【摘 要】水工结构的安全性关系到国家财产和人民的生命安全，随着水工结构的建成并投入运行，相关的安全性问题也逐渐显现。部分水工结构安全问题通过肉眼发现并采取一定的措施修复，但同时，在结构内部的安全隐患很难通过简单的方式被发现，对水工的整体安全构成威胁。本文以水库大坝的安全性评价体系为研究对象，讨论建立水工结构的安全评价体系，采取相应的技术手段和评价指标对水工结构的安全性和健康性进行综合评定。
【关键词】水工结构；安全性；评价
0.引言
水工结构的安全性关系到国家财产和人民的生命安全，随着水工结构的建成并投入运行，相关的安全性问题也逐渐显现。部分水工结构安全问题通过肉眼发现并采取一定的措施修复，但同时，在结构内部的安全隐患很难通过简单的方式被发现，对水工的整体安全构成威胁。本文以水库大坝的安全性评价体系为研究对象，讨论建立水工结构的安全评价体系，采取相应的技术手段和评价指标对水工结构的安全性和健康性进行综合评定。
1.水工结构安全性评价体系及其规定
目前，现行的水工结构安全评价体系都是以实践为基础，以长期的监测处理数据为依托，以理论分析和模拟为支撑形成的，以大坝为例，目前已形成了《水库大坝安全评价导则》、《水库大坝安全鉴定办法》等文件，指导和规范水库大坝的明确了以工程质量、运行管理、防洪标准、结构安全、渗流安全、抗震安全以及金属结构安全等为主要内容的安全评价体系，同时确定了大坝安全评价、大坝安全鉴定技术审查、大坝安全鉴定意见审定等安全鉴定程序和组织形式。有效规范了大坝的安全鉴定程序和鉴定方法，保证了鉴定结果的可用性和可靠性，提高了水库大坝的安全运行等级。
以水库大坝安全性评价为例，按照《水库大坝安全评价导则》规定，水库大坝的安全性等级可分为三类：大坝安全可靠，能按照设计标准正常运行的定为一类坝；坝体结构基本安全，可靠性基本达标，能够在加强监控状态下运行的，定为二类坝；坝体结构已出现失稳现象，有明显安全隐患的属于病险水库大坝。在现行的安全评价体系中，评价的主体一般为水工结构的主体工程和核心功能区，评价的结果一定是以安全性和可靠性等级为核心；评价的对象是建成完成竣工验收并投入使用水工结构主体工程，以及需要定期巡检的水工结构。
2.传统的水工结构安全性评价方法研究
水工结构一般都是在XYZ三个方向上尺寸相差不大的大体积结构，在不同方向的荷载和约束应力的作用下，会出现变形和失稳等现象，其影响因素复杂，因此，水工结构的安全性评价一直是工程技术人员和科技工作者关注的重点，由于所处的时期的科技水平和研究手段的不同，出现了多种的安全评价方法，但研究方法的总体趋势是由简单走向复杂，有定性逐步发展为定量，结果趋于准确，对实际工作的指导意义进一步增强。
2.1刚体极限平衡法
刚体极限平衡法是上世纪六十年代中期常用的结构安全分析方法，出发点是利用结构力学或材料力学方法分析结构的应力、变形和安全性，以解析法和工程类比法为主。所谓刚体极限平衡法就是假定岩土体的破坏是由于滑体内滑动面上发生滑动而造成的，滑动面上土体服从破坏条件，假设滑动面已知，其形状可以是平面、圆弧面、对数螺旋面或其它不规则曲面，通过考虑由滑动面形成的隔离体的静力平衡，确定沿这一滑面发生滑动时的破坏荷载。该方法概念明确、计算公式简单，对简单的边坡、重力坝等水工结构的安全性评价具有一定的指导意义。但对于滑动面相对复杂，难以确认的水工结构，该方法因为未考虑水工结构本身和对象的变形协调性等因素，计算的结果准确度较差。
2.2有限单元法
有限元方法引入水工结构安全性评价体系中始于上世纪七十年代初，其主要优点是弥补了刚体极限平衡法在安全分析是未考虑材料的本构关系和对象的变形协调性的问题，使得数值计算在水工结构安全性分析中得到广泛的应用。有限元法的核心思想是将极度不规则的水工结构划分为若干个规则的单元，通过节点将规则单元连接，满足变形协调条件、平衡条件和边界条件。其优点主要体现在：可以对结构复杂、质地不均的各种复杂的水工结构进行分析;可以在计算中模拟各种复杂的材料本构关系、荷载和条件;由于前后处理技术的发展，可以很方便地建立模型，很直观地分析结果。
2.3边界积分方程法
边界积分方程法的核心思想是在对水工结构数值模拟的边界区域进行单元剖分，将求解的维数降低了一维，该方法的优点是计算精度高，应力和位移具有同样的精度。当需要模拟和解析水工结构内部离散部位的安全性是，有限元法的方法是对整个结构进行剖分，对整个结构体进行数值模拟和计算，以获取单个个体的求解信息；边界元法的思路是利用已知的边界解，根据需要求解物体内部预知点的解，计算量远远小于有限元法。边界积分方程法的确定是求解发杂，不适用于面体比比较大的薄壁结构以及奇异边界结构。
3.基于能量理论的水工结构安全评价方法
水工结构的安全稳定性与整体结构的变形能的平衡密切相关，通过变形能能够反映水工结构的整体状态，近年来，通过考察系统在各种外因(如荷载，约束等)和内因(如岩体质量，结构形状等)变化下的变形能变化，判断水工结构整体安全状况成为研究的热门。
3.1采用变形能方法分析水工结构的整体安全性
水工结构在受到外力作用或自然应力发生变化时会导致结构的失稳破坏，破坏前后整个结构体所处的状态是截然不同的，其总的应变能会发生突然的变化。这一点是采用能量方法对水工结构稳定安全性进行评价的前提条件和立足点。通过计算结构在外界条件变化的过程中总的变形能，分析变形能的变化趋势，可以判别结构的安全性。要从变形能角度对结构进行安全性分析，首先必须算出应变能。由于水工结构的工作特点、受力状态、整体结构、破坏方式存在巨大的差别，因此应变能的计算也要根据研究对象的不同实际确定。采用变形能方法分析水工结构的整体安全性的常用方法有长方柱体单轴压缩破坏分析法、重力坝破坏过程安全性分析法、受内压破坏分析法、直立高边坡分析法等。
3.2基于能量突变理论的水工结构安全性确认
通过对水工结构的变形能在外界条件变化情况下发生的突然变化的分析可以定性的确认安全性状态，采用能量突变理论则是定量的对安全性存在的实际问题做评价。目前，较为成熟且在实际应用中具有较好效果的突变理论是尖点突变理论。该理论主要是用来分析四次幂函数的极值点的个数随参数的变化情况。尖点突变理论的主要特性是多模态性、不可达性、突跳性、发散性、滞后性。通过尖点突模型可以定量的模拟出水工结构突变特征值，对模拟的突变特征值小于0的，说明水工结构的状态发生了突变，存在较大的破坏风险。
4.结论
水工结构的安全性关系到整个工程的使用寿命、维护成本以及工程涉及到的广大人民群众的生命财产安全，因此，其重要性不言而喻。随着我国对水利基础设施投入力度的不断加大以及原有投入的延续，我国运行和在建的水工结构的数量也在逐年攀升，保证这些水工结构运行的安全意义重大。本文在分析我国水工结构安全性评价体系及其规定的基础上，对传统的水工结构安全性评价方法进行比较分析，并有针对性的总结了目前先进的基于能量突变理论的水工结构安全评价方法，其结果对指导水工结构的安全性评价具有一定的指导意义。
【参考文献】
［１］卓家寿等.工程稳定问题中确定滑坍面、滑向与安全度的干扰能量法[J].水利学报.2007，8:80-85．
［２］陈祖煌.拱座稳定的三维极限分析[J].水利学报.2001，:81-6．
［３］蔡美峰，孔广亚等.岩体工程系统失稳的能量突变判断准则及其应用[J].北京科技大学学报.1997，19(4):325-328．
［４］黄润秋，许强.突变理论在工程地质中的应用[J].工程地质学报.2010，(l1):65-73．
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