基于FMECA新河港水闸安全评价研究

许 可

(安徽省建筑工程质量监督检测站，合肥 230088)

1 概 述

在我国河湖、渠系、堤防等水利工程中的一个重要水工建筑物是水闸。水闸建设可以控制水位、流量，在防洪排涝、蓄水灌溉、水环境改善中具有不可替代的地位[1-3]。目前，我国大量的水闸建于上世纪90年代，由于施工质量、工程投资等问题，在长期使用过程中，水闸出现结构、机电老化等现象，水闸存在较为严重的安全隐患[4-6]。在洪水来临时，这些水闸难以发挥其防洪排涝的作用，同时也极易整体破坏，严重威胁到下游居民的安全。水闸安全评价是一个复杂的系统工作，评价指标选取必须客观、全面；指标权重的确定必须安全合理。目前，水闸安全评价缺乏完整的理论体系[7-9]。为了准确评价水闸安全，服务水闸除险加固工程，完善水闸安全评价体系具有十分重要的意义。

2 FMECA方法基本原理分析

FMECA是一种归纳分析方法，通过分析系统各个因素可能出现的故障模式及其对系统的影响，根据故障的严重程度及概率进行分类，从而综合分析危害度。FMECA方法是从下往上进行的归纳分析方法。FMECA由FMEA和CA组成。

FMEA是一种定量化的定性分析方法，主要用于分析故障出现的可能和模式，根据可能出现的故障和造成后果的严重程度，确定风险程度。CA是危害性分析，根据每种故障的危害程度和故障模式组合对系统进行分类。CA属于FMEA的扩展和延伸。

风险优先数与故障发生的概率等级、影响严重等级、检测难度有关，具体计算方法如下：

RPN=ESR×OPR×DDR

(1)

式中：RPN为风险优先数；OPR为故障发生概率；ESR为影响严重程度；DDR为检测难度。

不同因素的取值按照表1-表3选取。

表1 OPR评分标准

表2 ESR评分标准

表3 DDR评分标准

3 基于FEMCA水闸安全检测

3.1 水闸故障模式分析

根据相关规范，水闸的安全成果根据安全检测和分析计算确定，主要涉及工程质量、渗流、结构、抗震、防洪、金属、机电等方面。水闸的安全鉴定成果由水闸的各项功能综合确定。根据水闸的各项功能，将水闸故障分为受力系统、 抗渗系统、启闭系统、防洪系统、辅助系统5个子项。各子项常见故障模式见表4。

表4 水闸常见故障

3.2 新河水闸FMEA分析

3.2.1 工程概况

新河水闸位于崇明县新河镇境内，新河港南首，建于2002年。水闸孔径为单孔14 m，闸底板高程为-0.50 m，采用卷扬式启闭机。水闸交通桥宽5 m，桥底高程为7.6 m，设计荷载为汽-20级。水闸设计引水流量为200 m3/s，排水流量为175 m3/s，船舶通航等级为200 t。主要发挥着挡潮除涝、引清排污和船只通航等功能。

3.2.2 现状调查

3.2.2.1 外观调查

内外河护岸为浆砌石结构。砌体表面被淤积及垃圾覆盖，风化严重，砂浆脱落，勾缝掏空。内外河翼墙混凝土表面受水流冲刷作用，普遍存在麻面露石缺陷。内河圆弧翼墙与消力池挡墙接缝处存在错位现象，混凝土挤压脱落。闸墩受过闸船只碰撞刮擦，混凝土局部脱落，麻面露石。左右门柱外粉涂料，外观完好，无明显缺陷。交通桥桥面板底混凝土老化脱皮，桥面铺装层长期受超载车辆碾压，破损严重，骨料外露。

工作闸门为直升式平面钢闸门，工作闸门门体、主梁、纵(边)梁、桁架斜撑等构件无明显损伤和变形；面板、主梁、纵(边)梁、桁架斜撑等构件均存在锈蚀现象，滚轮锈蚀严重，门侧存在漏水现象。

闸门启闭机形式为卷扬式，QPQ2×250 kN，数量两台，启闭机外观一般，运行状态尚正常，机架重新刷漆，局部可见轻微锈斑，存在漏油现象。

该闸低压电气柜及现地电气柜均外观良好，外壳表面基本无锈蚀，接线规范，线路排列有序，设备的金属外壳、线管等均与金属结构体有接地连接。见图1。

图1 部分结构外观

3.2.2.2 复核计算

1) 水闸防洪标准为100年一遇高潮位+11级风下限；除涝标准为20年一遇24 h降雨不受涝。设计外河侧高潮水位6.29 m，内河侧设计水位3.75 m。现状闸首顶高程为8.153～8.295 m；现状外河侧消力池、翼墙堤顶高程为7.896～8.170 m；现状内河侧堤顶高程为3.941～4.134 m。内外河侧翼墙由于结构沉降，略低于防洪高程，但相差较小，通过简单加高即可满足防洪标准要求；闸顶高程虽也有沉降，但仍能满足设防标高要求。设计闸门顶高程为7.0 m，现状闸门顶高程为6.875 m，最高设防水位为6.29 m，现状闸门门顶与设防水位差为6.875-6.29=0.585 m，满足规划要求的不小于0.3 m的要求，故闸门顶高程满足设防要求。

2) 在内河水位3.75 m、外河水位0.92 m工况下，水闸过流能力为164.35 m3/s，满足过流要求。

3) 根据水闸内外河消能防冲布置，其外河消力池实际长度均为17 m，消力池深均为0.8 m；内河消力池实际长度均为14 m，消力池深均为0.6 m；内河海漫长50 m，外河海漫长70 m。外河消力池在外河水位较低时，不能满足安全消能的要求。

4) 闸首底板坐落砂质粉土层上，允许渗径系数取值C=9。闸基的防渗长度即闸基的地下轮廓线长度不小于地基允许渗泾系数与内外河水位差之积L=C×△H。根据内外河水位组合，闸首可能最大水位差ΔH=6.29-2.5=3.79 m，最小渗径长度L=3.79×9.0=34.11 m。现状闸首长度16 m，防渗轮廓线总长度72.8 m，因此闸基防渗长度满足规范要求。

5) 闸首底板相应地基承载力设计值fd=78.88 kPa，允许最大基底应力为1.2×78.88=94.66 Pa。基底面与地基之间的综合摩擦系数f0取0.28。闸首的基底应力、不均匀系数、抗滑稳定以及抗浮稳定均满足要求。

6) 内外河翼墙底板均落砂质黏土上。该层呈压缩性中等。内外河翼墙地基承载力设计值fd=95.00 kPa，允许最大基底应力为1.2×95.00=114.00 kPa。基底面与地基之间的摩擦系数按取f=0.28。内外河翼墙稳定安全性满足规范要求，现状未出现明显的倾斜、滑移、沉降变形。

3.2.3 新河港水闸FMEA分析

新河港水闸故障可能出现在受力、抗渗、防洪、启闭、辅助系统。根据新河港水闸的调查和复核对其进行FMEA分析，根据分析，水闸渗流稳定性满足要求，因此故障系统中午抗渗故障。见表5。

表5 新河港水闸FMEA分析

3.3 基于FMECA水闸安全评价

新河港水闸安全分析，主要涉及受力、防洪、启闭、辅助4个方面。水闸故障安全危害，可采用集合U=[U1，U2，U3]来表示，其中U1为ESR，U2为OPR，U3为DDR，各因素划分为5个等级，参照表1-表3。

根据问询专家弥补调查统计数量不足的缺点，根据收集资料评价水闸安全，此次共收集20份专家资料，统计各个故障模式出现的频率。采用模糊法改进[10]FMECA模型，由于模糊法已经进行了较多的研究，本次不介绍模糊方法。通过整理专家调查表的数据，可以得到对水闸安全模糊评价矩阵。

以启闭系统为例，闸门、启闭机故障的权重为0.5，0.5，新河港水闸安全模糊评价矩阵为：

(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)

水闸启闭系统，二级权向量为W=(0.142 9，0.675 4,0.181 7)。启闭系统二级评价结果B2=W*R=(0.050 1，0.185 1，0.372 7，0.246 7，0.145 4)。

按照式(7)进行清晰化处理：

(8)

式中：u(ui)为加权系数；ui为系统评价结果。

经计算，水闸启闭系统清晰化结果为3.252 2。根据表6分类，水闸启闭系统为B级。

表6 分类标准

同理，可以确定新河港水闸防洪安全为B级，受力安全为B级，辅助安全为B级。水闸存在缺陷，整体质量等级为B级。

4 结 论

采用FMECA模型对新河港水闸进行分析，确定水闸的综合安全等级为B级，水闸在启闭、防洪、辅助、受力方面存在缺陷，渗流基本满足规范要求。建议对水闸采用相关治理措施加以整治，如内外河翼墙加高；金属结构锈蚀处理；混凝土修补，防碳化处理等。