基于FMECA 新疆鐵斯巴汗水庫安全評價

任 睿

（新疆伊犁河流域開發建設管理局,新疆 伊寧 835000）

1 引言

水庫工程建設具有發電、灌溉、防洪等作用,對當地經濟發展、社會平穩具有較大的促進作用[1-2]。我國修建了大量的水庫工程,以改善當地的生態環境、促進農業發展。但是在當時的經濟、技術水平限制下,水庫建設標準較低,工程質量較差,存在一定的安全風險[3-6]。因此,對水庫安全情況進行檢測、鑒定、評價是非常必要的。FMECA 法、模糊綜合法、云模型法等是水庫安全評價中常用的研究方法,取得了良好的效果,評價結果較為可靠,計算效率較高[7-8]。

2 FMECA 法原理

FMECA 方法在工程實踐中應用較多,主要是通過分析不同指標對系統運行的影響程度、概率等,從而獲取系統的危害等級。該方法是一種定性定量相結合的方法。一般采用風險優先數RPN來表示,計算方法如下：

式中：ESR、OPR、DDR分別為故障影響程度（可分為無影響1 分、輕微影響2 分、一般影響3 分、功能中斷4 分、重大影響5 分）、故障概率（可分為極低1 分、較低2 分、中等3 分、高4 分、極高5 分）、檢測難度（可分為觀察可發現1 分、檢測可發現2 分、仔細檢測可查3 分、儀器檢測4 分、無法查明5 分）。

3 鐵斯巴汗水庫安全評價

3.1 工程概況

鐵斯巴汗水庫樞紐布置水庫樞紐主要包括大壩、溢洪道、放水涵洞三部分。大壩軸線大致呈東西方向。放水涵洞全長124 m,其中洞身段長27 m。放水涵洞位于壩樁號0+233.87處,洞軸線與壩軸線相交,夾角為72.01°。溢洪道全長193 m,其中襯砌段48.6 m。溢洪道位于大壩左壩段壩樁號0+107 處,夾角為68.34°。

3.2 大壩FMEA 分析

3.2.1主要建筑物現狀調查

（1）壩體

鐵斯巴汗水庫2004 年除險加固后壩型為土工膜斜墻堆石壩。大壩防浪墻樁號0+030～0+320,全長290 m,最大壩高13.62 m。大壩軸線大致呈東西方向,壩頂寬6.0 m。壩頂上游側設鋼筋砼防浪墻,防浪墻高出壩頂1.2 m。壩頂采用20 cm厚砂礫石路面,上游壩坡為1∶1.5,下游壩坡為1∶1.4,均采用砼預制塊護坡。2016 年夏季發生特大洪水,庫水漫壩,主壩段壩后坡受水流沖刷,坡面砼預制塊被破壞,局部砼預制塊下有淘空現象。水庫存在較大淤積問題,主要集中于壩前且對放水洞引水影響嚴重。水庫上游的集水區域為中低山地帶,庫區兩岸邊坡較緩,無大規模崩塌,庫區兩岸沖溝延伸不遠,暴雨攜帶的碎屑物入庫量不大。根據水文資料,水庫多年平均入庫輸沙量為8000 t,因此水庫有一定的淤積問題。據調查了解,2004 年水庫完成了除險加固時,庫水位僅能維持在死水位附近,此后庫盤經過數年淤積,水庫可以蓄存部分水量,最多能達到一半庫容。庫盤淤積的低液限粉土起到了減少滲漏的作用,但水庫兩岸巨厚的卵石混合土層為中等透水性,是庫水通向庫外良好的滲漏通道,水庫現狀仍然滲漏嚴重。

（2）溢洪道

溢洪道全長45 m,為砼結構,出水渠段以后只開挖不襯砌,原設計兩側砂礫石開挖邊坡為1∶1.5,巖石開挖邊坡為1∶0.5。現場對溢洪道砼結構進行了調查,邊墻未見傾斜、裂縫等破壞,砼結構較為完好。查閱本工程除險加固后的竣工資料,施工開挖后溢洪道砼結構底板均位于弱風化巖體內。出水渠段以后現狀底板基巖裸露,兩側砂礫石現狀沖刷嚴重,局部為直立陡坎。

（3）放水涵洞

放水涵洞現場檢查存在的問題：進口段淤積嚴重。放水涵管洞身段為φ600 mm 的鋼管,現已銹蝕嚴重。出口未設消能措施,由于無襯砌已危及放水涵管下游出口。閘閥周圍有積水,現已銹蝕嚴重,在壩體與閘井房接觸處有小股明流。

（4）安全管理

大壩安全監測等管理設施不完善；水庫調度規程基本合理,但無應急預案；水庫建成后配備管理人員不足,不能按審批的調度規程合理調度運行；大壩養護處于不安全和不完整的工作狀態。

大壩沒有安全監測設施及資料。

（5）金屬結構

放水涵管啟閉閘閥銹蝕嚴重,閘閥周圍有積水,閘閥啟閉困難。法蘭盤和鋼管沒進行防銹處理,現已銹蝕嚴重。在緊急情況下,不能保證閘閥正常開啟。

（6）復核計算

根據工程資料,不同計算工況下大壩穩定性情況見表1。

表1 大壩穩定性計算結果

經復核計算,大壩主要存在以下問題：

經計算,大壩橫斷面（0+220）穩定滲流期下游壩坡穩定安全系數為K上=1.026＜1.25,不滿足規范要求。

鐵斯巴汗水庫工程年滲漏量為15.59×104m3,水庫現狀總庫容為70×104m3,大壩年滲漏量占水庫總庫容的22.27%。滲漏嚴重,但壩后溢出點的滲透比降imax=0.2＜J允許=0.54,在允許的滲透比降范圍,因此,壩體的滲流是穩定的。

泄洪建筑物的泄流能力不滿足要求。水庫調度方式不符合要求,抗洪能力不足。現狀壩頂高程不滿足要求。

3.2.2FMEA 分析

采用FMEA 法分析,水庫目前主要故障見表2。

表2 大壩FMEA 分析

3.3 大壩安全評價

根據現場調查和安全復核計算結果可知：鐵斯巴汗水庫大壩在受力、防洪、啟閉、防滲、輔助等方面均存在較大的問題。模糊綜合法可通過咨詢專家,彌補調查數據偏少的缺陷。該方法在眾多工程實踐中得到了應用,取得了良好效果。

以水庫啟閉系統為例,對FMECA 法在水庫安全評價中的應用進行分析。水庫啟閉系統,閘門、啟閉機權重均為0.50。ESR、OPR、DDR 參數由R1、R2、R3表示。

模糊評價矩陣如下：

因此,水庫啟閉系統,二級權向量為W=（0.1985,0.3458,0.4557）,評價結果B2=W×R=（0.1151,0.1447,0.2767,0.2356,0.2279）。

按照式（8）進行清晰化處理：

式中：u（ui）系數；ui評價結果。

啟閉系統結果為1.5279。根據表3 可知,評價結果為B 級。

表3 分類標準

同理,水庫防洪、受力、輔助、防滲安全分別為C 級、C 級、C 級、C 級。水庫安全綜合等級為C 級。

4 結論及建議

4.1 結論

結合現場安全調查和穩定性復核計算,采用FMECA 方法對鐵斯巴汗水庫安全等級進行評價。目前,水庫在防洪、受力等各方面均存在較大的問題,水庫安全等級為C 級,需要及時采取除險加固治理措施以保證水庫的安全。

4.2 建議

建議針對水庫大壩采取以下措施進行除險加固治理：

（1）加高加寬大壩沖毀部分；

（2）新建放水涵洞及金屬結構；

（3）改造溢洪道及增設壩后消能措施；

（4）恢復原庫容；

（5）增設大壩監測設施、水文測報、通訊等設施；

（6）完善管理制度,提高管理水平。