基于FMECA昌馬舊總干第二排沙道進(jìn)水閘安全評(píng)價(jià)

李 旸

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,蘭州 730000)

1 概 述

水閘工程是重要的水利工程建筑,對(duì)防洪、灌溉具有重要影響。修建水閘工程,有利于促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、水運(yùn)等行業(yè)的發(fā)展,帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)。但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中,水閘安全性將發(fā)生一定的變化,尤其是早期修建的水閘受限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平,其安全性降低顯著［1-3］,有些水閘甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞。因此,快速準(zhǔn)確獲取水閘工程的安全性等級(jí)是十分必要的,可為水閘后續(xù)的運(yùn)行管理提供參考。

FMECA方法是目前常用的水利建筑安全性評(píng)價(jià)方法之一,其評(píng)價(jià)速度快、結(jié)果可靠,在較多的工程實(shí)踐中得到推廣使用［4-6］。

2 FMECA法原理

該方法將水閘安全情況視為一個(gè)系統(tǒng)功能,通過(guò)收集影響系統(tǒng)功能的各項(xiàng)因素,以及各種因素可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率和故障嚴(yán)重性,從而分析系統(tǒng)出現(xiàn)故障的危害程度。一般情況下,采用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN進(jìn)行計(jì)算,公式如下:

RPN=ESR×OPR×DDR

(1)

式中:ESR為故障影響程度,根據(jù)影響大小分為1～5分;OPR為故障概率,根據(jù)概率大小分為1～5分;DDR為檢測(cè)難度,根據(jù)檢測(cè)難易程度分為1～5分。

3 昌馬舊總干第二排沙道進(jìn)水閘安全評(píng)價(jià)

3.1 工程概況

昌馬舊總干第二排沙道進(jìn)水閘位于疏勒河昌馬渠首下游16km處的昌馬舊總干渠道上,距玉門(mén)市區(qū)22.5km。工程始建于1958年,水閘布置形式為正面進(jìn)水、側(cè)面排沙,由3孔節(jié)制閘和3孔排沙閘組成,主要作用是攔沙排沙,從而降低昌馬新、舊總干渠來(lái)水的含沙量,使較為清澈的上層水繼續(xù)通過(guò)節(jié)制閘供下游灌區(qū)使用。節(jié)制閘和排沙閘設(shè)計(jì)過(guò)閘流量均為35m3/s。工程等級(jí)為Ⅲ級(jí),規(guī)模為中型。

3.2 昌馬舊總干第二排沙道進(jìn)水閘FMECA分析

3.2.1 現(xiàn)狀調(diào)查

工程存在的主要問(wèn)題分述如下:

1)節(jié)制閘。閘墩、閘底板混凝土剝蝕嚴(yán)重,形成蜂窩麻面;門(mén)槽及底坎埋件磨損嚴(yán)重,密封不嚴(yán),閘門(mén)銹蝕變形,漏水嚴(yán)重;閘室平臺(tái)工作橋板、結(jié)構(gòu)柱混凝土開(kāi)裂,局部鋼筋裸露;閘室上部啟閉機(jī)室為磚木結(jié)構(gòu),年久失修,存在安全隱患;上游導(dǎo)砂坎半徑過(guò)小;下游斜坡段底板混凝土開(kāi)裂,縱、橫向裂縫明顯,混凝土呈片狀掉落,兩側(cè)預(yù)制磚渠坡縱向裂縫嚴(yán)重;消力池為下挖式消力池,池內(nèi)積水無(wú)法排出,冬季凍脹嚴(yán)重;漸變段底板混凝土網(wǎng)狀裂縫明顯,混凝土板翹起。

2)排沙閘。閘墩、底板混凝土剝蝕嚴(yán)重,形成蜂窩麻面;門(mén)槽及底坎埋件磨損嚴(yán)重,密封不嚴(yán),閘門(mén)銹蝕變形,漏水嚴(yán)重;閘室平臺(tái)工作橋板、結(jié)構(gòu)柱混凝土開(kāi)裂,局部鋼筋裸露;閘室上部啟閉機(jī)室為磚木結(jié)構(gòu),年久失修,存在安全隱患;下游所接消力池已被砂子淤滿,消力池及漸變段漿砌卵石邊坡雜草叢生。

3)昌馬舊總干第二排沙道進(jìn)水閘始建于1958年,截至目前已運(yùn)行60余年。為準(zhǔn)確掌握閘墩及閘室底板混凝土現(xiàn)狀強(qiáng)度情況,采用回彈儀進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

4)水閘閘室上下游翼墻均建于砂卵礫石基礎(chǔ)之上,上下游渠道均已襯砌,水閘基礎(chǔ)滲流量小,因此不再進(jìn)行滲流安全計(jì)算。節(jié)制閘、排沙閘抗滑安全系數(shù)見(jiàn)表2、表3。

5)節(jié)制閘、排沙閘結(jié)構(gòu)安全復(fù)核中已將地震工況進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算,閘室抗滑(傾)穩(wěn)定和基底大小應(yīng)力比均在規(guī)范要求范圍,表明水閘抗震滿足要求。但由于水閘閘室、工作平臺(tái)及啟閉機(jī)室均已使用60余年,結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)內(nèi)容,節(jié)制閘、排沙閘閘墩混凝土強(qiáng)度值較低,結(jié)構(gòu)老化,抗震能力已不能滿足要求。

6)排沙渠?；炷令A(yù)制磚結(jié)構(gòu),渠坡雜草叢生,坡磚不同程度掉落,渠內(nèi)水流不暢;下游110m處有車(chē)橋一座(已廢棄),橋墩阻水,導(dǎo)致整條渠道泥沙淤積嚴(yán)重,淤積厚度0.3～0.7m不等。

7)上游沉沙渠。漿砌卵石寬淺式梯形斷面,經(jīng)多年運(yùn)行,渠坡漿砌卵石表面嵌縫砂漿沖刷磨損嚴(yán)重,水位以下部分卵石裸露,坡面貫穿性裂縫較多,灌木、雜草叢生;渠底泥沙淤積厚度0.2～1.0m,導(dǎo)砂坎前泥沙淤積現(xiàn)象最為嚴(yán)重,歷年淤積深度最大為1.0m。

3.2.2 FMECA分析

采用FMECA法分析,昌馬舊總干第二排沙道進(jìn)水閘目前主要故障見(jiàn)表4。

表1 混凝土強(qiáng)度結(jié)果

表2 節(jié)制閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及基地應(yīng)力計(jì)算成果表

表3 排沙閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及基地應(yīng)力計(jì)算成果表

表4 昌馬舊總干第二排沙道進(jìn)水閘FMECA分析

3.3 昌馬舊總干第二排沙道進(jìn)水閘安全評(píng)價(jià)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和復(fù)核計(jì)算,水閘目前在受力、排沙、啟閉、防滲等方面均存在較為嚴(yán)重的故障,其中部分故障將對(duì)水閘排沙功能及水閘結(jié)構(gòu)安全造成嚴(yán)重影響。

為了保證選取的數(shù)據(jù)更具有代表性,通過(guò)咨詢行業(yè)內(nèi)知名專(zhuān)家,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)處理,建立模糊評(píng)價(jià)模型。針對(duì)這一方法,已有較多專(zhuān)家進(jìn)行了大量相關(guān)研究,此處不再贅述［7-9］。

以昌馬舊總干第二排沙道進(jìn)水閘的啟閉系統(tǒng)為例,對(duì)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。閘門(mén)、啟閉機(jī)權(quán)重均為0.5。采用R1、R2、R3表示ESR、OPR、DDR。啟閉系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)矩陣為:

(2)

(3)

(4)

B1=(0.290,0.290,0.145,0.130,0.145)

(5)

B2=(0.190,0.175,0.230,0.185,0.220)

(6)

B3=(0.050,0.140,0.275,0.295,0.240)

(7)

啟閉系統(tǒng),二級(jí)權(quán)向量為W=(0.1733,0.4966,0.3261),評(píng)價(jià)結(jié)果B2=W*R=(0.1609,0.1828,0.2290,0.2106,0.2126)。

按照式(8)進(jìn)行清晰化處理:

(8)

式中:u(ui)為系數(shù);ui為評(píng)價(jià)結(jié)果。

啟閉系統(tǒng)結(jié)果為4.1973。根據(jù)表5可知,評(píng)價(jià)結(jié)果為C級(jí)。

表5 分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

同理,水閘排沙、受力、輔助、防滲安全分別為C級(jí)、C級(jí)、C級(jí)、B級(jí)。船閘質(zhì)量等級(jí)為C級(jí)。

4 結(jié) 論

為了準(zhǔn)確、快速獲取水閘工程的安全性情況,采用FMECA方法,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果和復(fù)核分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)分析,目前昌馬舊總干第二排沙道進(jìn)水閘在排沙、受力、啟閉、輔助等方面均存在較為嚴(yán)重的問(wèn)題,對(duì)水閘功能發(fā)揮和結(jié)構(gòu)安全影響較大,水閘安全等級(jí)為C級(jí),需要采取除險(xiǎn)加固措施。