張 翔

(棗莊市市中區(qū)城鄉(xiāng)水務(wù)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(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)修建了大量的水閘工程，受限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和科學(xué)技術(shù)水平，水閘修建質(zhì)量低下，在長(zhǎng)期的使用過(guò)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(diǎn)。水閘安全受到多個(gè)因素的影響，為了快速、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水閘的安全情況，需要全面選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，并客觀分析各指標(biāo)的權(quán)重，最終獲取水閘合理的安全情況，為水閘除險(xiǎn)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(jī)械等行業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了大量的應(yīng)用，評(píng)價(jià)結(jié)果較為準(zhǔn)確。本文結(jié)合棗莊市東王莊閘除險(xiǎn)加固工程，對(duì)FMECA法在水閘安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 FMECA法基本原理

FMECA是一種常用的歸納分析法，通過(guò)總結(jié)待評(píng)價(jià)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障類(lèi)型及其影響因素，依據(jù)故障的嚴(yán)重程度和可能出現(xiàn)的概率將故障分類(lèi)，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(lèi)型和出現(xiàn)概率確定其風(fēng)險(xiǎn)，CA法根據(jù)危害程度和組合類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)。

風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)在FMECA法是極其重要的，與故障發(fā)生概率、嚴(yán)重程度、檢驗(yàn)難度直接相關(guān)。采用下式計(jì)算：

RPN=ESR×OPR×DDR

(1)

式中：RPN為風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)；OPR為發(fā)生概率；ESR為嚴(yán)重程度；DDR為檢驗(yàn)難度。不同因素的取值按照表1-表3選取。

表1 OPR評(píng)分

表2 ESR評(píng)分

表3 DDR評(píng)分

3 基于FEMCA法的水閘安全評(píng)價(jià)

3.1 水閘故障模式分析

水閘的安全等級(jí)主要是依據(jù)水閘安全檢測(cè)結(jié)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、防洪復(fù)核結(jié)果、抗震情況、金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電等。水閘的安全結(jié)果是依據(jù)水閘各項(xiàng)功能的綜合檢驗(yàn)判定。目前，我國(guó)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(lèi)型見(jiàn)表4。

表4 水閘常見(jiàn)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(yùn)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(dòng)翻板閘，全長(zhǎng)43.5m，共 9孔，每孔凈寬 4.5m，凈高 1.5m。順?biāo)鞣较蜃髠?cè)有一木制閘門(mén)控制閘，寬1.5m，無(wú)排架啟閉設(shè)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(jié)構(gòu)。

3.2.2 現(xiàn)狀調(diào)查

3.2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，工程老化損壞嚴(yán)重，由于資金等方面的原因，一直沒(méi)有實(shí)質(zhì)上的維修，只是“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”地進(jìn)行修補(bǔ)，未能從根本上消除隱患，工程存在隱患。由于資金等問(wèn)題，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低，近30年沒(méi)有維修，沖刷嚴(yán)重，并多處出現(xiàn)毀壞，漿砌石鋪蓋全部損壞，上、下游淤積嚴(yán)重。閘體兼做交通要道，支墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)偏低，碳化嚴(yán)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(hù)底毀害嚴(yán)重，放水時(shí)容易造成下游河床的沖刷，對(duì)堤防形成安全隱患；翻板式閘門(mén)板缺失，無(wú)啟閉機(jī)，已經(jīng)不能起到蓄水行洪作用；下游漿砌石翼墻右側(cè)大面積缺失，上游右側(cè)大面積損壞，砂漿抹面已脫落，漿砌石強(qiáng)度變低，結(jié)構(gòu)受損，砌石裂縫過(guò)大，嚴(yán)重影響行泄洪安全；下游河道淤積嚴(yán)重，垃圾遍布，影響泄洪。

3.2.2.2 復(fù)核計(jì)算

(1)東王莊閘設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為 50年一遇。嶧城大沙河流域5年一遇設(shè)計(jì)暴雨為 148.84mm，20年一遇設(shè)計(jì)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(yán)重，水閘過(guò)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(qiáng)烈溶蝕風(fēng)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(wú)消能防沖設(shè)施，不能滿足安全消能的要求。

(3)漿砌石鋪蓋水毀嚴(yán)重，閘基滲徑長(zhǎng)度不滿足要求。

(4)東王莊閘閘基主要為灰?guī)r，為較堅(jiān)硬巖。該處無(wú)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?yàn)?48°，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(jié)果見(jiàn)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(píng)價(jià)

東王莊閘主要涉及受力、防洪、防滲、啟閉、輔助5個(gè)方面。水閘故障安全危害，可采用集合U=[U1，U2，U3]來(lái)表示，其中U1為ESR，U2為OPR，U3為DDR，各因素劃分為5個(gè)等級(jí)，參照表1-表3。

通過(guò)咨詢(xún)業(yè)內(nèi)知名專(zhuān)家，獲取不同功能各種故障出現(xiàn)的頻率，并結(jié)合模糊法改進(jìn)FMECA模型。評(píng)價(jià)計(jì)算方法如下：

以啟閉系統(tǒng)為例，閘門(mén)、啟閉機(jī)故障的權(quán)重為0.5、0.5，東王莊閘安全模糊評(píng)價(jià)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(jìn)行清晰化處理：

(7)

式中：u(ui)為加權(quán)系數(shù)；ui為評(píng)價(jià)結(jié)果。經(jīng)計(jì)算，水閘啟閉系統(tǒng)清晰化結(jié)果為4.21。根據(jù)表6分類(lèi)，水閘啟閉系統(tǒng)為D級(jí)。

表6 分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

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

4 結(jié)論

結(jié)合東王莊閘對(duì)FMECA法在水閘安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，綜合確定東王莊閘安全等級(jí)為D，即四類(lèi)閘。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和復(fù)核計(jì)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(yán)重的缺陷。水閘結(jié)構(gòu)老化嚴(yán)重，功能基本喪失，建議采用拆除重建的方式加以處理。