基于FMECA 新疆鐵斯巴汗水庫(kù)安全評(píng)價(jià)

任 睿

（新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局,新疆 伊寧 835000）

1 引言

水庫(kù)工程建設(shè)具有發(fā)電、灌溉、防洪等作用,對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)平穩(wěn)具有較大的促進(jìn)作用[1-2]。我國(guó)修建了大量的水庫(kù)工程,以改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展。但是在當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平限制下,水庫(kù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低,工程質(zhì)量較差,存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[3-6]。因此,對(duì)水庫(kù)安全情況進(jìn)行檢測(cè)、鑒定、評(píng)價(jià)是非常必要的。FMECA 法、模糊綜合法、云模型法等是水庫(kù)安全評(píng)價(jià)中常用的研究方法,取得了良好的效果,評(píng)價(jià)結(jié)果較為可靠,計(jì)算效率較高[7-8]。

2 FMECA 法原理

FMECA 方法在工程實(shí)踐中應(yīng)用較多,主要是通過(guò)分析不同指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響程度、概率等,從而獲取系統(tǒng)的危害等級(jí)。該方法是一種定性定量相結(jié)合的方法。一般采用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN來(lái)表示,計(jì)算方法如下：

式中：ESR、OPR、DDR分別為故障影響程度（可分為無(wú)影響1 分、輕微影響2 分、一般影響3 分、功能中斷4 分、重大影響5 分）、故障概率（可分為極低1 分、較低2 分、中等3 分、高4 分、極高5 分）、檢測(cè)難度（可分為觀察可發(fā)現(xiàn)1 分、檢測(cè)可發(fā)現(xiàn)2 分、仔細(xì)檢測(cè)可查3 分、儀器檢測(cè)4 分、無(wú)法查明5 分）。

3 鐵斯巴汗水庫(kù)安全評(píng)價(jià)

3.1 工程概況

鐵斯巴汗水庫(kù)樞紐布置水庫(kù)樞紐主要包括大壩、溢洪道、放水涵洞三部分。大壩軸線大致呈東西方向。放水涵洞全長(zhǎng)124 m,其中洞身段長(zhǎng)27 m。放水涵洞位于壩樁號(hào)0+233.87處,洞軸線與壩軸線相交,夾角為72.01°。溢洪道全長(zhǎng)193 m,其中襯砌段48.6 m。溢洪道位于大壩左壩段壩樁號(hào)0+107 處,夾角為68.34°。

3.2 大壩FMEA 分析

3.2.1主要建筑物現(xiàn)狀調(diào)查

（1）壩體

鐵斯巴汗水庫(kù)2004 年除險(xiǎn)加固后壩型為土工膜斜墻堆石壩。大壩防浪墻樁號(hào)0+030～0+320,全長(zhǎng)290 m,最大壩高13.62 m。大壩軸線大致呈東西方向,壩頂寬6.0 m。壩頂上游側(cè)設(shè)鋼筋砼防浪墻,防浪墻高出壩頂1.2 m。壩頂采用20 cm厚砂礫石路面,上游壩坡為1∶1.5,下游壩坡為1∶1.4,均采用砼預(yù)制塊護(hù)坡。2016 年夏季發(fā)生特大洪水,庫(kù)水漫壩,主壩段壩后坡受水流沖刷,坡面砼預(yù)制塊被破壞,局部砼預(yù)制塊下有淘空現(xiàn)象。水庫(kù)存在較大淤積問(wèn)題,主要集中于壩前且對(duì)放水洞引水影響嚴(yán)重。水庫(kù)上游的集水區(qū)域?yàn)橹械蜕降貛?庫(kù)區(qū)兩岸邊坡較緩,無(wú)大規(guī)模崩塌,庫(kù)區(qū)兩岸沖溝延伸不遠(yuǎn),暴雨攜帶的碎屑物入庫(kù)量不大。根據(jù)水文資料,水庫(kù)多年平均入庫(kù)輸沙量為8000 t,因此水庫(kù)有一定的淤積問(wèn)題。據(jù)調(diào)查了解,2004 年水庫(kù)完成了除險(xiǎn)加固時(shí),庫(kù)水位僅能維持在死水位附近,此后庫(kù)盤(pán)經(jīng)過(guò)數(shù)年淤積,水庫(kù)可以蓄存部分水量,最多能達(dá)到一半庫(kù)容。庫(kù)盤(pán)淤積的低液限粉土起到了減少滲漏的作用,但水庫(kù)兩岸巨厚的卵石混合土層為中等透水性,是庫(kù)水通向庫(kù)外良好的滲漏通道,水庫(kù)現(xiàn)狀仍然滲漏嚴(yán)重。

（2）溢洪道

溢洪道全長(zhǎng)45 m,為砼結(jié)構(gòu),出水渠段以后只開(kāi)挖不襯砌,原設(shè)計(jì)兩側(cè)砂礫石開(kāi)挖邊坡為1∶1.5,巖石開(kāi)挖邊坡為1∶0.5?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)溢洪道砼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)查,邊墻未見(jiàn)傾斜、裂縫等破壞,砼結(jié)構(gòu)較為完好。查閱本工程除險(xiǎn)加固后的竣工資料,施工開(kāi)挖后溢洪道砼結(jié)構(gòu)底板均位于弱風(fēng)化巖體內(nèi)。出水渠段以后現(xiàn)狀底板基巖裸露,兩側(cè)砂礫石現(xiàn)狀沖刷嚴(yán)重,局部為直立陡坎。

（3）放水涵洞

放水涵洞現(xiàn)場(chǎng)檢查存在的問(wèn)題：進(jìn)口段淤積嚴(yán)重。放水涵管洞身段為φ600 mm 的鋼管,現(xiàn)已銹蝕嚴(yán)重。出口未設(shè)消能措施,由于無(wú)襯砌已危及放水涵管下游出口。閘閥周?chē)蟹e水,現(xiàn)已銹蝕嚴(yán)重,在壩體與閘井房接觸處有小股明流。

（4）安全管理

大壩安全監(jiān)測(cè)等管理設(shè)施不完善；水庫(kù)調(diào)度規(guī)程基本合理,但無(wú)應(yīng)急預(yù)案；水庫(kù)建成后配備管理人員不足,不能按審批的調(diào)度規(guī)程合理調(diào)度運(yùn)行；大壩養(yǎng)護(hù)處于不安全和不完整的工作狀態(tài)。

大壩沒(méi)有安全監(jiān)測(cè)設(shè)施及資料。

（5）金屬結(jié)構(gòu)

放水涵管啟閉閘閥銹蝕嚴(yán)重,閘閥周?chē)蟹e水,閘閥啟閉困難。法蘭盤(pán)和鋼管沒(méi)進(jìn)行防銹處理,現(xiàn)已銹蝕嚴(yán)重。在緊急情況下,不能保證閘閥正常開(kāi)啟。

（6）復(fù)核計(jì)算

根據(jù)工程資料,不同計(jì)算工況下大壩穩(wěn)定性情況見(jiàn)表1。

表1 大壩穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

經(jīng)復(fù)核計(jì)算,大壩主要存在以下問(wèn)題：

經(jīng)計(jì)算,大壩橫斷面（0+220）穩(wěn)定滲流期下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為K上=1.026＜1.25,不滿足規(guī)范要求。

鐵斯巴汗水庫(kù)工程年滲漏量為15.59×104m3,水庫(kù)現(xiàn)狀總庫(kù)容為70×104m3,大壩年滲漏量占水庫(kù)總庫(kù)容的22.27%。滲漏嚴(yán)重,但壩后溢出點(diǎn)的滲透比降imax=0.2＜J允許=0.54,在允許的滲透比降范圍,因此,壩體的滲流是穩(wěn)定的。

泄洪建筑物的泄流能力不滿足要求。水庫(kù)調(diào)度方式不符合要求,抗洪能力不足。現(xiàn)狀壩頂高程不滿足要求。

3.2.2FMEA 分析

采用FMEA 法分析,水庫(kù)目前主要故障見(jiàn)表2。

表2 大壩FMEA 分析

3.3 大壩安全評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果可知：鐵斯巴汗水庫(kù)大壩在受力、防洪、啟閉、防滲、輔助等方面均存在較大的問(wèn)題。模糊綜合法可通過(guò)咨詢專(zhuān)家,彌補(bǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)偏少的缺陷。該方法在眾多工程實(shí)踐中得到了應(yīng)用,取得了良好效果。

以水庫(kù)啟閉系統(tǒng)為例,對(duì)FMECA 法在水庫(kù)安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。水庫(kù)啟閉系統(tǒng),閘門(mén)、啟閉機(jī)權(quán)重均為0.50。ESR、OPR、DDR 參數(shù)由R1、R2、R3表示。

模糊評(píng)價(jià)矩陣如下：

因此,水庫(kù)啟閉系統(tǒng),二級(jí)權(quán)向量為W=（0.1985,0.3458,0.4557）,評(píng)價(jià)結(jié)果B2=W×R=（0.1151,0.1447,0.2767,0.2356,0.2279）。

按照式（8）進(jìn)行清晰化處理：

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

啟閉系統(tǒng)結(jié)果為1.5279。根據(jù)表3 可知,評(píng)價(jià)結(jié)果為B 級(jí)。

表3 分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

同理,水庫(kù)防洪、受力、輔助、防滲安全分別為C 級(jí)、C 級(jí)、C 級(jí)、C 級(jí)。水庫(kù)安全綜合等級(jí)為C 級(jí)。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安全調(diào)查和穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算,采用FMECA 方法對(duì)鐵斯巴汗水庫(kù)安全等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前,水庫(kù)在防洪、受力等各方面均存在較大的問(wèn)題,水庫(kù)安全等級(jí)為C 級(jí),需要及時(shí)采取除險(xiǎn)加固治理措施以保證水庫(kù)的安全。

4.2 建議

建議針對(duì)水庫(kù)大壩采取以下措施進(jìn)行除險(xiǎn)加固治理：

（1）加高加寬大壩沖毀部分；

（2）新建放水涵洞及金屬結(jié)構(gòu)；

（3）改造溢洪道及增設(shè)壩后消能措施；

（4）恢復(fù)原庫(kù)容；

（5）增設(shè)大壩監(jiān)測(cè)設(shè)施、水文測(cè)報(bào)、通訊等設(shè)施；

（6）完善管理制度,提高管理水平。