許 可

(安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)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(gè)重要水工建筑物是水閘。水閘建設(shè)可以控制水位、流量，在防洪排澇、蓄水灌溉、水環(huán)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(jì)90年代，由于施工質(zhì)量、工程投資等問題，在長期使用過程中，水閘出現(xiàn)結(jié)構(gòu)、機(jī)電老化等現(xiàn)象，水閘存在較為嚴(yán)重的安全隱患[4-6]。在洪水來臨時(shí)，這些水閘難以發(fā)揮其防洪排澇的作用，同時(shí)也極易整體破壞，嚴(yán)重威脅到下游居民的安全。水閘安全評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工作，評(píng)價(jià)指標(biāo)選取必須客觀、全面；指標(biāo)權(quán)重的確定必須安全合理。目前，水閘安全評(píng)價(jià)缺乏完整的理論體系[7-9]。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水閘安全，服務(wù)水閘除險(xiǎn)加固工程，完善水閘安全評(píng)價(jià)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(tǒng)各個(gè)因素可能出現(xiàn)的故障模式及其對(duì)系統(tǒng)的影響，根據(jù)故障的嚴(yán)重程度及概率進(jìn)行分類，從而綜合分析危害度。FMECA方法是從下往上進(jìn)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(xiàn)的可能和模式，根據(jù)可能出現(xiàn)的故障和造成后果的嚴(yán)重程度，確定風(fēng)險(xiǎn)程度。CA是危害性分析，根據(jù)每種故障的危害程度和故障模式組合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分類。CA屬于FMEA的擴(kuò)展和延伸。

風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)與故障發(fā)生的概率等級(jí)、影響嚴(yán)重等級(jí)、檢測(cè)難度有關(guān)，具體計(jì)算方法如下：

RPN=ESR×OPR×DDR

(1)

式中：RPN為風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)；OPR為故障發(fā)生概率；ESR為影響嚴(yán)重程度；DDR為檢測(cè)難度。

不同因素的取值按照表1-表3選取。

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)

3 基于FEMCA水閘安全檢測(cè)

3.1 水閘故障模式分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，水閘的安全成果根據(jù)安全檢測(cè)和分析計(jì)算確定，主要涉及工程質(zhì)量、滲流、結(jié)構(gòu)、抗震、防洪、金屬、機(jī)電等方面。水閘的安全鑒定成果由水閘的各項(xiàng)功能綜合確定。根據(jù)水閘的各項(xiàng)功能，將水閘故障分為受力系統(tǒng)、 抗?jié)B系統(tǒng)、啟閉系統(tǒng)、防洪系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)5個(gè)子項(xiàng)。各子項(xiàng)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(zhèn)境內(nèi)，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(yáng)式啟閉機(jī)。水閘交通橋?qū)? m，橋底高程為7.6 m，設(shè)計(jì)荷載為汽-20級(jí)。水閘設(shè)計(jì)引水流量為200 m3/s，排水流量為175 m3/s，船舶通航等級(jí)為200 t。主要發(fā)揮著擋潮除澇、引清排污和船只通航等功能。

3.2.2 現(xiàn)狀調(diào)查

3.2.2.1 外觀調(diào)查

內(nèi)外河護(hù)岸為漿砌石結(jié)構(gòu)。砌體表面被淤積及垃圾覆蓋，風(fēng)化嚴(yán)重，砂漿脫落，勾縫掏空。內(nèi)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(nèi)河圓弧翼墻與消力池?fù)鯄涌p處存在錯(cuò)位現(xiàn)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(yán)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(gòu)件無明顯損傷和變形；面板、主梁、縱(邊)梁、桁架斜撐等構(gòu)件均存在銹蝕現(xiàn)象，滾輪銹蝕嚴(yán)重，門側(cè)存在漏水現(xiàn)象。

閘門啟閉機(jī)形式為卷揚(yáng)式，QPQ2×250 kN，數(shù)量兩臺(tái)，啟閉機(jī)外觀一般，運(yùn)行狀態(tài)尚正常，機(jī)架重新刷漆，局部可見輕微銹斑，存在漏油現(xiàn)象。

該閘低壓電氣柜及現(xiàn)地電氣柜均外觀良好，外殼表面基本無銹蝕，接線規(guī)范，線路排列有序，設(shè)備的金屬外殼、線管等均與金屬結(jié)構(gòu)體有接地連接。見圖1。

圖1 部分結(jié)構(gòu)外觀

3.2.2.2 復(fù)核計(jì)算

1) 水閘防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇高潮位+11級(jí)風(fēng)下限；除澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇24 h降雨不受澇。設(shè)計(jì)外河側(cè)高潮水位6.29 m，內(nèi)河側(cè)設(shè)計(jì)水位3.75 m。現(xiàn)狀閘首頂高程為8.153～8.295 m；現(xiàn)狀外河側(cè)消力池、翼墻堤頂高程為7.896～8.170 m；現(xiàn)狀內(nèi)河側(cè)堤頂高程為3.941～4.134 m。內(nèi)外河側(cè)翼墻由于結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)要求；閘頂高程雖也有沉降，但仍能滿足設(shè)防標(biāo)高要求。設(shè)計(jì)閘門頂高程為7.0 m，現(xiàn)狀閘門頂高程為6.875 m，最高設(shè)防水位為6.29 m，現(xiàn)狀閘門門頂與設(shè)防水位差為6.875-6.29=0.585 m，滿足規(guī)劃要求的不小于0.3 m的要求，故閘門頂高程滿足設(shè)防要求。

2) 在內(nèi)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(jù)水閘內(nèi)外河消能防沖布置，其外河消力池實(shí)際長度均為17 m，消力池深均為0.8 m；內(nèi)河消力池實(shí)際長度均為14 m，消力池深均為0.6 m；內(nèi)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(shí)，不能滿足安全消能的要求。

4) 閘首底板坐落砂質(zhì)粉土層上，允許滲徑系數(shù)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(shù)與內(nèi)外河水位差之積L=C×△H。根據(jù)內(nèi)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?，F(xiàn)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(guī)范要求。

5) 閘首底板相應(yīng)地基承載力設(shè)計(jì)值fd=78.88 kPa，允許最大基底應(yīng)力為1.2×78.88=94.66 Pa?；酌媾c地基之間的綜合摩擦系數(shù)f0取0.28。閘首的基底應(yīng)力、不均勻系數(shù)、抗滑穩(wěn)定以及抗浮穩(wěn)定均滿足要求。

6) 內(nèi)外河翼墻底板均落砂質(zhì)黏土上。該層呈壓縮性中等。內(nèi)外河翼墻地基承載力設(shè)計(jì)值fd=95.00 kPa，允許最大基底應(yīng)力為1.2×95.00=114.00 kPa?；酌媾c地基之間的摩擦系數(shù)按取f=0.28。內(nèi)外河翼墻穩(wěn)定安全性滿足規(guī)范要求，現(xiàn)狀未出現(xiàn)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(xiàn)在受力、抗?jié)B、防洪、啟閉、輔助系統(tǒng)。根據(jù)新河港水閘的調(diào)查和復(fù)核對(duì)其進(jìn)行FMEA分析，根據(jù)分析，水閘滲流穩(wěn)定性滿足要求，因此故障系統(tǒng)中午抗?jié)B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(píng)價(jià)

新河港水閘安全分析，主要涉及受力、防洪、啟閉、輔助4個(gè)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(gè)等級(jí)，參照表1-表3。

根據(jù)問詢專家彌補(bǔ)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)量不足的缺點(diǎn)，根據(jù)收集資料評(píng)價(jià)水閘安全，此次共收集20份專家資料，統(tǒng)計(jì)各個(gè)故障模式出現(xiàn)的頻率。采用模糊法改進(jìn)[10]FMECA模型，由于模糊法已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究，本次不介紹模糊方法。通過整理專家調(diào)查表的數(shù)據(jù)，可以得到對(duì)水閘安全模糊評(píng)價(jià)矩陣。

以啟閉系統(tǒng)為例，閘門、啟閉機(jī)故障的權(quán)重為0.5，0.5，新河港水閘安全模糊評(píng)價(jià)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(tǒng)，二級(jí)權(quán)向量為W=(0.142 9，0.675 4,0.181 7)。啟閉系統(tǒng)二級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果B2=W*R=(0.050 1，0.185 1，0.372 7，0.246 7，0.145 4)。

按照式(7)進(jìn)行清晰化處理：

(8)

式中：u(ui)為加權(quán)系數(shù)；ui為系統(tǒng)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3.252 2。根據(jù)表6分類，水閘啟閉系統(tǒng)為B級(jí)。

表6 分類標(biāo)準(zhǔn)

同理，可以確定新河港水閘防洪安全為B級(jí)，受力安全為B級(jí)，輔助安全為B級(jí)。水閘存在缺陷，整體質(zhì)量等級(jí)為B級(jí)。

4 結(jié) 論

采用FMECA模型對(duì)新河港水閘進(jìn)行分析，確定水閘的綜合安全等級(jí)為B級(jí)，水閘在啟閉、防洪、輔助、受力方面存在缺陷，滲流基本滿足規(guī)范要求。建議對(duì)水閘采用相關(guān)治理措施加以整治，如內(nèi)外河翼墻加高；金屬結(jié)構(gòu)銹蝕處理；混凝土修補(bǔ)，防碳化處理等。