基于FMECA新河港水閘安全評價研究

許 可

(安徽省建筑工程質量監(jiān)督檢測站，合肥 230088)

1 概 述

在我國河湖、渠系、堤防等水利工程中的一個重要水工建筑物是水閘。水閘建設可以控制水位、流量，在防洪排澇、蓄水灌溉、水環(huán)境改善中具有不可替代的地位[1-3]。目前，我國大量的水閘建于上世紀90年代，由于施工質量、工程投資等問題，在長期使用過程中，水閘出現(xiàn)結構、機電老化等現(xiàn)象，水閘存在較為嚴重的安全隱患[4-6]。在洪水來臨時，這些水閘難以發(fā)揮其防洪排澇的作用，同時也極易整體破壞，嚴重威脅到下游居民的安全。水閘安全評價是一個復雜的系統(tǒng)工作，評價指標選取必須客觀、全面；指標權重的確定必須安全合理。目前，水閘安全評價缺乏完整的理論體系[7-9]。為了準確評價水閘安全，服務水閘除險加固工程，完善水閘安全評價體系具有十分重要的意義。

2 FMECA方法基本原理分析

FMECA是一種歸納分析方法，通過分析系統(tǒng)各個因素可能出現(xiàn)的故障模式及其對系統(tǒng)的影響，根據(jù)故障的嚴重程度及概率進行分類，從而綜合分析危害度。FMECA方法是從下往上進行的歸納分析方法。FMECA由FMEA和CA組成。

FMEA是一種定量化的定性分析方法，主要用于分析故障出現(xiàn)的可能和模式，根據(jù)可能出現(xiàn)的故障和造成后果的嚴重程度，確定風險程度。CA是危害性分析，根據(jù)每種故障的危害程度和故障模式組合對系統(tǒng)進行分類。CA屬于FMEA的擴展和延伸。

風險優(yōu)先數(shù)與故障發(fā)生的概率等級、影響嚴重等級、檢測難度有關，具體計算方法如下：

RPN=ESR×OPR×DDR

(1)

式中：RPN為風險優(yōu)先數(shù)；OPR為故障發(fā)生概率；ESR為影響嚴重程度；DDR為檢測難度。

不同因素的取值按照表1-表3選取。

表1 OPR評分標準

表2 ESR評分標準

表3 DDR評分標準

3 基于FEMCA水閘安全檢測

3.1 水閘故障模式分析

根據(jù)相關規(guī)范，水閘的安全成果根據(jù)安全檢測和分析計算確定，主要涉及工程質量、滲流、結構、抗震、防洪、金屬、機電等方面。水閘的安全鑒定成果由水閘的各項功能綜合確定。根據(jù)水閘的各項功能，將水閘故障分為受力系統(tǒng)、 抗?jié)B系統(tǒng)、啟閉系統(tǒng)、防洪系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)5個子項。各子項常見故障模式見表4。

表4 水閘常見故障

3.2 新河水閘FMEA分析

3.2.1 工程概況

新河水閘位于崇明縣新河鎮(zhèn)境內(nèi)，新河港南首，建于2002年。水閘孔徑為單孔14 m，閘底板高程為-0.50 m，采用卷揚式啟閉機。水閘交通橋寬5 m，橋底高程為7.6 m，設計荷載為汽-20級。水閘設計引水流量為200 m3/s，排水流量為175 m3/s，船舶通航等級為200 t。主要發(fā)揮著擋潮除澇、引清排污和船只通航等功能。

3.2.2 現(xiàn)狀調查

3.2.2.1 外觀調查

內(nèi)外河護岸為漿砌石結構。砌體表面被淤積及垃圾覆蓋，風化嚴重，砂漿脫落，勾縫掏空。內(nèi)外河翼墻混凝土表面受水流沖刷作用，普遍存在麻面露石缺陷。內(nèi)河圓弧翼墻與消力池擋墻接縫處存在錯位現(xiàn)象，混凝土擠壓脫落。閘墩受過閘船只碰撞刮擦，混凝土局部脫落，麻面露石。左右門柱外粉涂料，外觀完好，無明顯缺陷。交通橋橋面板底混凝土老化脫皮，橋面鋪裝層長期受超載車輛碾壓，破損嚴重，骨料外露。

工作閘門為直升式平面鋼閘門，工作閘門門體、主梁、縱(邊)梁、桁架斜撐等構件無明顯損傷和變形；面板、主梁、縱(邊)梁、桁架斜撐等構件均存在銹蝕現(xiàn)象，滾輪銹蝕嚴重，門側存在漏水現(xiàn)象。

閘門啟閉機形式為卷揚式，QPQ2×250 kN，數(shù)量兩臺，啟閉機外觀一般，運行狀態(tài)尚正常，機架重新刷漆，局部可見輕微銹斑，存在漏油現(xiàn)象。

該閘低壓電氣柜及現(xiàn)地電氣柜均外觀良好，外殼表面基本無銹蝕，接線規(guī)范，線路排列有序，設備的金屬外殼、線管等均與金屬結構體有接地連接。見圖1。

圖1 部分結構外觀

3.2.2.2 復核計算

1) 水閘防洪標準為100年一遇高潮位+11級風下限；除澇標準為20年一遇24 h降雨不受澇。設計外河側高潮水位6.29 m，內(nèi)河側設計水位3.75 m。現(xiàn)狀閘首頂高程為8.153～8.295 m；現(xiàn)狀外河側消力池、翼墻堤頂高程為7.896～8.170 m；現(xiàn)狀內(nèi)河側堤頂高程為3.941～4.134 m。內(nèi)外河側翼墻由于結構沉降，略低于防洪高程，但相差較小，通過簡單加高即可滿足防洪標準要求；閘頂高程雖也有沉降，但仍能滿足設防標高要求。設計閘門頂高程為7.0 m，現(xiàn)狀閘門頂高程為6.875 m，最高設防水位為6.29 m，現(xiàn)狀閘門門頂與設防水位差為6.875-6.29=0.585 m，滿足規(guī)劃要求的不小于0.3 m的要求，故閘門頂高程滿足設防要求。

2) 在內(nèi)河水位3.75 m、外河水位0.92 m工況下，水閘過流能力為164.35 m3/s，滿足過流要求。

3) 根據(jù)水閘內(nèi)外河消能防沖布置，其外河消力池實際長度均為17 m，消力池深均為0.8 m；內(nèi)河消力池實際長度均為14 m，消力池深均為0.6 m；內(nèi)河海漫長50 m，外河海漫長70 m。外河消力池在外河水位較低時，不能滿足安全消能的要求。

4) 閘首底板坐落砂質粉土層上，允許滲徑系數(shù)取值C=9。閘基的防滲長度即閘基的地下輪廓線長度不小于地基允許滲涇系數(shù)與內(nèi)外河水位差之積L=C×△H。根據(jù)內(nèi)外河水位組合，閘首可能最大水位差ΔH=6.29-2.5=3.79 m，最小滲徑長度L=3.79×9.0=34.11 m?，F(xiàn)狀閘首長度16 m，防滲輪廓線總長度72.8 m，因此閘基防滲長度滿足規(guī)范要求。

5) 閘首底板相應地基承載力設計值fd=78.88 kPa，允許最大基底應力為1.2×78.88=94.66 Pa?；酌媾c地基之間的綜合摩擦系數(shù)f0取0.28。閘首的基底應力、不均勻系數(shù)、抗滑穩(wěn)定以及抗浮穩(wěn)定均滿足要求。

6) 內(nèi)外河翼墻底板均落砂質黏土上。該層呈壓縮性中等。內(nèi)外河翼墻地基承載力設計值fd=95.00 kPa，允許最大基底應力為1.2×95.00=114.00 kPa?；酌媾c地基之間的摩擦系數(shù)按取f=0.28。內(nèi)外河翼墻穩(wěn)定安全性滿足規(guī)范要求，現(xiàn)狀未出現(xiàn)明顯的傾斜、滑移、沉降變形。

3.2.3 新河港水閘FMEA分析

新河港水閘故障可能出現(xiàn)在受力、抗?jié)B、防洪、啟閉、輔助系統(tǒng)。根據(jù)新河港水閘的調查和復核對其進行FMEA分析，根據(jù)分析，水閘滲流穩(wěn)定性滿足要求，因此故障系統(tǒng)中午抗?jié)B故障。見表5。

表5 新河港水閘FMEA分析

3.3 基于FMECA水閘安全評價

新河港水閘安全分析，主要涉及受力、防洪、啟閉、輔助4個方面。水閘故障安全危害，可采用集合U=[U1，U2，U3]來表示，其中U1為ESR，U2為OPR，U3為DDR，各因素劃分為5個等級，參照表1-表3。

根據(jù)問詢專家彌補調查統(tǒng)計數(shù)量不足的缺點，根據(jù)收集資料評價水閘安全，此次共收集20份專家資料，統(tǒng)計各個故障模式出現(xiàn)的頻率。采用模糊法改進[10]FMECA模型，由于模糊法已經(jīng)進行了較多的研究，本次不介紹模糊方法。通過整理專家調查表的數(shù)據(jù)，可以得到對水閘安全模糊評價矩陣。

以啟閉系統(tǒng)為例，閘門、啟閉機故障的權重為0.5，0.5，新河港水閘安全模糊評價矩陣為：

(2)

(3)

(4)

B1=W1*R1=(0.35,0.35,0.1,0.1,0.1)

(5)

B2=W2*R2=(0,0.2,0.45,0.25,0.1)

(6)

B3=W3*R3=(0,0,0.3,0.35,0.35)

(7)

水閘啟閉系統(tǒng)，二級權向量為W=(0.142 9，0.675 4,0.181 7)。啟閉系統(tǒng)二級評價結果B2=W*R=(0.050 1，0.185 1，0.372 7，0.246 7，0.145 4)。

按照式(7)進行清晰化處理：

(8)

式中：u(ui)為加權系數(shù)；ui為系統(tǒng)評價結果。

經(jīng)計算，水閘啟閉系統(tǒng)清晰化結果為3.252 2。根據(jù)表6分類，水閘啟閉系統(tǒng)為B級。

表6 分類標準

同理，可以確定新河港水閘防洪安全為B級，受力安全為B級，輔助安全為B級。水閘存在缺陷，整體質量等級為B級。

4 結 論

采用FMECA模型對新河港水閘進行分析，確定水閘的綜合安全等級為B級，水閘在啟閉、防洪、輔助、受力方面存在缺陷，滲流基本滿足規(guī)范要求。建議對水閘采用相關治理措施加以整治，如內(nèi)外河翼墻加高；金屬結構銹蝕處理；混凝土修補，防碳化處理等。