混凝土重力坝服役寿命预测研究

2017-04-01张海鹏张海坤

山东水利 2017年2期

关键词：重力坝服役使用寿命

张海鹏，张海坤

（1.济宁市梁济运河工程养护服务中心，山东济宁 272000；2.山东省小清河管理局，山东济南 250014）

混凝土重力坝服役寿命预测研究

张海鹏1，张海坤2

（1.济宁市梁济运河工程养护服务中心，山东济宁 272000；2.山东省小清河管理局，山东济南 250014）

文章考虑大坝体系存在多种失效模式及时变效应，利用JC法计算各失效模式的失效概率的基础上，基于窄界限法，提出了时变风险率的计算方法。在此基础上，根据大坝服役寿命标准，预测重力坝的剩余服役寿命。

大坝；服役寿命；失效概率；JC法；窄界限法

混凝土结构的使用寿命分为三类：功能性使用寿命、技术性使用寿命和经济性使用寿命。目前人们所说的使用寿命基本上指结构技术性使用寿命，是指结构满足各项设计功能要求，能安全运行未进行大规模补强加固工程的使用年限。我国20世纪80年代以前修建的混凝土坝由于设计标准偏低、施工质量差、管理不善等原因，过早出现老化病害，运行不到30年就要花费巨资大修。近年来，国内建成的混凝土坝也有刚建成即成为病险坝而不得不进行除险加固，使得混凝土坝的服役寿命受到严重损害。因此，对水工混凝土结构的使用寿命或生存寿命进行风险评估具有重大意义。

1 剩余寿命评估标准

确定目标可靠指标的方法主要有：事故类比法、经济优化法、社会效应优化法以及经验校准法。经验校准法是现阶段常用的确定目标可靠指标的方法，通过对现行规范可靠度的反演计算，再经过综合分析和调整来确定规范的目标可靠指标βT。

在《工程结构可靠性理论与应用》和《民用建筑可靠性鉴定标准》中建议α取0.85，认为当结构可靠指标βTM＜0.85βT时，该结构己处于破损状态，必须采取一定的处理措施才能继续使用。本文将βTM=0.85βT作为服役大坝结构达到剩余使用寿命终点的标志。

2 大坝服役寿命评估模型

2.1 大坝服役寿命函数及失效概率计算

1）寿命分布函数。记混凝土坝性能的劣化过程为Ψ（t），用指数分布函数表示，即：

式中：λ为失效概率；t为时间；t0的值通过检测得到。

2）大坝单一失效模式失效概率。大坝某单一失效模式的功能函数可表示为：

式中：x1，x2，…，xn为大坝结构抗力、荷载等基本随机变量。

则其失效概率为：

式中：Ω为失效域；f（x1，x2，…，xn）为随机变量的联合概率密度函数。

要求解（3）较困难，通常通过求解可靠度指标β来求解失效概率Pf。推导可得出可靠度指标和失效概率的对应关系为：

3）大坝结构体系失效概率。大坝失效模式按逻辑关系可以分为串联体系，并联体系和串并联混合体系。本文采用窄界限法计算大坝结构体系的失效概率。

串联体系的窄界限公式为：

式中：Pfij为两个失效模式共同失效的概率。根据在役结构目标可靠指标0.85βT，结构的剩余使用寿命为Ts′：

结构的使用寿命Ts=Ts′+t0。

2.2 考虑时变效应的大坝服役寿命评估流程

大坝服役寿命评估流程如下：1）确定大坝的使用寿命终止标准和评估准则；2）对大坝结构所处的环境及材料特性进行检测，对结构损伤进行调查统计，建立结构抗力的衰减模型；结合结构工作现状和使用要求，初步鉴定结构继续使用年限TM；确定荷载评估期TE，采用JC法计算单一失效模式的时变可靠度。3）基于窄界限法，计算结构TM年内的系统动态可靠指标；4）当动态可靠指标β（TM）小于结构目标可靠指标0.85βT时，即可求出结构的使用寿命。