擋土墻優(yōu)化設(shè)計與風(fēng)險決策研究

擋土墻優(yōu)化設(shè)計與風(fēng)險決策研究

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、倒虹吸的進出口過渡段，它的優(yōu)化設(shè)計問題常被忽視。實際上各類擋土墻間的技術(shù)和經(jīng)濟效益差別是相當(dāng)大的。而一些工程的現(xiàn)實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)計方面向前邁進了一步，在技術(shù)和經(jīng)濟效益方面取得明顯效果，其經(jīng)驗可供同類工程建設(shè)參考。

關(guān)鍵詞減壓式擋土墻優(yōu)化設(shè)計風(fēng)險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2+000和3+750處的壓坡平臺上興建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個長×寬×高為60×60×一次儲量7000m3的儲料場和2座2×的強制式機組的拌和樓見圖1。由于副壩是整個水庫工程存在隱患最多的部位，水庫主管單位對在壓坡平臺上興建工程嚴加限制：一不得深挖；二不得寬挖。保證在除險加固完成前副壩的安全度汛。在地形條件受限制的情況下，如何確保儲料場按計劃完成，關(guān)鍵在擋土墻設(shè)計。如何在眾多形式的擋土墻中選擇一種適合現(xiàn)場條件的檔土墻結(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、倒虹吸的進出口邊墻及其他路堤擋土部位等。對這類工程的優(yōu)化設(shè)計問題往往易被忽視。我們的實踐表明，各類擋土墻的技術(shù)經(jīng)濟效益有著相當(dāng)大的差別。本項研究，從工程實際出發(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)中進行雙向優(yōu)選，即進行本類的優(yōu)選設(shè)計和各類之間的優(yōu)選比較，最后確定一種技術(shù)、經(jīng)濟狀況最優(yōu)、現(xiàn)場適應(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)。過去人們的觀點認為擋土墻形狀各異，結(jié)構(gòu)不同，各有優(yōu)缺點，要比較相當(dāng)困難。實際上任何形式的擋土墻功能都是擋土攔土，因此研究認為，它們的正常擋土狀態(tài)就應(yīng)當(dāng)是一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而這個正常的擋土狀態(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設(shè)計水平上，因而可以比較。第二步，確定優(yōu)化設(shè)計的風(fēng)險決策方法。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)，同時又受地基結(jié)構(gòu)特性的約束；對于擋土墻的經(jīng)濟造價，又與結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的工程量及市場物價相關(guān)的分析單價密不可分。顯然，這些都是描述擋土墻特征的隨機變量。鑒于擋土墻具有上述特點，因此可以認為每類擋土墻也是離散隨機變量，采用數(shù)學(xué)期望準(zhǔn)則和優(yōu)勢比較準(zhǔn)則完全能夠?qū)⒑x散隨機變量的各個方案進行優(yōu)劣比較，按照定義，離散隨機變量的一切可能值Xi與對應(yīng)的概率P的乘積之和稱為數(shù)學(xué)期望，記為Mζ。如果隨機變量只取得有限個值：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運用到風(fēng)險決策中來，以Mζ值最小為最優(yōu)方案。優(yōu)勢比較準(zhǔn)則實際是將方案的技術(shù)效益或造價進行比較。當(dāng)方案Ⅰ的隨機變量S1、S2、S3、……Si與方案Ⅱ的隨機變量S1、S2、S3、……Si對應(yīng)相減，其值為“0”或“+”值，則方案Ⅰ有優(yōu)勢；若相減后其值為“0”“0”“+”“-”或“0”“0”“-”“-”，則方案Ⅰ不存在優(yōu)勢。第三步，選取擬比較的能反映方案特性的隨機變量可能值。研究認為，方案的規(guī)范狀態(tài)，擋土墻的墻基應(yīng)力，墻基對圍巖的擾動度參數(shù)——擋土墻的寬高比B/H和相對避擾度、工程造價及相對效益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)勢比較準(zhǔn)則分別考核各個待選方案。選出最優(yōu)秀方案。

2各類擋土墻的設(shè)計指標(biāo)確定計算擋土墻的土壓力理論目前計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)一采用郎肯主動土壓力理論來計算各類擋土墻的主動±壓力。初步分析估算，計算誤差不會導(dǎo)致大方案比較結(jié)果出現(xiàn)錯位。有關(guān)郎肯主動土壓力計算公式詳見圖2?，F(xiàn)行規(guī)范指標(biāo)與現(xiàn)場地質(zhì)的物理力學(xué)特性?，F(xiàn)行規(guī)范指標(biāo)與現(xiàn)場地質(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算機搜索都可得到現(xiàn)行規(guī)范狀態(tài)下的擋土墻計算成果。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；“圍巖相對避擾度”意思指“圍巖避免擾動的相對程度”，此相對值越大表明圍巖受擾動越小，反之則越大。

3擋土墻優(yōu)化設(shè)計的風(fēng)險決策按數(shù)學(xué)期望準(zhǔn)則的風(fēng)險決策采用數(shù)學(xué)期望準(zhǔn)則風(fēng)險決策之前先將表2中的第項和第項、表3中的第項集中到表4來，并認為表中所有隨機變量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)勢比較準(zhǔn)則的風(fēng)險決策在進行優(yōu)勢比較準(zhǔn)則決策之前，先將表2中的第項第項和表5中的第項集列成表5并進行優(yōu)勢比較。詳見表5。將表5中各個隨機變量相互比較發(fā)現(xiàn)，減壓式擋土墻對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，可作為備選方案。總之，無論采用數(shù)學(xué)期望準(zhǔn)則還是采用優(yōu)勢比較準(zhǔn)則分別對減壓式擋土墻，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圍巖土擾動較小、較好地適應(yīng)現(xiàn)場受限制的地形條件、工程量及造價較低，是被考核的四個擋土墻方案最具優(yōu)勢者。4減壓式擋土墻在黃壁莊水庫除險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)計應(yīng)注意事項混凝土標(biāo)號應(yīng)為C20以上。進行配筋計算時宜取安全系數(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減壓平臺以下的土方回填夯實——Ⅳ澆筑減壓平臺——Ⅴ澆筑垂直墻體上半部——Ⅵ減壓平臺以上回填。減壓式擋土墻應(yīng)用效果在儲料場的兩端，總長4×40m=160m，墻高，墻基寬的減壓式擋土墻于1998年11月建成投入運用。當(dāng)儲料7000m3時，減壓平臺以上儲料高度h＞4m，墻頂變形2mm，墻基變形為0，運行正常。此種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在儲料場工程，減壓平臺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)濟效益明顯。5結(jié)語本項研究采用數(shù)學(xué)期望準(zhǔn)則和優(yōu)勢比較準(zhǔn)則對不同類型擋土墻方案進行風(fēng)險決策獲得滿意的效果，使工程實際中提出的問題得到解決，是對擋土墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的有益嘗試。減壓式擋土墻是本項風(fēng)險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)，而工程造價僅為其他三類擋土墻的57%—81%、對圍巖的擾動影響僅為其他三類擋土墻的41%—44%，對受限