本发明涉及水利建设技术，尤其涉及一种混凝土重力坝规范抗剪断分项系数的确定方法。
背景技术：
当材料性能、作用、尺寸等设计指标的概率特性如概率分布类型、均值、变异系数等统计参数一定时，根据可靠性理论，由结构极限状态方程确定的分项系数和结构系数，在本文称为单一条件分项系数和结构系数。其中所述分项系数包括材料性能、作用等在内的各种设计指标分项系数。显然，这里的“单一条件”指的是某一特定的设计指标概率特性。当设计指标的概率特性变化后，相应分项系数与结构系数也发生改变。
和满足目标安全可靠度的结构单一条件分项系数和结构系数不同，对于规范分项系数极限状态设计方法中的分项系数和结构系数，亦即设计分项系数与结构系数，是要求采用它们设计的结构在各种材料性能及作用等条件下均要达到要求的安全可靠水准，或者在整体上达到要求的安全可靠水准，这也是确定规范分项系数的原则。
为实现这一目标，目前国内外在规范修编或编制过程中主要采用两种途径(或方法)。第一种途径是先计算出结构满足目标安全可靠度的各单一极限状态方程分项系数与结构系数，然后再利用平均或其它方法从中提出规范用分项系数与结构系数。《混凝土重力坝设计规范》(nb/t35026-2014)抗剪断参数分项系数和结构系数即是采用这种途径确定的。这种研究途径符合逻辑，但其缺点是，由于对应满足目标安全可靠度的各单一极限状态方程分项系数与结构系数变化通常都较大(因篇幅限制，有关单一条件分项系数计算结果略)，后面不论采用什么方法来确定设计分项系数与结构系数，都因先天不足，采用它们设计大坝的安全可靠度最多只能在某一特定条件下可以满足目标安全可靠度要求，而条件一改变，设计大坝的安全可靠度则满足不了目标要求。
第二种途径是，先定设计分项系数，后定结构系数。这种途径是目前规范确定设计分项系数与结构系数的主要方法。例如《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(gb50199－2013)及电力行业《混凝土拱坝设计规范》(dl/t5346-2006)等规范即是采用这种途径确定分项系数与结构系数的。由于一方面单一极限状态方程分项系数与结构系数的离散大，事先确定恰当的设计分项系数有难度(事实上是无法做到的)，另一方面则是在有的情况下，例如在有两个材料参数——抗剪断摩擦系数与凝聚力的建筑物抗滑稳定分析中，事先确定的设计分项系数，例如抗剪断摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数之比，对设计结构的安全可靠度在各种条件下整体上是否满足目标要求影响极大。再加后面可调的只有结构系数一个，无论采用什么方法来确定设计结构系数都难于保证设计大坝在整体上满足目标安全可靠度要求。因此，对于有两个材料参数的抗剪断稳定分析，采用第二种研究途径是无法获得满意的设计分项系数与结构系数的。
为避免上述问题出现，使重力坝在不同坝高、不同材料力学特性下具有与水利重力坝规范一致的稳定安全可靠水平，这里将提出不同以往的新方法来研究确定重力坝规范抗剪断参数分项系数与结构系数。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种混凝土重力坝规范抗剪断分项系数的确定方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种混凝土重力坝规范抗剪断分项系数的确定方法，包括以下步骤：
1)根据混凝土重力坝滑动面的材料力学性质确定抗剪断摩擦系数和凝聚力标准值；
2)若为一种材料的规范结构系数与分项系数确定，转入步骤2.1)；若为一种以上材料的规范结构系数与分项系数确定，转入步骤2.2)；
2.1)建立确定规范抗剪断参数分项系数和结构系数的同调-无单一工况安全可靠度约束的模型；模型如下：
η(γf′,γc′,γd)＝1；
其中，k′i(γf′,γc′,γd)为基于分项系数极限状态设计方法设计的第i个坝高下的大坝稳定安全系数，[k′]为水利规范设计稳定安全系数；δk′i为第i个坝高大坝的稳定安全系数与水利规范设计稳定安全系数的差值；n为从低坝到高坝的坝高数目；i＝1,2,…,n；η(γf′,γc′,γd)为抗力作用比系数，为材料抗剪断参数分项系数和结构系数的函数；
γd为结构系数，γf′为抗剪断摩擦系数分项系数，γc′为抗剪断凝聚力分项系数；
2.2)建立确定规范抗剪断参数分项系数和结构系数的同调-无单一工况安全可靠度约束的模型；模型如下：
约束条件：
η(γf′,γc′,γd)＝1
其中，k′ji(γf′,γc′,γd)为抗剪断参数取第j个组合时，采用分项系数方法设计的第i个坝高下的稳定安全系数，[k′]为水利规范设计稳定安全系数；δk′ji为抗剪断参数取第j个组合时，第i个坝高大坝的稳定安全系数与水利规范设计稳定安全系数的差值；n为从低坝到高坝的坝高数目；i＝1,2,…,n；m为材料各力学参数的可能取值组合数；j＝1,2,…,m；η(γf′,γc′,γd)为抗力作用比系数，为材料抗剪断参数分项系数和结构系数的函数；
γd为结构系数，γf′为抗剪断摩擦系数分项系数，γc′为抗剪断凝聚力分项系数；
3)根据上述模型，获得设计分项系数与结构系数。
3.1)设定坝高和结构系数取值范围和步进间隔；拟定一系列坝高和结构系数；
3.2)对每一结构系数，计算确定相应的最优摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数：
3.2.1)在抗剪断摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数的可能取值范围内，取定一系列抗剪断摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数组合；
3.2.2)对每一组抗剪断摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数组合，结合结构系数，采用分项系数极限状态设计公式，由抗力作用比系数为1，反算出不同坝高下的大坝下游坝坡坡度；其中，抗剪断摩擦系数与凝聚力标准值按该类材料常用值取定。
3.2.3)对每一组抗剪断摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数组合，计算不同坝高大坝的稳定安全系数，获得大坝稳定安全系数与设计稳定安全系数的差值δk′i；再计算该组分项系数与结构系数组合下的大坝整体偏离水利规范设计安全系数的相对差值绝对值之和
3.2.4)对比各抗剪断摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数组合下的稳定安全系数整体偏离度——相对差值绝对值之和，以其最小值对应的摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数作为该结构系数下的最优材料分项系数；
3.2.5)对比各拟定结构系数下优定分项系数组合对应的稳定安全系数整体偏离度，以稳定安全系数整体偏离度最小的一组分项系数与结构系数作为设计分项系数与结构系数。
上述方案中，水利规范稳定设计安全系数可替换为目标可靠指标，则对应的稳定安全系数替换为抗剪断稳定可靠指标。后一种规范分项系数计算方法(即基于目标可靠指标的规范分项系数计算方法)相比前者(即基于设计安全系数的规范分项系数计算方法)可以更精确地反映重力坝材料抗剪断参数的不确定性和度量大坝安全可靠程度。
本发明产生的有益效果是：本发明提出了一种新的规范抗剪断参数分项系数和结构系数的确定方法：同调—无单一工况安全可靠度约束的优化计算方法，该方法以大坝稳定安全可靠度整体偏离设计(目标)安全可靠度最小为目标函数，以抗力作用比等于1为约束条件，通过抗剪断参数分项系数与结构系数不分先后一起调整，以及抗剪断参数分项系数与结构系数不受单一工况大坝需满足设计安全可靠度限制，采用优化方法求得规范分项系数与结构系数，获得满意的设计分项系数与结构系数。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2是本发明实施例的整体平均相对差值最小、最大的分项系数设计法与水利规范的稳定安全线对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种混凝土重力坝规范抗剪断分项系数的确定方法，包括以下步骤：
1)确定混凝土重力坝滑动面的材料，根据混凝土重力坝滑动面的材料力学性质确定抗剪断摩擦系数和凝聚力标准值；
2)若为一种材料的规范结构系数与分项系数确定，转入步骤2.1)；若为一种以上材料的规范结构系数与分项系数确定，转入步骤2.2)；
2.1)建立确定规范抗剪断参数分项系数和结构系数的同调-无单一工况安全可靠度约束的模型；模型如下：
约束条件
η(γf′,γc′,γd)＝1(3)
其中，k′i(γf′,γc′,γd)为基于分项系数极限状态设计方法设计的第i个坝高下的大坝稳定安全系数，[k′]为水利规范设计稳定安全系数；δk′i为第i个坝高大坝的稳定安全系数与水利规范设计稳定安全系数的差值；n为从低坝到高坝的坝高数目；i＝1,2,…,n；η(γf′,γc′,γd)为抗力作用比系数，为材料抗剪断参数分项系数和结构系数的函数；
γd为结构系数，γf′为抗剪断摩擦系数分项系数，γc′为抗剪断凝聚力分项系数；
2.2)建立确定规范抗剪断参数分项系数和结构系数的同调-无单一工况安全可靠度约束的模型；模型如下：
约束条件
η(γf′,γc′,γd)＝1(6)
其中，k′ji(γf′,γc′,γd)为抗剪断参数取第j个组合时，采用分项系数方法设计的第i个坝高下的稳定安全系数，[k′]为水利规范设计稳定安全系数；δk′ji为抗剪断参数取第j个组合时，第i个坝高大坝的稳定安全系数与水利规范设计稳定安全系数的差值；n为从低坝到高坝的坝高数目；i＝1,2,…,n；m为材料各力学参数的可能取值组合数；j＝1,2,…,m；η(γf′,γc′,γd)为抗力作用比系数，为材料抗剪断参数分项系数和结构系数的函数；
γd为结构系数，γf′为抗剪断摩擦系数分项系数，γc′为抗剪断凝聚力分项系数；
3)根据上述模型，获得设计分项系数与结构系数。
3.1)设定坝高和结构系数取值范围和步进间隔；拟定一系列坝高和结构系数；
3.2)对每一结构系数，计算确定相应的最优摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数：
3.2.1)在抗剪断摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数的可能取值范围内，取定一系列摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数组合；
3.2.2)对每一组抗剪断摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数组合，结合结构系数，采用分项系数极限状态设计公式，由抗力作用比系数为1，反算出不同坝高下的大坝下游坝坡坡度；其中，抗剪断摩擦系数与凝聚力标准值按该类材料常用值取定。
3.2.3)对每一组抗剪断摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数组合，计算不同坝高大坝的稳定安全系数，获得大坝稳定安全系数与设计稳定安全系数的差值δk′i；再计算该组分项系数与结构系数组合下的大坝整体偏离水利规范设计安全系数的相对差值绝对值之和
3.2.4)对比各抗剪断摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数组合下的稳定安全系数整体偏离度——相对差值绝对值之和，以其最小值对应的摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数作为该结构系数下的最优材料分项系数；
3.2.5)对比各拟定结构系数下优定分项系数组合对应的稳定安全系数整体偏离度，以稳定安全系数整体偏离度最小的一组分项系数与结构系数作为设计分项系数与结构系数。
对于上述方法，需要说明的是：
①因抗剪断摩擦系数分项系数、抗剪断凝聚力分项系数与结构系数可相互独立一起调整，采用式(1)～式(6)来确定规范材料分项系数与结构系数时，无需像通常方法(类似基于单一条件分项系数、结构系数统计值来确定材料分项系数与结构系数方法，包括《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(gb50199－2013)等规范所用方法)那样需对材料参数的设计值取值方法事先加以规定，因而可避免其设计值怎样来取的问题。这里抗剪断参数设计值事实上就是通过大坝稳定安全度整体偏离目标安全可靠度最小来隐性确定的。
②对于抗剪断摩擦系数与凝聚力标准值，因式(1)～式(6)是直接以水利规范设计稳定安全系数为目标安全度，其具体数值确定方法与水利规范一致，按试验的小值平均值并结合现场情况和类似工程综合加以确定。
③对于作用分项系数，仍按《水工建筑物荷载设计规范》(dl5077-1997)采用。
④当采用大坝目标可靠指标来确定抗剪断分项系数时，式(1)～式(6)中相应的稳定安全系数及设计稳定安全系数分别改成稳定可靠指标和目标可靠指标即可。
一个实施例：
抗剪断摩擦系数与凝聚力标准值分别取1.1和1.1mpa时的大坝最优结构系数与分项系数
将式(1)～式(6)编制相应的计算机程序。通过计算，在抗剪断摩擦系数与凝聚力标准值分别取1.1和1.1mpa的情况下，表1、给出了各结构系数下的最优摩擦系数分项系数与凝聚力分项系数，以及采用相应结构系数、分项系数设计大坝的各坝高稳定安全系数相对差值绝对值之和、整体平均相对差值，其中列出结构系数小于1的计算结果只是为了反映偏差的一个变化情况。表2～表3还具体给出了若干结构系数与分项系数组合下的大坝摩擦系数安全储备、凝聚力安全储备、稳定安全系数、稳定安全系数累积相对差值、整体平均相对差值等指标，图2则是根据相应摩擦系数安全储备和凝聚力安全储备绘出的分项系数极限状态设计方法稳定安全线与水利规范稳定安全线的对比图，其中包括稳定安全系数整体离差最小与最大计算方案。摩擦系数安全储备和凝聚力安全储备的计算公式分别为式中：x+y＝[k′]，其中[k′]为设计稳定安全系数；∑w为坝基面上全部法向作用之和；∑p为坝基面上全部切向作用之和；a为坝基面的面积。
计算时，水利规范设计安全系数[k′]＝3；结构重要系数对30米坝高的大坝取1.0，对50米坝高的取1.05，对100米坝高以上的取1.1；设计状况系数取1.0；荷载分项系数按《水工建筑物荷载设计规范》(dl5077-1999)取值：坝上下游静水压力分项系数为1，渗透压力折减系数和坝前淤沙压力分项系数为1.2。
在优化计算中，为反映坝体型的影响，采用了以下3种坝剖面方案：
坝剖面方案1：大坝上游坝坡铅直，30米坝高顶宽5米，其余各坝高顶宽10米；
坝剖面方案2：大坝上游坝坡铅直，30米坝高顶宽3米，其余各坝高顶宽10米；
坝剖面方案3：大坝上游坝坡0.2，上坝面折坡点位置设在三分之一坝高处，30米坝高顶宽3米，其余各坝高顶宽10米。
从表、图2可以看出：
(1)改变坝顶宽度与上游坝坡度，对各结构系数下计算的最优抗剪断参数分项系数没有影响。
(2)对应各结构系数下最优摩擦系数与凝聚力分项系数所设计大坝的整体相对平均差值普遍小于2.5％，数值非常小。从相对差值最大、最小时的各坝高大坝稳定计算结果(表2～表3)，以及所作的分项系数设计公式与水利规范对比图1，可以看出，采用各组结构系数和分项系数设计大坝的稳定安全系数与水利规范吻合较好。
(3)为优中选优，在排除结构系数小于1的情况下(因在实际工程中，结构系数、材料分项系数都习惯用大于或等于1的数值)，依据整体偏差最小，由表1可选出最优的结构系数与摩擦系数分项系数、凝聚力分项系数分别为1、2.5和3。相应于这组最优结构系数与分项系数的大坝稳定安全系数平均整体相对差值为1.39％～1.83％。因偏差非常小，优先出的这组结构系数与分项系数的大坝稳定安全度与水利规范非常接近(见对比图2)。
表1基于稳定安全度偏离最小的分项系数和结构系数计算结果
表2γd＝1.0、γf′＝2.5、γc′＝3.0的大坝稳定计算
(整体离差最小，上游坝坡铅直，30米坝高顶宽3米，其余坝高顶宽10米)
表3γd＝1.8、γf′＝1.3、γc′＝1.8的大坝稳定计算
(整体离差最大，上游坝坡铅直，30米坝高顶宽3米，其余坝高顶宽10米)
上述结果是在抗剪断摩擦系数与凝聚力标准值分别取1.1和1.1mpa亦即凝聚力与摩擦系数比为1mpa得到的，而在实际工程中，凝聚力与摩擦系数之比是可能变化的。表4是由混凝土重力坝规范附录基岩等材料抗剪断参数值计算得到的各材料凝聚力与摩擦系数比最大最小值。从表可见，对于混凝土/基岩、基岩/基岩、混凝土/混凝土三类材料，凝聚力与摩擦系数比大部分大于0.5mpa(约80％)，其中除了ⅳ、ⅴ类基岩中的一小部分会出现小于0.5mpa外，ⅰ到ⅲ类基岩以及混凝土/混凝土的凝聚力与摩擦系数比均大于0.5mpa，其中最大值为1.88mpa，出现在ⅲ类基岩中，最小值为0.07，出现在ⅴ类基岩中。而对软硬结构面，因凝聚力普遍小，它们的凝聚力与摩擦系数比则绝大部分要小于0.5mpa，其中最大值为0.556，最小值为0.008。显然，对于ⅳ、ⅴ类基岩，有一部分材料的凝聚力与摩擦系数比与软硬结构面重叠。
表4基于混凝土重力坝规范附录抗剪断参数值的凝聚力与摩擦系数比
为了解不同抗剪断摩擦系数与凝聚力标准值的影响，申请人还针对混凝土/基岩、基岩/基岩、混凝土/混凝土以及软硬结构面，通过优化方法计算分析确定规范结构系数与抗剪断参数分项系数，其结果是：混凝土/基岩、基岩/基岩与混凝土/混凝土的规范抗剪断摩擦系数分项系数、凝聚力分项系数以及结构系数分别为2.5、3.0及1.0，软硬结构面的规范抗剪断摩擦系数分项系数、凝聚力分项系数以及结构系数分别为2.7、3.0及1.0。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。