故障模式下水閘安全評價分析

李殷裕

潮州市湘橋區官塘橋閘管理所 廣東 潮汕 521000

引言

中華人民共和國水利部于2008年印發了《水閘安全鑒定管理辦法》，其中將水閘的安全等級劃分為4類，分別為一類閘、二類閘、三類閘、四類閘，但這4種安全等級缺乏精確化的區分標準。例如，對二類閘的描述為工程存在一定損壞，經大修后，可正常運行。這種文字性的界定方式制約了實踐指導作用，基于故障模式開展水閘安全評價，有利于形成較為清晰的安全等級劃分標準，從而更好地規范水閘安全管理工作。

1 水閘安全評價方法選型

FMECA法主要用于分析失效模式及其影響，然后在這一基礎上評價失效模式的危害程度，該評價方法能實現量化評價，形成失效率、可靠度、平均故障間隔時間等特征值，但在大部分應用中將其作為一種定性評價的手段。FMECA法在系統故障模式分析中發揮著重要的作用，但也表現出缺陷，主要問題為邏輯性不強，難以分析系統中各類元素之間的關系。鑒于此，這種安全評價方法通常和故障樹法（FTA）配合應用，FTA強于關系梳理和邏輯分析，彌補了FMECA法的缺陷[1]。因此，故障模式下水閘安全評價采用FMECA和FTA兩種分析方法。

2 故障模式下水閘的安全評價過程

2.1 系統界定

水閘中存在多個子系統，其功能差異較大，在故障模式分析和安全評價中不可一概而論。FMECA中的系統界定環節重在根據水閘的結構和功能特點，合理地劃分出子系統，為后續的故障模式分析奠定基礎。水閘的子系統可分為兩個級別，一級子系統從功能出發，二級子系統由實現一級子系統的主要設備設施構成，具體情況如下。①防洪子系統。防洪是水閘的主要功能之一，其防洪子系統的二級構件為閘墩和岸堤。防洪子系統決定了水閘的蓄水能力和洪水通過能力等，根據其功能，在安全評價中主要分析頂部高程以及可承受的洪水等級；②抗滲子系統。水閘滲流主要發生在兩個部位，其一為閘基，其二為側向防滲結構。因而抗滲子系統的二級構件包括水平鋪蓋、防滲齒墻以及底板；③受力子系統。水閘中多個構件承受著較大的力學載荷，這些受力構件統一歸結為受力子系統，如啟閉閘門的工作橋、承載上層結構的閘墩；④啟閉子系統。水閘上設有閘門，在啟閉機的作用下開啟或者關閉；⑤輔助子系統。水閘配套的電力、機械傳動、遠程控制等二級設備與構件共同構成其輔助子系統[2]。

2.2 故障模式界定

故障模式主要從二級構件的功能實現進行判斷，可分為顯性和隱性兩大類，顯性故障已經對水閘系統的運行產生了影響，隱性故障暫時未產生負面影響，但長期發展后，通常會轉變為顯性故障。

2.2.1 防洪子系統的故障模式。第一，顯性故障。①閘墩和岸堤的高程受到結構沉降的影響而降低，導致蓄洪能力不足；②孔口斷面形式發生變化，造成過流能力下降。第二，隱性故障。①閘墩小幅度沉降，對整體蓄洪能力影響較小；②岸堤變形、開裂，但暫時未出現滲漏。

2.2.2 抗滲子系統的故障模式。第一，顯性故障。①滲徑不足可能會引起潰壩，水閘抗滲子系統中可能會出現伸縮縫、底板或者水平鋪蓋開裂，這些問題均可引發滲徑不足；②翼墻結構性損壞可導致側向抗滲結構滲漏。第二，隱性故障。各類二級抗滲結構出現變形、破損或者開裂，但未出現滲漏水問題。

2.2.3 受力子系統的故障模式。第一，顯性故障。①水閘鋼筋混凝土結構受各種因素影響，出現結構應力下降；②翼墻結構破壞，穩定性下降；③閘室結構性破壞，難以達到抗震設計標準，閘室破壞通常由側墻、底板等結構組成部分引起；④消能設施淤積，消能效果下降，危及臨近建筑結構。第二，隱性故障。①受力子系統對應的二級結構出現各類損壞，如開裂、碳化、露筋等，但暫時不影響基本功能；②消能設施雖存在淤積，但消能防沖作用基本不受影響，其保護效果維持正常水平[3]。

2.2.4 啟閉子系統的故障模式。第一，顯性故障。①啟閉機故障，無法正常運轉；②閘門故障，如因生銹卡滯而無法開啟，影響擋水、泄洪能力。第二，隱性故障。①閘門生銹，但不干擾啟閉；②啟閉機存在較小的故障，但短期內仍可運行；③啟閉機對應的鋼絲繩受損，但暫時未影響啟閉功能。

2.2.5 輔助子系統的故障模式第一，顯性故障。①電源、傳動、控制設備故障，導致功能缺失；②水閘遠程監控終端失效，無法提供服務。第二，隱性故障。①輔助設備線路接觸不良，功能不穩定；②小部分遠程監控設備損壞，剩余設備依然正常運行。

2.3 確定安全評價參數

2.3.1 嚴酷度。嚴酷度反映出故障模式的危害程度，在FMECA評價系統中將嚴酷度劃分為四種類別。結合水閘各個子系統的特點，將其故障模式的嚴重程度劃分為10個級別。

2.3.2 發生度。發生度用于表征各類故障模式的發生頻度，該指標具有統計學特點。以國內50座水閘從1970-1990年的故障數據為依據，分一級子系統、二級設備設施以及故障模式三個維度，統計每一類故障模式在50座水閘中的發生頻度。例如，防洪子系統的二級設備設施包括堤防、閘墩等，經統計，50座水閘中堤防高程不足的發生次數為9次，那么該故障模式的發生頻度即為9[4]。將故障模式的發生度劃分為4種類型，分別記為A（幾乎會發生）、B（經常發生）、C（有可能發生）、D（很少發生）。將各類故障模式的發生頻度按照數值劃分為10個等級，故障模式的發生度類別與發生頻度之間的對應關系為D{1,2,3}、C{4,5,6}、B{7,8}、A{9,10,11…}。當故障模式的發生頻度≥9時，均記為A類。

2.3.3 檢出度。水閘系統故障模式多樣，但部分故障模式通過觀察即可判斷，檢出難度較小。還有些故障模式較為隱蔽，需借助儀器和數據計算才能確定，檢出難度較大。檢出度表征故障模式的檢出難度，該指標受到多種因素的影響，如人員素質、檢測工具、檢測方法、環境因素。將故障模式的檢出難度劃分為10個等級，取值從1-10。等級1表示目視觀察即可判斷的故障模式。等級2表示將資料和觀察相結合才能判斷的故障模式。檢測難度逐級增加，等級10表示難以確定的故障模式。將水閘系統的檢出度水平劃分為4種類別，分別記為a（難檢測）、b（可檢測）、c（較易檢測）、d（容易檢測）[5]。檢出度水平與檢出難度等級之間的關系為a{9,10}、b{7,8}、c{4,5,6}、d{1,2,3}。

2.4 危害性分析

在FMECA中，風險優先數和重程度兩個參數共同決定危害性，其中風險優先數RPN是嚴重度數（S）、不易探測度數（D）以及頻度數（O）三者的乘積。結合研究中的分類，將嚴重度等級、發生頻度等級以及檢出難易度等級均為7以上的故障模式關聯在一起，用于表征易檢測、發生頻率高、后果嚴重的故障模式。將以上3種指標在4到6之間的故障模式關聯在一起，用于表征3個指標均處于中等程度的故障模式。

2.5 故障樹在FMECA安全評價中的應用

在水閘的一級子系統中含有多個二級子系統，例如，受力子系統中涵蓋了頂板、底板、翼墻等二級元素，任何一個二級元素出現故障都會影響到一級子系統的安全性，當多個二級元素同時出現故障時，一級子系統故障模式的安全評價將變得更加復雜，FMECA安全評價法不適用于此類場景的故障分析[6]。故障樹用于分析各個子系統中同級元素之間的關系，其特點為邏輯嚴密，常用于解析復雜的安全問題。

2.5.1 故障樹建樹方法。以下采用簡化的水閘故障模式說明故障樹的建樹方法，假設某水閘檢測到7個故障模式。分別為X1——水平鋪蓋砌石開裂、X2——水閘底板混凝土結構開裂、X3——閘墩碳化、X4——閘墩強度不足、X5——閘門破損開裂、X6——閘門銹蝕卡滯、X7——啟閉機運行異常，但暫時無故障。

2.5.2 求故障樹的最小割集。最小割集是引起頂事件發生的充分必要條件，最小割集在事故樹系統中的含義可從3個方面加以理解。其一，最小割集的數量越多，表明系統的危險性越大。其二，最小割集反映出頂事件發生的原因組合，當某個雖小割集內的事件同時發生時，必然會引起頂事件。其三，最小割集是系統安全風險控制的主要因素，消除最小割集內的任一事件，即可避免頂事件發生。結合圖1，將此事件記為E1（水閘不能安全運行），3個二級子事件記為E2（抗滲系統不滿足要求）、E3（受力系統不滿足要求）、E4（啟閉系統不滿足要求），2個三級子事件記為E5(閘墩結構安全性不足)、E6（閘門啟閉時存在振動）。按照故障樹割集的計算方法，最終求得4個割集，分別為{X2}、{X5}、{X3、X4}、{X6、X7}。

圖1 水閘系統故障樹

3 結束語

水閘發生故障時可能會引發安全事故，造成經濟損失和人員傷亡。因此，在故障模式下開展水閘安全評價有利于掌握其危險程度、確定潛在的事故隱患。FMECA安全評價法可用于水閘安全度評級，確認其在故障情況下的風險等級。FTA安全評價法用于確定引發水閘事故的具體原因，可開展事前預測和事后分析，具備良好的事故預防效果。