基于FMECA的入沭閘安全評(píng)價(jià)研究

張崴棟，李洋洋，鄒福建，張 楚

(1.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221000；2.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司徐州分公司，江蘇 徐州 221000)

水閘是一種極為常見的水工建筑物，具備防洪排澇、蓄水、改善水環(huán)境等重要作用[1- 4]。我國早期修建的眾多水閘出現(xiàn)了不同程度的破壞，制約了水閘效益的發(fā)揮[5- 7]。影響水閘安全因素眾多，需選取全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 FMECA法原理

FMECA方法分析不同因素可能出現(xiàn)影響系統(tǒng)的問題、影響程度以及故障出現(xiàn)的概率問題對(duì)故障進(jìn)行分類，從而獲取系統(tǒng)的危害性。FMECA主要由定量化定性分析方法(FMEA)和危害性分析(CA)組成[8- 10]。FMEA主要通過風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)進(jìn)行定性分析危害性，計(jì)算方法如下：

RPN=ESR×OPR×DDR

(1)

式中，RPN—風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)；ESR—影響程度；OPR—概率；DDR—檢測(cè)難度。

各因素取值見表1—3。

表1 OPR評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表2 ESR評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表3 DDR評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

2 基于FEMCA水閘安全檢測(cè)

2.1 水閘故障模式分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范內(nèi)容，影響水閘安全因素眾多[11- 13]?？煞譃槭芰Α⒖?jié)B、啟閉、防洪、輔助系統(tǒng)5個(gè)方面。常見故障模式見表4。

表4 水閘常見故障

2.2 入沭閘FMEA分析

2.2.1工程概況

入沭閘位于新沂市主城區(qū)沭河右堤， 1979年底投入運(yùn)行，單孔，閘孔凈寬9.4m，凈高9.85m，閘底板高程為22.5m，閘室長16.0m，為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，上游靠近閘門部位為平底板，長8.0m，厚2.2m，閘門下游為反拱底板，長8.0m，厚0.7m，矢高1.5m；公路橋?yàn)轫蓬A(yù)制拱圈，橋面頂高程33.35m，橋面寬5.0m，設(shè)計(jì)荷載為汽-15級(jí)；工作橋及便橋均為鋼筋砼預(yù)制構(gòu)件，閘門為雙扉平面定輪鋼閘門，安裝2×7.5t卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。

2.2.2現(xiàn)狀調(diào)查

(1)漿砌塊石結(jié)構(gòu)不能滿足抗震規(guī)范要求。

水閘翼墻為漿砌塊石空箱結(jié)構(gòu)，區(qū)域地震基本裂度8度，根據(jù)SL 203—97《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，地震區(qū)不宜建漿砌塊石結(jié)構(gòu)水閘，采用漿砌石結(jié)構(gòu)的震害最為嚴(yán)重。

(2)混凝土標(biāo)號(hào)低、碳化嚴(yán)重

該閘建成于70年代，混凝土標(biāo)號(hào)較低，出現(xiàn)表層剝落露石現(xiàn)象。通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，閘墩、工作橋排架的混凝土強(qiáng)度分別為24.4MPa、16.2MPa。不滿足混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求，且混凝土碳化最大碳化深度約為65mm，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層厚度不滿足要求。

(3)交通橋標(biāo)準(zhǔn)低、損壞嚴(yán)重

交通橋拱片開裂，橋面鋪裝層基本已全部損壞；過往重載車輛多，已威脅主體工程安全。

(4)閘門存在銹蝕，局部銹蝕嚴(yán)重。

鋼閘門水位變化區(qū)多處出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象；止水損壞，漏水嚴(yán)重；啟閉機(jī)部分配件損壞。

(5)輔助設(shè)施

該閘僅有水位尺，無檢修及必要的沉降等觀測(cè)設(shè)施。

(6)復(fù)核計(jì)算

根據(jù)工程調(diào)度運(yùn)用資料，入沭閘上、下游水位及組合見表5：

表5 入沭閘安全復(fù)核水位組合

閘基底頂高程22.3m，持力層為②層硬塑—堅(jiān)硬狀含砂礓壤土，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為250kPa。

通過復(fù)核計(jì)算，評(píng)價(jià)如下：

1.在各工況下該閘過流能力能滿足要求。

2.消力池尺寸、底板厚度和海漫長度無法滿足現(xiàn)狀要求。

3.校核期2工況出逸坡降不滿足要求。

4.各工況下，地基應(yīng)力不均勻系數(shù)滿足要求，校核期2閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足要求，其它工況抗滑穩(wěn)定滿足要求。

5.墩底縱向正應(yīng)力滿足要求。

6.工作橋及其排架、便橋、閘門強(qiáng)度皆滿足要求。

2.2.3入沭閘FMEA分析

根據(jù)調(diào)查、檢測(cè)、復(fù)核計(jì)算，入沭閘目前主要存在的故障問題見表6。

表6 入沭閘FMEA分析

2.3 基于FMECA入沭閘安全評(píng)價(jià)

通過FMECA法對(duì)入沭閘安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，該水閘在受力、啟閉、防滲、輔助等方面均存在一定的故障，對(duì)水閘功能具有一定影響，并威脅到水閘結(jié)構(gòu)的安全。水閘安全評(píng)價(jià)可用集合R=[R1，R2，R3]來表示，其中R1—R3分別為ESR、OPR、DDR。

由于調(diào)查數(shù)據(jù)較少，采用咨詢專家的方法彌補(bǔ)這一缺陷。通過咨詢業(yè)內(nèi)知名專家，利用模糊法獲取水閘安全模糊評(píng)價(jià)矩陣。由于模糊法已進(jìn)行了較多的應(yīng)用，針對(duì)模糊法本文不再進(jìn)行介紹[14- 15]。以啟閉系統(tǒng)為例，閘門、啟閉機(jī)故障權(quán)重均為0.5。

安全模糊評(píng)價(jià)矩陣為：

(1)

(2)

(3)

B1=W1×R1=(0.40，0.30，0.075，0.75，0.15)

(4)

B2=W2×R2=(0.1，0.1，0.45，0.15，0.2)

(5)

B3=W3×R3=(0，0，0.3，0.35，0.35)

(6)

水閘啟閉系統(tǒng)，二級(jí)權(quán)向量為W=(0.1433，0.6517，0.2050)，評(píng)價(jià)結(jié)果B2=W×R=(0.1225，0.1082，0.3655，0.1803，0.2235)。

按照式(7)進(jìn)行清晰化處理：

(7)

式中，u(ui)—系數(shù)；ui—評(píng)價(jià)結(jié)果。

啟閉系統(tǒng)結(jié)果為2.0517。評(píng)價(jià)結(jié)果為B級(jí)，見表7。

表7 分類標(biāo)準(zhǔn)

同理，入沭閘防洪、受力、輔助安全分別為A級(jí)、C級(jí)、B級(jí)。水閘質(zhì)量等級(jí)為C級(jí)。

3 結(jié)論

為了快速獲取入沭閘安全等級(jí)，采用FMECA法對(duì)水閘進(jìn)行分析，入沭閘安全等級(jí)為C級(jí)。水閘在受力、防滲、啟閉、輔助等方面存在缺陷，由于水閘曾多次采取加固措施，水閘防洪基本滿足要求。綜合考慮，水閘可采取拆除重建的方式進(jìn)行處理，以保證水閘工程的安全及效益的發(fā)揮。