基于FMECA昌馬舊總干第二排沙道進水閘安全評價

李 旸

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司,蘭州 730000)

1 概 述

水閘工程是重要的水利工程建筑,對防洪、灌溉具有重要影響。修建水閘工程,有利于促進當地農業、水運等行業的發展,帶動當地經濟。但在長期使用過程中,水閘安全性將發生一定的變化,尤其是早期修建的水閘受限于當時的經濟、技術水平,其安全性降低顯著［1-3］,有些水閘甚至出現嚴重的破壞。因此,快速準確獲取水閘工程的安全性等級是十分必要的,可為水閘后續的運行管理提供參考。

FMECA方法是目前常用的水利建筑安全性評價方法之一,其評價速度快、結果可靠,在較多的工程實踐中得到推廣使用［4-6］。

2 FMECA法原理

該方法將水閘安全情況視為一個系統功能,通過收集影響系統功能的各項因素,以及各種因素可能導致系統出現故障的概率和故障嚴重性,從而分析系統出現故障的危害程度。一般情況下,采用風險優先數RPN進行計算,公式如下:

RPN=ESR×OPR×DDR

(1)

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

3 昌馬舊總干第二排沙道進水閘安全評價

3.1 工程概況

昌馬舊總干第二排沙道進水閘位于疏勒河昌馬渠首下游16km處的昌馬舊總干渠道上,距玉門市區22.5km。工程始建于1958年,水閘布置形式為正面進水、側面排沙,由3孔節制閘和3孔排沙閘組成,主要作用是攔沙排沙,從而降低昌馬新、舊總干渠來水的含沙量,使較為清澈的上層水繼續通過節制閘供下游灌區使用。節制閘和排沙閘設計過閘流量均為35m3/s。工程等級為Ⅲ級,規模為中型。

3.2 昌馬舊總干第二排沙道進水閘FMECA分析

3.2.1 現狀調查

工程存在的主要問題分述如下:

1)節制閘。閘墩、閘底板混凝土剝蝕嚴重,形成蜂窩麻面;門槽及底坎埋件磨損嚴重,密封不嚴,閘門銹蝕變形,漏水嚴重;閘室平臺工作橋板、結構柱混凝土開裂,局部鋼筋裸露;閘室上部啟閉機室為磚木結構,年久失修,存在安全隱患;上游導砂坎半徑過小;下游斜坡段底板混凝土開裂,縱、橫向裂縫明顯,混凝土呈片狀掉落,兩側預制磚渠坡縱向裂縫嚴重;消力池為下挖式消力池,池內積水無法排出,冬季凍脹嚴重;漸變段底板混凝土網狀裂縫明顯,混凝土板翹起。

2)排沙閘。閘墩、底板混凝土剝蝕嚴重,形成蜂窩麻面;門槽及底坎埋件磨損嚴重,密封不嚴,閘門銹蝕變形,漏水嚴重;閘室平臺工作橋板、結構柱混凝土開裂,局部鋼筋裸露;閘室上部啟閉機室為磚木結構,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水閘始建于1958年,截至目前已運行60余年。為準確掌握閘墩及閘室底板混凝土現狀強度情況,采用回彈儀進行檢測,檢測結果見表1。

4)水閘閘室上下游翼墻均建于砂卵礫石基礎之上,上下游渠道均已襯砌,水閘基礎滲流量小,因此不再進行滲流安全計算。節制閘、排沙閘抗滑安全系數見表2、表3。

5)節制閘、排沙閘結構安全復核中已將地震工況進行了復核計算,閘室抗滑(傾)穩定和基底大小應力比均在規范要求范圍,表明水閘抗震滿足要求。但由于水閘閘室、工作平臺及啟閉機室均已使用60余年,結合混凝土結構強度檢測內容,節制閘、排沙閘閘墩混凝土強度值較低,結構老化,抗震能力已不能滿足要求。

6)排沙渠。混凝土預制磚結構,渠坡雜草叢生,坡磚不同程度掉落,渠內水流不暢;下游110m處有車橋一座(已廢棄),橋墩阻水,導致整條渠道泥沙淤積嚴重,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,經多年運行,渠坡漿砌卵石表面嵌縫砂漿沖刷磨損嚴重,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,導砂坎前泥沙淤積現象最為嚴重,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水閘目前主要故障見表4。

表1 混凝土強度結果

表2 節制閘抗滑穩定安全系數及基地應力計算成果表

表3 排沙閘抗滑穩定安全系數及基地應力計算成果表

表4 昌馬舊總干第二排沙道進水閘FMECA分析

3.3 昌馬舊總干第二排沙道進水閘安全評價

通過現場調查和復核計算,水閘目前在受力、排沙、啟閉、防滲等方面均存在較為嚴重的故障,其中部分故障將對水閘排沙功能及水閘結構安全造成嚴重影響。

為了保證選取的數據更具有代表性,通過咨詢行業內知名專家,對數據進行模數處理,建立模糊評價模型。針對這一方法,已有較多專家進行了大量相關研究,此處不再贅述［7-9］。

以昌馬舊總干第二排沙道進水閘的啟閉系統為例,對方法進行簡單介紹。閘門、啟閉機權重均為0.5。采用R1、R2、R3表示ESR、OPR、DDR。啟閉系統的安全評價矩陣為:

(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,二級權向量為W=(0.1733,0.4966,0.3261),評價結果B2=W*R=(0.1609,0.1828,0.2290,0.2106,0.2126)。

按照式(8)進行清晰化處理:

(8)

式中:u(ui)為系數;ui為評價結果。

啟閉系統結果為4.1973。根據表5可知,評價結果為C級。

表5 分類標準

同理,水閘排沙、受力、輔助、防滲安全分別為C級、C級、C級、B級。船閘質量等級為C級。

4 結 論

為了準確、快速獲取水閘工程的安全性情況,采用FMECA方法,對現場調查結果和復核分析計算結果進行綜合評價。根據分析,目前昌馬舊總干第二排沙道進水閘在排沙、受力、啟閉、輔助等方面均存在較為嚴重的問題,對水閘功能發揮和結構安全影響較大,水閘安全等級為C級,需要采取除險加固措施。