下都能正常運行,發(fā)揮其應(yīng)有的社會經(jīng)濟效益。

邊坡的受力和工作特點與土石壩和堤防較為接近。以水荷載為例,對于堤壩而言,水荷載不是直接作為外力施加堤壩坡面進行穩(wěn)定計算的,對其穩(wěn)定的影響是通過浸潤線的變化而反映的,浸潤線的變化在計算中以孔隙壓力變化反映。根據(jù)采用土體抗剪強度指標是有效應(yīng)力指標還是總應(yīng)力指標,孔隙壓力可以作為作用力計入,也可以計入抗剪強度指標。邊坡與之是類似的。而混凝土壩等混凝土結(jié)構(gòu)則與之完全不同,水荷載是直接作為水壓力計算的。因此,采用運用條件劃分的思路更適合于邊坡。

1.3 基本原則

考察各項現(xiàn)行的水利水電工程和水工建筑物的技術(shù)標準可知,無論是采用運用條件劃分還是荷載組合方法,目前都還難以完全做到采用概率統(tǒng)計方法進行統(tǒng)計,定量進行劃分。因此,對于水利水電工程邊坡也只能參照水利水電工程設(shè)計多年來積累的經(jīng)驗,考慮邊坡的特點,給出定性的規(guī)定。

不同運用條件如何劃分,現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范大多沒有明確規(guī)定,例如 S L274—2001規(guī)定應(yīng)根據(jù)“工作狀況和作用力的性質(zhì)”劃分;S L253—2000規(guī)定 “根據(jù)各種荷載實際同時出現(xiàn)的可能性”選擇?？梢钥闯?無論是采用 “運用條件劃分”,還是采用 “荷載組合”劃分,以往的設(shè)計規(guī)范中沒有明確提出劃分原則,深入分析仍可體會到其核心概念應(yīng)該是 “出現(xiàn)的幾率和作用時間的長短”。因此,水利水電工程邊坡設(shè)計將這一核心概念作為基本原則進行運用條件劃分是合理的。

1.4 基本方法

根據(jù)上述原則,將邊坡條件劃分的基本方法歸納為如下幾個步驟。

(1)邊坡運用條件劃分參照土石壩等相關(guān)設(shè)計規(guī)范劃分為正常運用條件、非常運用條件Ⅰ和非常運用條件Ⅱ。

(2)按照 “工作狀況、作用力出現(xiàn)的幾率和持續(xù)時間的長短”為原則區(qū)分 3種運用條件。

(3)參照現(xiàn)行水利水電工程技術(shù)標準和設(shè)計慣例,定性劃定 3種運用條件的大致區(qū)分界限。

(4)參照現(xiàn)行水利水電工程技術(shù)標準、設(shè)計慣例和邊坡的實際情況研究 3種運用條件所包含的大致運用工況。

從以上論述可以看出,劃分運用條件的前兩步工作已基本完成,下面將主要研究 3種運用條件的分界點和所包含的大致內(nèi)容,其中正常運用與非常運用條件Ⅰ的分界點和各類邊坡的正常運用條件所包含工況是重點研究的內(nèi)容。

2 3種運用條件的區(qū)分界限

3種運用條件的區(qū)分界限就是正常運用條件與非常運用條件Ⅰ的界限和非常運用條件Ⅰ與非常運用條件Ⅱ的界限。這種區(qū)分界限也以 “出現(xiàn)幾率”和 “作用時間的長短”劃分運用條件的原則界定。

首先,確定正常運用條件與非常運用條件Ⅰ的界限。多年以來,水工建筑物設(shè)計習(xí)慣上將設(shè)計洪水頻率作為區(qū)別二者的界限。如 S L319—2005、S L282— 2003、 S L265— 2001、 S L253— 2000 等,在條文中關(guān)于基本荷載和特殊荷載的描述中,與水位有關(guān)的水荷載 (靜水壓力、揚壓力、波浪壓力、動水壓力等),均是把正常蓄水位或設(shè)計洪水位作為水位上限考慮的。因此,認為根據(jù)多年的慣例將設(shè)計洪水頻率作為區(qū)別二者的界限是合理的。

對于非常運用條件Ⅰ與非常運用條件Ⅱ的界限,多數(shù)設(shè)計規(guī)范是將正常運用條件遭遇地震作為非常運用條件Ⅰ與非常運用條件Ⅱ的區(qū)分界限。1993年, 《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》 (S D J218—84)補充修改條款中曾將正常運用遇地震歸為非常運用條件Ⅰ,通過五六年的實踐應(yīng)用,證明是不合理的。因此,邊坡的非常運用條件Ⅰ與非常運用條件Ⅱ也將正常運用條件是否與地震組合作為二者的區(qū)分界限。

3 正常運用條件的工況分析

水利水電工程的邊坡,因所處的位置不同,運用情況千差萬別。比如臨水邊坡,水位經(jīng)常處于正常蓄水位和設(shè)計洪水位與死水位之間的各種水位,具有臨水邊坡的運用特點,而不臨水邊坡就與之不同。所以需要分別進行研究和論述。

3.1 臨水邊坡

水荷載是臨水邊坡最主要的荷載之一,對于邊坡而言,水荷載可歸結(jié)為水位和水位降落的問題。

3.1.1 水位

對水庫邊坡,從 “出現(xiàn)的幾率”而言,習(xí)慣上將設(shè)計洪水以下頻率的洪水作為正常工況。正常蓄水位可認為是 “作用時間較長的水位”。水庫正常運用時,水位可能處于正常蓄水位和設(shè)計洪水位與死水位之間的各種水位。位于建筑物上游庫區(qū)的邊坡與下游邊坡的臨水條件不同。上游邊坡常遇的運用條件可能是正常高水位與死水位及其之間的任一水位,而對于下游的邊坡,只要是泄水、引水流量變化不是很大,下游水位相對變化不大。不利水位是指對穩(wěn)定最不利的水位,是水庫邊坡經(jīng)常遇到的工況,一般經(jīng)驗在坡高的 1/3上下。對于較高和地質(zhì)條件復(fù)雜的邊坡,一般通過試算確定。

水道邊坡的水位可能處于正常高水位與最低水位之間的各種水位之間,水道正常高水位與最低擋水位之間任一水位,持續(xù)時間均可能較長,因此作為正常運用條件。

3.1.2 水位降落

水位降落是臨水邊坡必然遇到的工況,從堤壩的經(jīng)驗可知水位降落是正常運用條件中比較危險的工況。一般水庫水深,水位降落幅度大,對邊坡穩(wěn)定影響大,各種降落情況為大家所熟知,所以以水庫水位降落為例進行分析。分析是不是屬于正常性的降落仍是以 “出現(xiàn)的幾率”原則進行界定。

以下面幾種典型情況分析正常的水位降落。

(1)徑流電站。因為徑流電站對上游來水不進行調(diào)節(jié),其擋水位隨著來水量的變化而隨時在變化,比作為正常運用條件的設(shè)計洪水出現(xiàn)頻率要高得多,可以認為屬于正常運用條件的水位經(jīng)常性降落。

(2)抽水蓄能電站上庫的水位降落。抽水蓄能電站的作用是削峰填谷,上庫的水位變化頻度隨庫容和發(fā)電用水量的大小而變化,水位降落比較頻繁,可以認為是經(jīng)常出現(xiàn)的水位降落。

(3)水庫供水、灌溉的水位降落。向城市和工礦企業(yè)供水以及灌溉的水庫,下泄水量及相應(yīng)的水位降落一般年際之間有著周期性的變化,因此也應(yīng)該作為經(jīng)常性的正常水位降落。

(4)宣泄洪水的水庫水位降落。宣泄等于和低于設(shè)計洪水頻率的洪水引起的水位降落可以認為是經(jīng)常性降落。

(5)供水渠道的水位降落。常年供水的輸水水道由于供水流量經(jīng)常變化引起的水位降落也可認為屬于水位經(jīng)常性降落。由于特殊情況需要緊急泄水的情況發(fā)生幾率小,就不能作為經(jīng)常性降落。常年供水的輸水水道需要退水檢修,發(fā)生幾率也較小,也不能作為經(jīng)常性降落。

(6)河道的水位降落。設(shè)計洪水以下頻率的洪水水位升降應(yīng)該作為正常運用條件的一種工況對待。尤其是河流入海口附近,受海洋潮汐影響的經(jīng)常性的水位升降也必然應(yīng)該作為正常運用條件的一種工況對待。

3.2 不臨水邊坡

不臨水邊坡在水利水電工程中也經(jīng)常遇到。如工程場區(qū)內(nèi)新建的一些交通主干道的邊坡或新建的其他主要建筑物的邊坡;泄水建筑物運用時,如溢洪道閘門擋水和泄水時,對于溢洪道泄槽為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式的擋墻邊坡,因混凝土的滲透系數(shù)為1×10-8cm/s,滲透性很小,且溢洪道泄水時間短,也可以認為該區(qū)段邊坡為不臨水邊坡。對于這一類不臨水邊坡的正常運用條件遇到的工況,也應(yīng)該從工程投入運用后是否經(jīng)常發(fā)生或持續(xù)時間長短的情況進行分析論證后劃定。

4 非常運用條件Ⅰ的工況分析

4.1 施工期

對于邊坡的施工期,在工程實踐中有兩種情況:一種情況是永久邊坡的施工期,即竣工后邊坡仍處于臨空狀態(tài);另一種情況為工程竣工后邊坡不臨空。例如壩肩開挖邊坡,壩修筑后可能全部或部分處于不臨空狀態(tài)。

(1)永久邊坡的施工期。泄水、發(fā)電和引水建筑物進出口邊坡屬于典型的竣工后邊坡仍處于臨空狀態(tài)的邊坡。對于大型工程而言,施工期也是一段較長的時段。習(xí)慣上稱為的 “竣工期”或 “完建期”,就是施工期的基本建成未投入正常運用前的一個時段,屬于施工期的范疇,是非常運用條件中的典型工況。如果將竣工期或完建期劃為正常運用條件顯然是不合適的。

由于治理和加固措施是逐步施加的,施工期的邊坡穩(wěn)定往往會成為整個邊坡穩(wěn)定的主要矛盾,而所有治理和加固措施都具備了以后的正常運用期,穩(wěn)定問題可能不一定那么突出了。

(2)工程竣工后不臨空邊坡的施工期。工程竣工后邊坡不臨空在水利水電工程中也普遍存在。例如土石壩和重力壩壩肩的開挖邊坡等,大壩修筑后可能全部或部分處于不臨空狀態(tài),這類邊坡最容易發(fā)生滑坡的時期為施工開挖期間。例如漫灣水電站左壩肩巖石岸坡存在一組十分發(fā)育的順坡向節(jié)理,1989年 1月開挖過程中沿此組節(jié)理發(fā)生了高達 100m的滑坡,滑坡總體積約 10.8萬m3。這一滑坡致使電站發(fā)電時間推遲 1年,直接經(jīng)濟損失超過 1億元。對這類邊坡設(shè)計時,應(yīng)該重視施工期這種工況的邊坡穩(wěn)定。

4.2 降雨和泄水雨霧

降雨持續(xù)時間短,泄水雨霧是當泄量大時才造成明顯危害。就是在我國南方,盡管雨季降雨頻繁,但相對于水庫邊坡臨水狀態(tài),作用時間較短;相對于徑流電站和抽水蓄能電站的水位漲落,其發(fā)生的頻度相對低得多。因此,劃為非常運用條件之中。

根據(jù) 152個邊坡的統(tǒng)計資料,有 52個邊坡變形或失穩(wěn)與降雨有關(guān),因此要對這種工況給予足夠的重視。泄水建筑物泄水時,常常會在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生雨霧,其對邊坡的不利影響與降雨相似。降雨和泄水雨霧引起邊坡體驟然飽和造成邊坡整體失穩(wěn),是由于短時間內(nèi)邊坡體內(nèi)孔隙壓力升高和材料抗剪強度的降低引起的。

如果忽視了降雨對邊坡穩(wěn)定的影響,不僅會造成不必要的資金浪費,還可能會帶來比較嚴重的后果。例如我國南方某一在建的水電站的進場公路設(shè)計,降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響重視不夠,沒有采取必要的治理和加固措施。在旱季竣工的初期運用幾個月內(nèi)沒有出現(xiàn)大的問題。但是到了雨季,邊坡破壞現(xiàn)象日益嚴重,幾乎發(fā)展到逢溝必塌,不足30km的路長,滑坡達幾十處之多,嚴重影響了對外交通。

4.3 正常運用條件下邊坡坡體排水失效

排水失效也是設(shè)計中需要著重考慮的,難點是排水失效的度如何合理把握。以邊坡體排水孔為例,合理把握好失效比例,主要需要考慮以下兩方面的因素。

(1)地質(zhì)條件。對于軟巖、斷層和裂隙密集帶部位,排水孔失效的幾率會高一些,硬巖巖石部位的排水孔失效的幾率會低一些。

(2)邊坡穩(wěn)定對排水孔失效的敏感性。排水孔失效必然導(dǎo)致地下滲流場的變化,所謂邊坡穩(wěn)定對排水孔失效的敏感性,實質(zhì)上是邊坡穩(wěn)定對地下滲流場的變化的敏感性。如果邊坡穩(wěn)定排水孔對失效非常敏感,應(yīng)慎重確定允許的失效比例。

在實際的邊坡設(shè)計中,如何控制最大的允許失效比例,可采取敏感性分析確定,即從低到高假定一系列的失效比例,計算出相應(yīng)地下滲流場變化,再進行進一步的穩(wěn)定分析,確定需要采取的治理和加固措施。以此通過綜合分析,確定所允許的最大失效比例。

4.4 水位的非常降落

水庫水位的非常降落,如自校核洪水位降落、降落至死水位以下,以及大流量快速泄空等是否會發(fā)生需根據(jù)水庫的特點去分析。如果自校核洪水位降落,多是在一個汛期有多次洪水,而且每次洪水持續(xù)時間較長,為騰空防洪庫容才有可能發(fā)生,這要分析本地區(qū)洪水出現(xiàn)的頻率和洪量大小,通過調(diào)洪計算確定。

至于降落至死水位以下以及大流量快速泄空等,顯然均屬于特殊的情況。一般是在運用中工程本身出現(xiàn)問題,為了水庫的安全,需對工程檢查或進行處理才會出現(xiàn)該種情況。這只有在地質(zhì)情況特別復(fù)雜,對工程設(shè)計的某些部位還不完全放心,才可能考慮該種情況。

5 非常運用條件Ⅱ的工況分析

由前面論述已知,水工建筑物設(shè)計相關(guān)規(guī)范中對水工建筑物的運用條件可大致劃分為兩種:一種是運用條件劃分,另一種是荷載組合。但無論哪種劃分方法都對地震情況非常重視。在一些水工建筑物設(shè)計相關(guān)規(guī)范中,關(guān)于地震情況在水工建筑物抗滑穩(wěn)定計算中對安全系數(shù)的規(guī)定也是非常明確的,基本上是考慮了其特殊性而與施工情況、檢修情況等分開考慮,并作為單獨的一種特殊組合的形式分開確定安全系數(shù)標準。

從上述對現(xiàn)行的水工建筑物設(shè)計相關(guān)規(guī)范的考察可知。

(1)絕大多數(shù)規(guī)范是將地震情況單獨作為一種特殊的運用條件 (或稱荷載組合)對待的。

(2)絕大多數(shù)規(guī)范不將地震與設(shè)計洪水組合。

對于上述第一個問題,通過分析不難得到結(jié)論。首先,地震出現(xiàn)的幾率本來就比較小,就是與正常運用條件下的正常水位組合,其遭遇的幾率也比非常運用條件Ⅰ的工況出現(xiàn)的幾率要低得多,而且地震荷載比其他非常運用條件Ⅰ各種工況下的荷載要大得多,如果將地震情況作為非常運用條件Ⅰ下的一種工況,實踐表明基本上是地震工況控制了穩(wěn)定安全的設(shè)計,顯然是不合理的。

對于上述第二個問題,盡管習(xí)慣上各規(guī)范都將設(shè)計洪水作為正常運用條件對待,但是設(shè)計洪水出現(xiàn)的幾率遠比正常蓄水位出現(xiàn)的幾率要小得多,而且設(shè)計洪水的持續(xù)時間相對都比較短,再與地震組合就顯得太偏于保守。因此,行業(yè)內(nèi)地震大多不與設(shè)計洪水組合。

6 結(jié)語

通過對各種水工建筑物設(shè)計相關(guān)規(guī)范運用條件劃分形式的考察分析,提出邊坡運用條件劃分的基本思路、原則和方法,不僅使得邊坡的安全標準檔次劃分更加合理,而且界限區(qū)分標準更加明晰,保證了邊坡設(shè)計的安全可靠性,對運用條件劃分更易于執(zhí)行和操作。

文中給出運用條件劃分研究成果已經(jīng)納入規(guī)范,但也僅是典型情況,在邊坡設(shè)計中需要僅僅圍繞 “出現(xiàn)的幾率和持續(xù)時間”這一原則,進行運用條件劃分。不要出現(xiàn)遇到水位降落就當作非常運用條件Ⅰ這類問題。