基于FMECA的入沭闸安全评价研究
2021-10-22张崴栋李洋洋邹福建
张崴栋，李洋洋，邹福建，张 楚
(1.徐州市水利建筑设计研究院，江苏 徐州 221000；2.江苏省水利勘测设计研究院有限公司徐州分公司，江苏 徐州 221000)
水闸是一种极为常见的水工建筑物，具备防洪排涝、蓄水、改善水环境等重要作用[1- 4]。我国早期修建的众多水闸出现了不同程度的破坏，制约了水闸效益的发挥[5- 7]。影响水闸安全因素众多，需选取全面的评价指标。
1 FMECA法原理
FMECA方法分析不同因素可能出现影响系统的问题、影响程度以及故障出现的概率问题对故障进行分类，从而获取系统的危害性。FMECA主要由定量化定性分析方法(FMEA)和危害性分析(CA)组成[8- 10]。FMEA主要通过风险优先数进行定性分析危害性，计算方法如下：
RPN=ESR×OPR×DDR
(1)
式中，RPN—风险优先数；ESR—影响程度；OPR—概率；DDR—检测难度。
各因素取值见表1—3。
表1 OPR评分标准
表2 ESR评分标准
表3 DDR评分标准
2 基于FEMCA水闸安全检测
2.1 水闸故障模式分析
根据相关规范内容，影响水闸安全因素众多[11- 13]。可分为受力、抗渗、启闭、防洪、辅助系统5个方面。常见故障模式见表4。
表4 水闸常见故障
2.2 入沭闸FMEA分析
2.2.1工程概况
入沭闸位于新沂市主城区沭河右堤， 1979年底投入运行，单孔，闸孔净宽9.4m，净高9.85m，闸底板高程为22.5m，闸室长16.0m，为钢筋砼结构，上游靠近闸门部位为平底板，长8.0m，厚2.2m，闸门下游为反拱底板，长8.0m，厚0.7m，矢高1.5m；公路桥为砼预制拱圈，桥面顶高程33.35m，桥面宽5.0m，设计荷载为汽-15级；工作桥及便桥均为钢筋砼预制构件，闸门为双扉平面定轮钢闸门，安装2×7.5t卷扬式启闭机。
2.2.2现状调查
(1)浆砌块石结构不能满足抗震规范要求。
水闸翼墙为浆砌块石空箱结构，区域地震基本裂度8度，根据SL 203—97《水工建筑物抗震设计规范》，地震区不宜建浆砌块石结构水闸，采用浆砌石结构的震害最为严重。
(2)混凝土标号低、碳化严重
该闸建成于70年代，混凝土标号较低，出现表层剥落露石现象。通过现场检测，闸墩、工作桥排架的混凝土强度分别为24.4MPa、16.2MPa。不满足混凝土强度等级要求，且混凝土碳化最大碳化深度约为65mm，导致混凝土保护层厚度不满足要求。
(3)交通桥标准低、损坏严重
交通桥拱片开裂，桥面铺装层基本已全部损坏；过往重载车辆多，已威胁主体工程安全。
(4)闸门存在锈蚀，局部锈蚀严重。
钢闸门水位变化区多处出现锈蚀现象；止水损坏，漏水严重；启闭机部分配件损坏。
(5)辅助设施
该闸仅有水位尺，无检修及必要的沉降等观测设施。
(6)复核计算
根据工程调度运用资料，入沭闸上、下游水位及组合见表5：
表5 入沭闸安全复核水位组合
闸基底顶高程22.3m，持力层为②层硬塑—坚硬状含砂礓壤土，承载力标准值为250kPa。
通过复核计算，评价如下：
1.在各工况下该闸过流能力能满足要求。
2.消力池尺寸、底板厚度和海漫长度无法满足现状要求。
3.校核期2工况出逸坡降不满足要求。
4.各工况下，地基应力不均匀系数满足要求，校核期2闸室抗滑稳定安全系数不满足要求，其它工况抗滑稳定满足要求。
5.墩底纵向正应力满足要求。
6.工作桥及其排架、便桥、闸门强度皆满足要求。
2.2.3入沭闸FMEA分析
根据调查、检测、复核计算，入沭闸目前主要存在的故障问题见表6。
表6 入沭闸FMEA分析
2.3 基于FMECA入沭闸安全评价
通过FMECA法对入沭闸安全性进行评价，该水闸在受力、启闭、防渗、辅助等方面均存在一定的故障，对水闸功能具有一定影响，并威胁到水闸结构的安全。水闸安全评价可用集合R=[R1，R2，R3]来表示，其中R1—R3分别为ESR、OPR、DDR。
由于调查数据较少，采用咨询专家的方法弥补这一缺陷。通过咨询业内知名专家，利用模糊法获取水闸安全模糊评价矩阵。由于模糊法已进行了较多的应用，针对模糊法本文不再进行介绍[14- 15]。以启闭系统为例，闸门、启闭机故障权重均为0.5。
安全模糊评价矩阵为：
(1)
(2)
(3)
B1=W1×R1=(0.40，0.30，0.075，0.75，0.15)
(4)
B2=W2×R2=(0.1，0.1，0.45，0.15，0.2)
(5)
B3=W3×R3=(0，0，0.3，0.35，0.35)
(6)
水闸启闭系统，二级权向量为W=(0.1433，0.6517，0.2050)，评价结果B2=W×R=(0.1225，0.1082，0.3655，0.1803，0.2235)。
按照式(7)进行清晰化处理：
(7)
式中，u(ui)—系数；ui—评价结果。
启闭系统结果为2.0517。评价结果为B级，见表7。
表7 分类标准
同理，入沭闸防洪、受力、辅助安全分别为A级、C级、B级。水闸质量等级为C级。
3 结论
为了快速获取入沭闸安全等级，采用FMECA法对水闸进行分析，入沭闸安全等级为C级。水闸在受力、防渗、启闭、辅助等方面存在缺陷，由于水闸曾多次采取加固措施，水闸防洪基本满足要求。综合考虑，水闸可采取拆除重建的方式进行处理，以保证水闸工程的安全及效益的发挥。
