第1章 绪论
1.1 长江干线航道整治建筑物现状
长江横贯东西，是连通东、中、西部地区的水运主动脉，是我国*重要的内河水运主通道，也是世界上运量*大、运输*繁忙的通航河流，对促进流域经济协调发展发挥了重要作用，素有“黄金水道”之称。随着我国国民经济和对外贸易的快速发展，提升长江黄金水道通过能力已成为支撑沿江经济社会发展的必然要求和迫切需要。2011年1月21日，国务院颁布了《国务院关于加快长江等内河水运发展的意见》（国发〔2011〕2号），将加快建设长江等内河高等级航道上升为***战略，并进一步提出加快推进长江干线航道系统治理，打造畅通、高效、平安、绿色黄金水道的要求。
随着中国经济的崛起，长江经济带在中国经济发展中起到重要的战略意义，其中航运对流域经济发展具有重大影响。而航道连续性差、通达性差和航运设施落后是目前制约长江运能释放的“三大难题”。为了让长江航运发挥其*大能量，就要求对航道等级进行提高，因此必须对碍航河段进行整治，目前长江干线及其主要支流都在重点整治当中。航道整治建筑物是在航道整治过程中用于提高或改善通航条件不可或缺的重要航道设施。随着长江干线航道宜宾合江门至江苏太仓浏河口段系统治理不断加快，航道整治建筑物越来越多。受自然条件变化、建筑物使用年限增长及人为因素的共同影响，航道整治建筑物在发挥改善通航条件作用的同时，其自身会发生变形或者损毁，当损毁达到一定程度，就会影响其功能的发挥。为此，航道维护单位需要投入大量人力、物力对航道整治建筑物进行观测、维修，以保障其结构稳定和功能正常发挥。
目前我国内河航道整治工程中已建整治建筑物受损或破坏的问题较为突出，直接影响整治效果并增加了航道维护的难度。以长江上游宜宾至重庆共372km长河段为例，在整治工程实施后，受坡陡流急和水沙动力因素急剧变化的影响，每年都造成整治建筑物及航道设施受损严重。根据长江航道局2008～2018年的统计，整个长江水道已建整治建筑物中有70%都出现了不同程度的水毁破坏现象，其中以坝体类整治建筑物及护滩软体排损坏程度*为严重。
航道整治的成败关键在于治理效果，而整治建筑物的稳定性是确保治理效果的重要基础。通过以往的经验，借用物理模型试验及数学模型进行模拟研究，能够为整治建筑物的水毁机理及水沙运动规律等问题的研究提供有效手段，并取得一定成果。但对于整治建筑物结构受力稳定及水毁程度量化计算方面的研究相对较少，相应的一些规范中对整治建筑物的稳定性计算公式都是在总结以往的一些设计与整治经验的基础上提出的，在很多方面不是很具体。目前，对整治建筑物稳定性分析一般是基于经验的安全系数法，它建立在确定性概念之上，应用时间长、使用范围广泛，并在实践中积累了丰富的经验。但这种方法*大的缺点是没有考虑模型和参数的不确定性，而这些不确定性，特别是参数的不确定性（即参数的变异性）对整治建筑物稳定性分析的灵敏度影响是相当大的。
在对整治建筑物水毁进行风险评价的过程中，传统定值方法无法给出水毁破坏的准确程度和风险评估预测，对防灾、减灾无法提供可靠的依据。对于水毁防治的多方案优选，传统的定值方法也无能为力。在整治建筑物水毁防御的多方案决策分析中，不同的保证率意味着不同的效益和损失，往往将那些效益大且承担的风险较小的方案作为*优设计方案。但在实际整治工程中，传统的定值方法由于没考虑方案的不确定性，计算出来的结果常出现以下两种错误：一种是计算出来的安全系数大于1，但实际中建筑物结构不稳定，发生破坏，造成重大损失；另一种是计算出来的安全系数小于1，但实际中建筑物结构保持稳定，没发生破坏，导致整治建筑物稳定性评价过于保守，造成巨大的浪费。
随着国际和国内建筑结构可靠性设计理论的日趋完善，可靠性设计方法已成为国际工程领域的一个共同发展趋势，而航道整治建筑物可靠性设计理论相对滞后。为了解决上述问题，本书作者结合近年来的研究成果，将建立在不确定性概念基础上的可靠性分析方法引入到整治建筑物的稳定性评价之中，将定值方法和可靠性方法进行有机结合，使两种方法互为补充，使整治建筑物稳定性评价更加科学化、精确化，更好地解决实际问题。
1.2 内河航道治理技术
内河航道整治工程常采用疏浚与整治相结合的措施进行治理，而整治所采取的建筑物按形式可分为丁坝、顺坝、锁坝、护滩软体排、导堤、鱼嘴、护岸、护底、溪口导石栏石建筑物等。
1.2.1 丁坝
早在20世纪50年代初期，国外就已开始对丁坝绕流和冲刷问题进行理论研究和试验。然而由于丁坝附近水流流动具有强烈的三维特性，直至20世纪70年代仍未能从理论上或实验上准确地描述丁坝绕流的一些细节问题。因此在解决治河工程中的丁坝问题时，常常借助于模型试验。近几十年来，丁坝绕流和冲刷研究取得了较大的进展，这些进展主要表现在对坝后回流区长度、宽度的认识，对丁坝绕流机理的揭示，对丁坝上、下游平面流场的理论探讨，丁坝局部水头损失，丁坝作用下河床演变规律以及丁坝绕流的数值模拟等。
丁坝的存在使得周围水流状况变得复杂。但目前，国内外对丁坝附近水流紊动特性及压力分布研究极少，更无水流紊动和压力脉动与丁坝周围冲刷关系的研究成果。
丁坝冲刷的研究是一个非常复杂的课题，由于产生局部水流的水力学问题异常复杂，在这个问题上研究者的观点也不一致，目前对丁坝坝头冲刷机理的认识，与桥墩局部冲刷的机理基本相同。由于研究方法和试验条件的差异，虽然目前已经取得了一定的研究成果，但研究者的观点与所得到的结果都存在着很大的差异，且由于现场测量丁坝坝头局部冲刷资料比较困难，目前用于计算丁坝坝头的计算公式大多数都是由试验资料推导得到的，因而需要从理论上对丁坝冲刷的机理、影响冲刷的因素、冲刷坑范围及体积的确定方法等开展深入系统的研究。
为了提高丁坝的稳定性，国内外对丁坝平面布置和结构形式进行了设计研究，采取了各种各样的丁坝防护措施，以防止水毁的发生。但由于不同国家、不同地区、不同河流在水文、泥沙、地质、地理、气象及设计水平、工程材料、施工工艺等方面的差异，丁坝水毁现象仍然很严重。当坝体损毁达到一定程度，就会影响其功能的发挥。为此，航道维护单位需要投入大量人力、物力、财力对整治建筑物进行观测、维修，以保障其结构稳定和功能正常发挥。为了对长江干流航道丁坝进行合理、适时的修复及维护，需要对丁坝的可靠度、使用寿命和防护措施等开展深入、系统的研究。
1.2.2 护滩建筑物
20世纪90年代，长江中下游航道整治工程拉开序幕，护滩工程开始出现，国内外护滩建筑物应用情况的调研资料表明，以护滩为目的的整治建筑物在国外研究较少，没有可供借鉴的理论和经验。由于密西西比河实现了全线渠化，除了堤防建设外，少见有护滩建筑物。而莱茵河的治理与开发方略为：兴利除弊，航运为先，因段制宜，多方兼顾，河流整治与流域经济开发、港口城市建设与产业布局紧密结合、融为一体。因此在内河航道网建设方面，从1895年基尔运河通航，到1938年终运河竣工，前后历时40余年，天然河流基本实现渠化。基尔、易北-吕贝克和中部三大人工运河沟通了易北河、威悉河和埃姆斯河，奥得-哈弗尔运河连接了中部运河与柏林水网，脉络遍布全德国的内河航运网已经初具规模，把各大工业区域与出海门户汉堡港连接了起来。莱茵河与密西西比河相类似，也少见有护滩建筑物。
国内的航道整治工程（尤其是长江中下游）中护滩建筑物应用较为广泛，现有的护滩结构大致可分为四大类。一是散抛块体护滩工程。散抛块体护滩主要是指抛石护滩，即在滩面上散抛直径50～80cm的块石进行护滩，它主要用于水深较浅（一般小于3m）、流速不大（一般小于1.5m/s）、河床变形缓慢、地质条件较好的河段，如卵石滩或沙卵石滩。二是现体护滩工程。通过建设现体（现体群）达到护滩的效果，现体形式有丁坝、顺坝、鱼骨坝等，主要应用在黄河、闽江、西江等河流治理中，长江上也有一定应用。根据资料表明，近年来护滩坝体的水毁现象非常严重，其中丁坝、顺坝主要用于守护边滩，鱼骨坝主要用于守护心滩。三是软体排护滩带工程。软体排护滩（护滩带）是一种新型航道整治建筑物，其主要作用是保护较为高大完整的边滩、心滩在水流作用下免遭破坏，进而达到稳定枯水航槽的目的。四是四面六边透水框架工程。这种整治建筑物也是近年来长江航道整治中发展起来的，为了解决护滩带边缘冲刷变形、局部破坏问题，在东流水道整治、周天航道整治控导、牯牛沙航道整治等工程中均采用了四面六边透水框架来保护护滩带边缘，取得了较好的效果。
各种护滩结构一般均能满足此水域河床稳定防护要求，但是它们的效果有较大差异。其中，抛石整体性较差，同时对局部水流的扰动较大，容易流失沉陷。抛枕易被来往船舶划破损坏，在阳光照射下易老化。因此，在长江中下游河床覆盖层较厚且颗粒很细的情况下，床沙流失量较大，一般均需辅以沉系接混凝土块压载软体排方式护底。铰链排应用较少，目前仅进行了少量试验性使用。系沙袋软体排由于压载较轻，且沙袋易刺破失稳，现较少使用，长江中下游目前应用较广泛的为X型系混凝土块软体排。
软体排护滩结构形式是近十几年结合长江中下游航道治理工程，在实践中逐渐探索出来的一种新型整治建筑物结构形式，由于使用时间较短，对其的研究也较少，对排体在复杂水沙条件下的可靠性与使用寿命的认识也比较有限。因此，对软体排护滩结构形式的研究需要从自身结构、平面布置、破坏机理及其对可靠度的影响等方面进行深入分析。
1.2.3 平顺护岸工程
长江中下游护岸工程始于15世纪中叶，历史悠久。随着护岸工程技术进步与社会经济发展，护岸工程类型目前多采用平顺护岸工程形式，结构形式则根据工程的技术和经济等条件选定。
20世纪60年代以前，受技术水平和工程投资等方面的限制，护岸工程仅被视为防止局部河岸崩塌的工程措施，没有从全河段和控制河势的角度进行护岸工程规划和设计。原水利部长江水利委员会主任林一山1964年*先提出长江中下游河势规划问题。经过多年来的工程实践，对河势规划问题的认识逐步加深，积累了丰富的河势控制工程经验。
50多年来，长江中下游建成的护岸工程总长度达1200km以上，占长江中下游总长度的70%，1998年以前总抛石量达6700万m3，沉排410万m3，修建丁坝685座，顺坝19km。1998年大洪水后对重点堤防护岸险工段进行了加固和扩建。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 可靠度理论及使用寿命研究进展
可靠度理论的用途现在是越来越广，城市路网的畅通性也可用可靠度来表述；混凝土结构、空调系统等都可用可靠度来表征其可靠性。结构可靠度是对结构可靠性的数量描述，它包括安全性、适用性和耐久性。在可靠度理论推广应用以前，结构设计方面经历了容许应力法和安全系数法。这两种方法都有其自身巨大的弱点，而可靠度理论却带来了巨大优势。20世纪30年代，可靠度理论*初是应用在飞机失效方面；20世纪50年代，美国国防部门专门建立了可靠度研究机构对一系列可靠度方面的问题进行研究。
将可靠度理论应用在结构设计领域是从20世纪40年代才开始的，1946年，弗罗伊登塔尔（Freudenthal）发表了论文《结构安全度》，开始集中研究可靠度在结构工程方面的应用，提出了在随机变量荷载作用下结构安全度的基本问题；同时期，苏联的尔然尼钦提出了一次二阶矩理论和计算失效概率的方法及可靠度指标计算公式；这时期以前的研究都是局限于古典可靠度理论，即这些公式对于正态分布的随机变量来讲是精确的，但生活中遇到的很多问题不是正态分布类型；后来，1969年，美国学者康奈尔（Cornell）提出了与结构失效概率相联系的可靠度指标作为衡量安全度的标准，同时也建立了结构安全度的二阶矩模式；1971年，加拿大的林德（Lind）将二阶矩模式通过分离函数的形式将可靠度指标表达成分项系数的形式，这些工作都加速了可靠度理论的实用化进程；美国伊利诺伊大学洪华生提出了广义
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