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对防洪墙稳定安全系数选择问题的商榷
【摘要】本文通过分析，指出现国家标准《堤防工程设计规范》(GB 50286-98)和某些地方性堤防工程设计导则中，规定的防洪墙稳定安全系数偏小，提出改进的建议，供规范修编参考。
【关键词】防洪墙;安全系数;选择
防洪墙一般指在水边修筑防止洪水(潮水)漫溢的墙式结构物[1]。通常有两种形式，一类为完全用混凝土或浆砌石体建造的墙体，建于与基础面有较高结合强度的岩基;另一类为同样用混凝土或浆砌石体建造的墙体，但建于与基础面结合强度很低、粘结力很小的土基上，往往需在背水侧设填土以增强其抗渗流破坏能力。土基上防洪墙的受力状态在某种程度上类似于挡土墙。
1、两种不同的安全系教
国家标准《堤防工程设计规范》(GB 50286―98)(以下简称《堤防设计规范》)第2.2.5条规定，防洪墙抗滑和抗倾安全系数不应小于下表1和表2之值[2]。
上述安全系数的取值规定己收录入2000年颁发的《中华人民共和国工程建设标准强制性条文水利工程部分》[3];一些地方性堤防工程的设计规范或设计导则和大量堤防工程设计文件，均以此作为衡量建筑物的主要指标。《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区、丘陵区部分)SDJ 12-78》(试行)(以下简称《78基本规范》)表2的注说明，挡土墙是水工建筑物，故有的《海堤设计导则》直接把表1称为“挡土墙抗滑稳定安全系数”[4]。在另一国家标准的《建筑地基基础设计规范》(GB 50007―2002)(以下简称《建筑地基基础设计规范》)规定[5]：
“挡土墙的抗滑安全系数应不小于1.3”(与《建筑地基基础设计规范》与此前执行的(GBJ 7―89相同);
“挡土墙的抗倾安全系数应不小于1.6” (比此前执行的(GBJ 7―89)提高了0.1)。
从上可见，同样是国家标准，结构形式相似且功能类近，但作为水利水电工程的防洪墙，其失事后造成的损失远大于普通挡土墙，而无论是它的抗滑还是抗倾的安全系数都明显低于后者，显然不合理。
2、计算方法和合理性分析
2.1 抗滑安全系数计算方法
众所周知，结构安全系数的取值是和它所用的计算方法以及参数取值方法是密切相关的，三者不可分割地组成一个完整的工程安全评价系统。对不同的计算方法和参数取值方法，应相应有不同的安全系数。有些堤防设计的地方性法规或导则[4]在套用表1和表2时，连应采用什么计算方法和指标选择方法也未作准确的说明和规定，这样盲目套用，难避免导致的设计失误甚至造成工程事故。
建议明确，抗滑稳定安全系数应使用只考虑基础破坏面上的摩擦作用、不计及粘结力(或凝聚力)C的抗剪强度公式即纯摩公式进行计算;若采用包含C值在内的抗剪强度进行抗滑稳定计算时，必须采用另外的、与之相应的安全系数。
2.2 岩基上的防洪墙的抗滑安全系数
岩基上的防洪墙的结构和功能类似于较矮的重力坝，《堤防设计规范》颁布时所执行的《重力坝设计规范(试行)》(SDJ21―78)用纯摩公式计算的安全系数要求如下表3。
用抗剪断强度方法计算时，规定安全系数“不分级别，基本组合采用3.0;特殊组合(1)采用2.5;特殊组合(2)不小于2.3”(上述条文己含其后的补充规定)。
由二者比较可见：
第一、 防洪墙和重力坝的抗滑安全系数，对 1、2级建筑物，前者比后者大0.05;3级建筑物则完全相同。但防洪墙若按《堤防设计规范》规定、用“抗剪强度”之一的抗剪断强度方法计算出的抗滑安全系数，比同一等级重力坝按“抗剪强度”公式计算的抗滑稳定安全系数小得多，后者约为前者的2.4～2.6倍。
第二、 重力坝与岩基接触面的结合，无论在设计还是施工的要求，比一般防洪墙要严格得多。现阶段的防洪墙设计，很少(亦无明确规定)按《水利水电工程地质勘察规程》，对“岩基”与防洪墙基础接触面的风化程度进行严格的划定;处理亦缺乏严格的、具体的技术标准，据笔者多年所见，大多数防洪墙是参照《建筑地基基础设计规范》对普通挡土墙的要求设计和提出施工技术要求。因而无论是己建还是在建的防洪墙，其基础与“岩基”的结合强度远比重力坝低。
第三、重力坝基础与地基间，用纯摩公式计算的摩擦系数是用光面试件进行的，当计算得抗滑稳定安全系数为1.0时，实际安全系数已约为2;而防洪墙目前往往受客观条件限制，例如数量很大，难以完成所需的、有代表性的原位或室内试验，多采用经验值(如《建筑地基基础设计规范》列举的参考值等)，其计算的安全系数潜在富裕值远低于重力坝。
若按《堤防设计规范》的要求设计防洪墙，尽管用表1规定岩基上防洪墙的抗滑安全系数，对1、2级建筑物己略大于重力坝，但低于用几乎是同样方法设计和施工的挡土墙，防洪墙失事后果却远较普通挡土墙严重。因而采用表1设计防洪墙，是明显地不安全和不合理的。
2.3土基上的防洪墙的抗滑安全系数
2.3.1对滑裂面发生在基础底面下方的深层滑动
《堤防设计规范》附录规定，防洪墙的抗滑稳定分析采用瑞典圆弧法或改良圆弧法进行计算。但是：
(1)《堤防设汁规范》颁布时，土坝坝坡稳定分析用《碾压式土石坝设计规范》(SDJ 218―84)(以下简称《土坝设计规范》)规定瑞典圆弧法进行计算，其安全系数不得小于表4(见《土坝设计规范》表2.2.3)。
比较表1和表4可见：
(1)虽然在正常运用条件下，1～4级防洪墙的抗滑最小安全系数比相同级别土坝坝坡抗滑安全系数大0.05， 5级防洪墙与5级土坝坝坡抗滑安全系数相同;在非常运用条件下，相同级别的防洪墙和土坝坝坡抗滑安全系数基本相同;但对5级防洪墙在正常运用条件和2级以下防洪墙在非常运用条件下的深层滑动的安全系数，均小于《建筑地基基础设计规范》规定的、当挡土墙基础发生深层滑动时的安全系数1.2。
(2)表面上看，似乎土基上防洪墙的抗滑安全系数已略大于坝坡的抗滑安全系数。但是，土坝发生滑动失稳时，破裂面的形状一般是近似于球面的曲面或是包含若干个平面的三维空间曲面。据有关研究证明[3]，按三维空间滑动面计算出的边坡稳定安全系数，在无软弱夹层时比按平面原始条分法的计算值约大8～11%;有软弱夹层时比按平面原始条分法的计算值约大20～23%;仅当滑坡纵向长度大于5～6倍坡高时才接近于二维计算的结果。对大多数土石坝而言，因适宜建坝的坝址多为不宽的河谷且坝高相对较大，当坡面出现滑动时，滑坡纵向长度往往小于5～6倍坡高，实际安全系数比通常假设为二维平面问题计算出的安全系数大。而一般的防洪墙高度并不大，绝大部分在发生滑动失稳时基本可归属于二维的平面问题。对同一级建筑物，如要求其安全度要基本相同时，防洪墙按平面问题计算的安全系数，理应比同一级别土坝实际发生三维的滑动面而按平面假设计算得到的安全系数大，其差值至少应反映按平面计算假设造成偏小的误差。与三维的分析成果比较，虽然表1的“土基上防洪墙抗滑安全系数”已略大于表4《土坝设计规范》规定的“土坝抗滑稳定安全系数”，但实际上仍然偏小。
(3)《土坝设计规范》规定，其坝坡稳定分析中采用各土层的强度指标，是采用各土层不少于11组试样的、按规定试验方法得出参数的小值平均值。但对大多数堤防工程的防洪墙，若要在每一可能滑动的堤段或地质单元段内，按规定取足够的土样试验去统计小值平均值的抗剪强度，其取样和试验的总工作量比普通的土坝要大得多。据笔者了解，在目前条件下不仅是3、4级堤防工程，即使是需进行加高培厚的1、2级堤防工程，按此规定操作的可能性也很小。因而实际上在防洪墙的稳定分析中，有些是用组数很小的统计值，很难准确地反映与使用安全系数相匹配的、滑动面自身的抗剪强度;有些则用算统计参考值(见《水利水电工程地质勘察规范GB 50287-99》附录D.0.2)乘以0.85～0.9的折减系数或由地质专家提供的经验值(接近统计的算术平均值)，据笔者的初步分析，用算术平均值计算出的稳定安全系数比用小值平均值计算出结果，往往大10～20%以上。即使采用的安全系数增加了0.05仍不能补偿参数取值不当的误差。如果分析结果是安全的也可能是假象，实际安全度是不足的。
2.3.2滑裂面发生在地基与基础的接触面
根据《堤防工程设计规范》的第8，2，8条规定，抗滑稳定应用纯摩公式(1)计算。尽管对于重要的堤防工程，理论上其基础与地基间的摩擦系数f可以通过原位或室内试验来确定，但《堤防规范》没有明确规定与安全系数匹配的试验组数和取值方法。从《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(平原、滨海部分)SDJ 217-87》(试行)的编制条文可知，防洪墙的安全系数取值，是与1984年颁布的《水闸设计规范》中水闸的稳定安全系数基本相同(见附录)。由于通常防洪墙的高度较矮而堤线较长，每组试验代表的工程数量远小于水闸和其它工程量较集中的枢纽工程;要取得同等代表性的防洪墙基础摩擦系数f的试验值，其试验工作量和耗费资金远远大于水闸的抗剪强度试验，往往超过目前大多数工程按当前有关规定的承受能力。若试验数量不足则很难反映整个防洪墙工程基础与地基接触的强度条件;若只做少量组数的试验，则代表性不足，实际上的参考意义不大。目前较普遍的亦是没有做试验，仅采用地质专家推荐的经验值或参考《水利水电工程地质勘察规范》、《建筑地基基础设计规范》或其它规范提供“可以选用”的建议值，后者的变化幅度往往达20～30%甚至更大。表1列举的安全系数未能完全涵盖基础摩擦系数的取值误差;特别是对于2级及其以下等级的堤防工程，安全系数明显低于同几乎是同样方法设计和施工的、失事后果严重性却可能较低的挡土墙，显然是不安全和不合理的。
2.4 抗倾安全系数
《堤防工程设计规范》除规定了表2的安全系数外，还在第8.2.9条中规定“防洪墙在各种荷载组合的情况下，基底最大压应力应小于地基的允许承载力。土基上的防洪墙基底的压应力最大值与最小值之比的允许值，粘土宜取1.5～2.5;砂土宜取2.5～3.0”。实际上，抗倾安全系数与防洪墙基底的应力状态是密切相关的。设有如图1所示的防洪墙基础横剖面，e为垂直力合力W至转动中心A的水平距离;O为W与水平力合力W0作用线与基底的交点;b为基础水平宽度。由材料力学方法可求得不同e/b和最大和最小应力比 时，相应的抗倾安全系数k值，详见表5。通常e/b大于0.5(两边对称布置的防洪墙)和小于0.75(有很长的前趾板)，多在0.6～0.65之间。由表5可见，若为满足《堤防规范》第8.2.8条有关基础最大和最小应力比的要求，必须有远大于表2规定的抗倾安全系数。
表6为当要求基础后趾(图1的B点)不出现拉应力时的抗倾安全系数;表7为不同e/b值和不同抗倾安全系数k时，基础最大应力与按基础总宽b计算的平均应力的比值 。由表6和表7可见：按常规抗倾安全系数设计防洪墙时，其后趾有可能出现拉应力，使基础与地基局部脱离接触。若水压力在这一侧，基础的渗透压力会随之增大，倾覆力矩亦会加大，可能会出现不利于抗倾覆稳定的恶性循环。当抗倾安全系数过低例如接近1.3时，则基础后趾和地基脱离接触后，位于前趾的基础最大应力达到以基础宽度b计算的平均应力的4～5倍。如果墙体较高，地基较软，基础前趾下的地基可能因受过大的挤压应力产生塑性变形，从而使地基出现较大的不均匀沉降，导致墙向前倾，e/b继续减小， 继续增大，亦形成恶性循环，最终可能导致墙体发生倾倒破坏。这此可能是《建筑规范》在编制说明中认为“现实工程中倾覆稳定破坏的可能性又大于滑动破坏”的主要原因之一。
因《堤防规范》第8.2.9条是用“宜”来要求基础两侧的应力比，是允许稍有选择而不是严格的要求。实际上控制基础最大和最小应力比的目的，在于防止基础两侧产生过大的不均匀沉陷，影响防洪墙的正常功能。《建筑地基基础设计规范》无论是1989版还是2002版除了有较大的抗倾安全系数、要求基础最大应力不大于1.2倍“修正后的基础承载力特征值”外，只要求“承重结构的局部倾斜”不大于0.002(中、低压缩性土)或0.003(高压缩性土)，即以变形控制为准;对没有明确物理意义的最大和最小应力比没有提出要求，是概念此较清晰和比较合理的。
3、结论和建议
安全系数是和一定的计算方法和参数选择方法相适应，三者组成一个缺一不可的、完整的建筑安全评价系统，不同的计算方法和参数取值方法，应相应有不同的安全系数。因现《堤防工程规范》的抗滑和抗倾安全系数明显偏小，在明确规定防洪墙合理计算方法和参数选择方法后，应尽快对其中相互矛盾的条文及其安全系数作合理的调整。因挡土墙量大面广、实践经验较多;《建筑地基基础设计规范》对挡土墙的安全评价系统，己在1978版的基础上，又经历了1989版和2002版两次修编，相对较接近实际。在《堤防工程设计规范》的安全评价系统未经充分论证和修改完善之前，建议暂以《建筑地基基础设计规范》对挡土墙的安全评价系统为基础进行修正。即：
(1)当滑动面为基础与地基的接触面时，5级堤防的防洪墙的抗滑安全系数，应不小于用同样计算方法和同样参数选择方法的挡土墙的安全系数1.3;对级别较高堤防的防洪墙，抗滑安全系数应以1.3为基础，逐级适当加大。
(2)当滑动面在基础与地基的接触面以下、发生深层滑动时，对5级堤防的防洪墙的深层滑动的安全系数，在正常运用及可能出现机率较高的异常运用条件下，其抗滑安全系数应不小于用同样计算方法和同样参数选择方法的挡土墙的安全系数1.2;对级别较高堤防的防洪墙，抗滑安全系数应以1.2为基础，逐级适当加大。
(3)《堤防工程设计规范》列举的抗倾安全系数不合理地偏小。在未系统修偏之前，建议5级堤防的防洪墙的抗倾安全系数，暂乏为不小于《建筑地基基础设计规范》规定的挡土墙抗倾安全系数1.6;级利较高者逐级适当加大。今后应尽快与有关行业和部门共同研究。分岩基和土基提出不再互相矛盾的各种类型挡土墙和防洪墙的抗倾安全系。
(4)《堤防工程设计规范》第8.2.9条对“土基上的防洪墙基底的压应力最大值和最小值之比的允许值”，提出的虽然是“允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做”的“宜”要求，但这基底的压应力最大值和最小值之比的指标，并不能完整地反映防洪墙基础不均匀沉降的程度;由上表5可见，有时为满足这条要求，不得不加大结构断面，增加抗倾安全系数，而这不一定是保证防洪墙正常工作所必须，必然造成浪费。根据现代土力学已将基础以应力控制为主改为以变形控制为主的总发展趋势，建议《堤防工程设计规范》取消“土基上的防洪墙基底的压应力最大值和最小值之比的允许值”的要求，改为：
第一、严格控制基底最大应力，保证基础和地基(包括局部)不会发生脆性或塑性破坏;
第二、对较重要的、土基上的防洪墙，应用现代岩土力学应力和应变的本构关系，进行地基变形核算，保证墙体发生的整体沉降和倾斜不会危及防洪墙的安全和影响防洪墙的使用功能。
参考文献 ：
[1] 张益善.中华实用水利大辞典.南京大学出版社， 1995：640
[2] 堤防工程设计规范(GB 50286―98)：4，108，29，92
[3] 中华人民共和国工程建设标准强制性条(水利工程部分)2000年：3-3-9
[4] 广东省水利厅.广东省海堤工程设计导则.中国水利水电出版社，2004：47
[5] 建筑地基基础设计规范(GB 50007―2002)：43～45
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