擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)決策研究_第1頁
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擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)決策研究

摘要擋土墻作為一般土建工程的攔土建筑物常用在閘壩翼墻和渡槽、倒虹吸的進(jìn)出口過渡段,它的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題常被忽視。實(shí)際上各類擋土墻間的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益差別是相當(dāng)大的。而一些工程的現(xiàn)實(shí)條件又使一些常用擋土墻呈現(xiàn)出諸多方面局限性。黃壁莊水庫除險(xiǎn)加固工程的混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)的擋土墻建設(shè)在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面向前邁進(jìn)了一步,在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益方面取得明顯效果,其經(jīng)驗(yàn)可供同類工程建設(shè)參考。

關(guān)鍵詞減壓式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)決策研究黃壁莊水庫1問題與思路問題的提出為建設(shè)黃壁莊水庫副壩防滲墻,擬在副壩下游側(cè)樁號(hào)2+000和3+750處的壓坡平臺(tái)上興建2座產(chǎn)量200m3/h的大型混凝土生產(chǎn)系統(tǒng),該系統(tǒng)含2個(gè)長(zhǎng)×寬×高為60×60×一次儲(chǔ)量7000m3的儲(chǔ)料場(chǎng)和2座2×的強(qiáng)制式機(jī)組的拌和樓見圖1。由于副壩是整個(gè)水庫工程存在隱患最多的部位,水庫主管單位對(duì)在壓坡平臺(tái)上興建工程嚴(yán)加限制:一不得深挖;二不得寬挖。保證在除險(xiǎn)加固完成前副壩的安全度汛。在地形條件受限制的情況下,如何確保儲(chǔ)料場(chǎng)按計(jì)劃完成,關(guān)鍵在擋土墻設(shè)計(jì)。如何在眾多形式的擋土墻中選擇一種適合現(xiàn)場(chǎng)條件的檔土墻結(jié)構(gòu)是當(dāng)前必須研究的課題。檔土墻作為一般攔土結(jié)構(gòu)物,常用在閘壩的翼墻和渡槽、倒虹吸的進(jìn)出口邊墻及其他路堤擋土部位等。對(duì)這類工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題往往易被忽視。我們的實(shí)踐表明,各類擋土墻的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益有著相當(dāng)大的差別。本項(xiàng)研究,從工程實(shí)際出發(fā),意圖在如減壓式擋土墻、重力式擋土墻、懸臂式擋土墻和扶壁式擋土墻等四種結(jié)構(gòu)中進(jìn)行雙向優(yōu)選,即進(jìn)行本類的優(yōu)選設(shè)計(jì)和各類之間的優(yōu)選比較,最后確定一種技術(shù)、經(jīng)濟(jì)狀況最優(yōu)、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性最好的擋土墻方案用于本工程?,F(xiàn)將研究過程介紹如下。課題研究思路該課題的研究思路分三步的研究思路。第一步,首先確定方案比選的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。過去人們的觀點(diǎn)認(rèn)為擋土墻形狀各異,結(jié)構(gòu)不同,各有優(yōu)缺點(diǎn),要比較相當(dāng)困難。實(shí)際上任何形式的擋土墻功能都是擋土攔土,因此研究認(rèn)為,它們的正常擋土狀態(tài)就應(yīng)當(dāng)是一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),而這個(gè)正常的擋土狀態(tài)正是現(xiàn)行的規(guī)范狀態(tài),在規(guī)范狀態(tài)下這些參與比選的各類擋土墻是處在同一個(gè)設(shè)計(jì)水平上,因而可以比較。第二步,確定優(yōu)化設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)決策方法。眾所周知,任何擋土墻的穩(wěn)定性特征值都是擋土墻背填土物理力學(xué)特性的函數(shù),同時(shí)又受地基結(jié)構(gòu)特性的約束;對(duì)于擋土墻的經(jīng)濟(jì)造價(jià),又與結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的工程量及市場(chǎng)物價(jià)相關(guān)的分析單價(jià)密不可分。顯然,這些都是描述擋土墻特征的隨機(jī)變量。鑒于擋土墻具有上述特點(diǎn),因此可以認(rèn)為每類擋土墻也是離散隨機(jī)變量,采用數(shù)學(xué)期望準(zhǔn)則和優(yōu)勢(shì)比較準(zhǔn)則完全能夠?qū)⒑x散隨機(jī)變量的各個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)劣比較,按照定義,離散隨機(jī)變量的一切可能值Xi與對(duì)應(yīng)的概率P的乘積之和稱為數(shù)學(xué)期望,記為Mζ。如果隨機(jī)變量只取得有限個(gè)值:X1、X2、X3、……Xi,而取得這些值的概率分別是P、P、P……P則Mζ=X1P+X2P+X3P……XiP運(yùn)用到風(fēng)險(xiǎn)決策中來,以Mζ值最小為最優(yōu)方案。優(yōu)勢(shì)比較準(zhǔn)則實(shí)際是將方案的技術(shù)效益或造價(jià)進(jìn)行比較。當(dāng)方案Ⅰ的隨機(jī)變量S1、S2、S3、……Si與方案Ⅱ的隨機(jī)變量S1、S2、S3、……Si對(duì)應(yīng)相減,其值為“0”或“+”值,則方案Ⅰ有優(yōu)勢(shì);若相減后其值為“0”“0”“+”“-”或“0”“0”“-”“-”,則方案Ⅰ不存在優(yōu)勢(shì)。第三步,選取擬比較的能反映方案特性的隨機(jī)變量可能值。研究認(rèn)為,方案的規(guī)范狀態(tài),擋土墻的墻基應(yīng)力,墻基對(duì)圍巖的擾動(dòng)度參數(shù)——擋土墻的寬高比B/H和相對(duì)避擾度、工程造價(jià)及相對(duì)效益A等值,基本能描述擋土墻的特征,而且這些變量在分析過程中都能一一取得。故以它們作為研究比較的隨機(jī)變量是合理的。第四步,搜索各類擋土墻的規(guī)范狀態(tài)并按數(shù)學(xué)期望準(zhǔn)則和優(yōu)勢(shì)比較準(zhǔn)則分別考核各個(gè)待選方案。選出最優(yōu)秀方案。

2各類擋土墻的設(shè)計(jì)指標(biāo)確定計(jì)算擋土墻的土壓力理論目前計(jì)算土壓力的理論有多種,而各種理論又用各自不同的假設(shè)分析方法來求算土壓力。根據(jù)初步篩選,除減壓式擋土墻外,其余重力式擋土墻,懸臂式擋土墻和扶壁式擋土墻背墻頂與墻踵連線傾角均大于臨界角εer,本工程εer=45-ψ/2。盡管一些方案的墻背可能出現(xiàn)第二滑裂面,盡管采用的計(jì)算公式可能出現(xiàn)誤差,為方便起見確定統(tǒng)一采用郎肯主動(dòng)土壓力理論來計(jì)算各類擋土墻的主動(dòng)±壓力。初步分析估算,計(jì)算誤差不會(huì)導(dǎo)致大方案比較結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)位。有關(guān)郎肯主動(dòng)土壓力計(jì)算公式詳見圖2?,F(xiàn)行規(guī)范指標(biāo)與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)的物理力學(xué)特性?,F(xiàn)行規(guī)范指標(biāo)與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)的物理力學(xué)特性見表1。四種擋土墻的現(xiàn)行規(guī)范狀態(tài)的計(jì)算成果根據(jù)前述和節(jié)確定的數(shù)學(xué)模型和物理力學(xué)指標(biāo),無論用手算方式還是計(jì)算機(jī)搜索都可得到現(xiàn)行規(guī)范狀態(tài)下的擋土墻計(jì)算成果。詳見圖2、表2和表3。表2中的“GF”是“規(guī)范”二字的漢語拼音縮寫;“圍巖相對(duì)避擾度”意思指“圍巖避免擾動(dòng)的相對(duì)程度”,此相對(duì)值越大表明圍巖受擾動(dòng)越小,反之則越大。

3擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)決策按數(shù)學(xué)期望準(zhǔn)則的風(fēng)險(xiǎn)決策采用數(shù)學(xué)期望準(zhǔn)則風(fēng)險(xiǎn)決策之前先將表2中的第項(xiàng)和第項(xiàng)、表3中的第項(xiàng)集中到表4來,并認(rèn)為表中所有隨機(jī)變量X1、X2、X3的概率P、P、P值均為,則可算出a、b、c、d各方案的數(shù)學(xué)期望Mζ值,詳見表4。由表4可見,減壓式擋土墻Mζ值較小,而懸臂式擋土墻的Mζ值較大。比較結(jié)果表明,減壓式擋土墻在這四種擋土墻方案中為最優(yōu)方案。按優(yōu)勢(shì)比較準(zhǔn)則的風(fēng)險(xiǎn)決策在進(jìn)行優(yōu)勢(shì)比較準(zhǔn)則決策之前,先將表2中的第項(xiàng)第項(xiàng)和表5中的第項(xiàng)集列成表5并進(jìn)行優(yōu)勢(shì)比較。詳見表5。將表5中各個(gè)隨機(jī)變量相互比較發(fā)現(xiàn),減壓式擋土墻對(duì)其他三類擋土墻比較均得到“0”“0”“+”“+”,表明減壓式擋土墻方案比較優(yōu)秀,為首選方案。重力式擋土墻和扶臂式擋土墻方案對(duì)懸臂式擋土墻,比較結(jié)果也顯示“0”“0”“+”“+”,表明該兩者也有一定優(yōu)勢(shì),可作為備選方案??傊?,無論采用數(shù)學(xué)期望準(zhǔn)則還是采用優(yōu)勢(shì)比較準(zhǔn)則分別對(duì)減壓式擋土墻,重力式擋土墻、懸臂式擋土墻和扶壁式擋土墻進(jìn)行分析,結(jié)果基本一致。在規(guī)范狀態(tài)下,減壓式擋土墻方案對(duì)圍巖土擾動(dòng)較小、較好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)受限制的地形條件、工程量及造價(jià)較低,是被考核的四個(gè)擋土墻方案最具優(yōu)勢(shì)者。4減壓式擋土墻在黃壁莊水庫除險(xiǎn)加固工程混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用。減壓式擋土墻設(shè)計(jì)應(yīng)注意事項(xiàng)混凝土標(biāo)號(hào)應(yīng)為C20以上。進(jìn)行配筋計(jì)算時(shí)宜取安全系數(shù)K≥。并且墻底不得有虛土。減壓式擋土墻的施工注意墻體分段施工程序:先澆筑Ⅰ墻基底板——Ⅱ垂直墻體下半部分——Ⅲ減壓平臺(tái)以下的土方回填夯實(shí)——Ⅳ澆筑減壓平臺(tái)——Ⅴ澆筑垂直墻體上半部——Ⅵ減壓平臺(tái)以上回填。減壓式擋土墻應(yīng)用效果在儲(chǔ)料場(chǎng)的兩端,總長(zhǎng)4×40m=160m,墻高,墻基寬的減壓式擋土墻于1998年11月建成投入運(yùn)用。當(dāng)儲(chǔ)料7000m3時(shí),減壓平臺(tái)以上儲(chǔ)料高度h>4m,墻頂變形2mm,墻基變形為0,運(yùn)行正常。此種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在儲(chǔ)料場(chǎng)工程,減壓平臺(tái)可以代替部分混凝土硬化地面的工程量,一舉兩得,技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益明顯。5結(jié)語本項(xiàng)研究采用數(shù)學(xué)期望準(zhǔn)則和優(yōu)勢(shì)比較準(zhǔn)則對(duì)不同類型擋土墻方案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策獲得滿意的效果,使工程實(shí)際中提出的問題得到解決,是對(duì)擋土墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有益嘗試。減壓式擋土墻是本項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)決策研究比選的出的優(yōu)秀擋土墻方案。在黃壁莊水庫工程應(yīng)用結(jié)果表明,它的擋土效果與其他重力式擋土墻、懸臂擋土墻和扶壁式擋土墻相當(dāng),而工程造價(jià)僅為其他三類擋土墻的57%—81%、對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響僅為其他三類擋土墻的41%—44%,對(duì)受限

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