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，水閘出現結構、機電老化等現象，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，通過分析系統各個因素可能出現的故障模式及其對系統的影響，根據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的可能和模式，根據可能出現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，根據每種故障的危害程度和故障模式組合對系統進行分類。CA屬于FMEA的擴展和延伸。

風險優先數與故障發生的概率等級、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為風險優先數；OPR為故障發生概率；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

根據相關規范，水閘的安全成果根據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。根據水閘的各項功能，將水閘故障分為受力系統、 抗滲系統、啟閉系統、防洪系統、輔助系統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境內，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。主要發揮著擋潮除澇、引清排污和船只通航等功能。

3.2.2 現狀調查

3.2.2.1 外觀調查

內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。內河圓弧翼墻與消力池擋墻接縫處存在錯位現象，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象，滾輪銹蝕嚴重，門側存在漏水現象。

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

該閘低壓電氣柜及現地電氣柜均外觀良好，外殼表面基本無銹蝕，接線規范，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，內河側設計水位3.75 m。現狀閘首頂高程為8.153～8.295 m；現狀外河側消力池、翼墻堤頂高程為7.896～8.170 m；現狀內河側堤頂高程為3.941～4.134 m。內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，現狀閘門頂高程為6.875 m，最高設防水位為6.29 m，現狀閘門門頂與設防水位差為6.875-6.29=0.585 m，滿足規劃要求的不小于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) 根據水閘內外河消能防沖布置，其外河消力池實際長度均為17 m，消力池深均為0.8 m；內河消力池實際長度均為14 m，消力池深均為0.6 m；內河海漫長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與內外河水位差之積L=C×△H。根據內外河水位組合，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。現狀閘首長度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。基底面與地基之間的綜合摩擦系數f0取0.28。閘首的基底應力、不均勻系數、抗滑穩定以及抗浮穩定均滿足要求。

6) 內外河翼墻底板均落砂質黏土上。該層呈壓縮性中等。內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。基底面與地基之間的摩擦系數按取f=0.28。內外河翼墻穩定安全性滿足規范要求，現狀未出現明顯的傾斜、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在受力、抗滲、防洪、啟閉、輔助系統。根據新河港水閘的調查和復核對其進行FMEA分析，根據分析，水閘滲流穩定性滿足要求，因此故障系統中午抗滲故障。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。

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

以啟閉系統為例，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，二級權向量為W=(0.142 9，0.675 4,0.181 7)。啟閉系統二級評價結果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；ui為系統評價結果。

經計算，水閘啟閉系統清晰化結果為3.252 2。根據表6分類，水閘啟閉系統為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，滲流基本滿足規范要求。建議對水閘采用相關治理措施加以整治，如內外河翼墻加高；金屬結構銹蝕處理；混凝土修補，防碳化處理等。