FMECA法在棗莊市東王莊閘安全評價中的應用

張 翔

(棗莊市市中區(qū)城鄉(xiāng)水務局，山東 棗莊，277100)

1 引言

水閘是一種極為重要的水利工程建筑，具有控制河道水位和流量等重要作用，是防洪排澇、農(nóng)田灌溉體系中不可缺少的建筑物[1-3]。自上世紀90年代以來，我國修建了大量的水閘工程，受限于當時的經(jīng)濟發(fā)展水平和科學技術水平，水閘修建質(zhì)量低下，在長期的使用過程中出現(xiàn)了不同程度的破損，成為沿線居民生產(chǎn)生活的重要隱患點。水閘安全受到多個因素的影響，為了快速、準確評價水閘的安全情況，需要全面選取評價指標，并客觀分析各指標的權重，最終獲取水閘合理的安全情況，為水閘除險加固工程提供參考[4-6]。FMECA法是一種常用的分析方法，在交通、水利、機械等行業(yè)已經(jīng)進行了大量的應用，評價結果較為準確。本文結合棗莊市東王莊閘除險加固工程，對FMECA法在水閘安全評價中的應用進行研究。

2 FMECA法基本原理

FMECA是一種常用的歸納分析法，通過總結待評價系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障類型及其影響因素，依據(jù)故障的嚴重程度和可能出現(xiàn)的概率將故障分類，從而獲取其危害程度。FMECA法是FMEA法和CA法的組合。FMEA法是定量-定性分析法，根據(jù)故障類型和出現(xiàn)概率確定其風險，CA法根據(jù)危害程度和組合類型進行分類。

風險優(yōu)先數(shù)在FMECA法是極其重要的，與故障發(fā)生概率、嚴重程度、檢驗難度直接相關。采用下式計算：

RPN=ESR×OPR×DDR

(1)

式中：RPN為風險優(yōu)先數(shù)；OPR為發(fā)生概率；ESR為嚴重程度；DDR為檢驗難度。不同因素的取值按照表1-表3選取。

表1 OPR評分

表2 ESR評分

表3 DDR評分

3 基于FEMCA法的水閘安全評價

3.1 水閘故障模式分析

水閘的安全等級主要是依據(jù)水閘安全檢測結果確定。影響水閘安全性的因素主要包括：水閘工程治理、滲流穩(wěn)定性、結構穩(wěn)定性、防洪復核結果、抗震情況、金屬結構和機電等。水閘的安全結果是依據(jù)水閘各項功能的綜合檢驗判定。目前，我國水閘出現(xiàn)故障較多的功能是：受力、防滲、防洪、啟閉、輔助。水閘常用功能及故障類型見表4。

表4 水閘常見故障

3.2 東王莊閘FMEA分析

3.2.1 工程概況

東王莊閘位于稅郭支流，稅郭支流最終匯入嶧城大沙河。工程于1982年 12月底竣工，至今已運行30多年，在蓄水灌溉方面發(fā)揮了巨大作用。東王莊閘為漿砌石墩自動翻板閘，全長43.5m，共 9孔，每孔凈寬 4.5m，凈高 1.5m。順水流方向左側有一木制閘門控制閘，寬1.5m，無排架啟閉設施，現(xiàn)澆混凝土橋面板寬 5.5m，厚 0.25m，橋面高程55.35m，橋欄桿采用鋼管結構。

3.2.2 現(xiàn)狀調(diào)查

3.2.2.1 現(xiàn)場調(diào)查

經(jīng)過多年的運行，工程老化損壞嚴重，由于資金等方面的原因，一直沒有實質(zhì)上的維修，只是“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”地進行修補，未能從根本上消除隱患，工程存在隱患。由于資金等問題，工程建設標準偏低，近30年沒有維修，沖刷嚴重，并多處出現(xiàn)毀壞，漿砌石鋪蓋全部損壞，上、下游淤積嚴重。閘體兼做交通要道，支墩混凝土強度等級偏低，碳化嚴重，致使砂漿脫落，鋼筋外漏，墩頂砂漿抹面脫落，閘墩墩體部分脫落；護底毀害嚴重，放水時容易造成下游河床的沖刷，對堤防形成安全隱患；翻板式閘門板缺失，無啟閉機，已經(jīng)不能起到蓄水行洪作用；下游漿砌石翼墻右側大面積缺失，上游右側大面積損壞，砂漿抹面已脫落，漿砌石強度變低，結構受損，砌石裂縫過大，嚴重影響行泄洪安全；下游河道淤積嚴重，垃圾遍布，影響泄洪。

3.2.2.2 復核計算

(1)東王莊閘設計洪水標準為20年一遇，校核洪水標準為 50年一遇。嶧城大沙河流域5年一遇設計暴雨為 148.84mm，20年一遇設計暴雨為 214.52mm。東王莊閘址處20、50年洪峰流量分別為779 m3/s、989 m3/s。閘后生產(chǎn)橋阻水嚴重，水閘過流能力不滿足20年一遇洪水要求。

(2)東王莊閘下游河床為壤土，抗沖刷能力較低，允許平均流速為0.85m/s。局部出露強烈溶蝕風化灰?guī)r，允許平均流速為3.05m/s。現(xiàn)狀閘下水流流速較大，且無消能防沖設施，不能滿足安全消能的要求。

(3)漿砌石鋪蓋水毀嚴重，閘基滲徑長度不滿足要求。

(4)東王莊閘閘基主要為灰?guī)r，為較堅硬巖。該處無基巖出露，由地質(zhì)圖查得基巖巖層產(chǎn)狀為22°∠13°，閘軸線走向為348°，水壓力方向取垂直閘軸的方向線為258°，則基巖傾向與水壓力方向的夾角為124°，不利于閘體穩(wěn)定。地震情況下水閘抗滑穩(wěn)定性不滿足要求。

3.2.3 東王莊閘FMEA分析

東王莊閘在受力、防滲、防洪、啟閉、輔助等功能方面均出現(xiàn)了一定程度的故障。水閘FMEA分析結果見表5。

表5 東王莊閘FMEA分析

3.3 基于FMECA法的東王莊閘安全評價

東王莊閘主要涉及受力、防洪、防滲、啟閉、輔助5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。

通過咨詢業(yè)內(nèi)知名專家，獲取不同功能各種故障出現(xiàn)的頻率，并結合模糊法改進FMECA模型。評價計算方法如下：

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

(1)

(2)

(3)

B1=W1×R1=(0.35,0.35,0.1,0.1,0.1)

(4)

B2=W2×R2=(0,0.2,0.35,0.25,0.2)

(5)

B3=W3×R3(0,0.1,0.3,0.25,0.35)

(6)

按照式(7)進行清晰化處理：

(7)

式中：u(ui)為加權系數(shù)；ui為評價結果。經(jīng)計算，水閘啟閉系統(tǒng)清晰化結果為4.21。根據(jù)表6分類，水閘啟閉系統(tǒng)為D級。

表6 分類標準

同理，可以確定東王莊閘防洪安全為D級，受力安全為D級，滲流安全為D級，消能安全為C級，輔助安全為C級。水閘安全存在較為嚴重的缺陷，整體質(zhì)量等級為D級，即四類閘。

4 結論

結合東王莊閘對FMECA法在水閘安全評價中的應用進行分析，綜合確定東王莊閘安全等級為D，即四類閘。通過現(xiàn)場調(diào)查和復核計算，東王莊閘在受力、防洪、防滲、啟閉、輔助等功能方面均存在較為嚴重的缺陷。水閘結構老化嚴重，功能基本喪失，建議采用拆除重建的方式加以處理。