基于FMECA昌马旧总干第二排沙道进水闸安全评价

李 旸

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,兰州 730000)

1 概 述

水闸工程是重要的水利工程建筑,对防洪、灌溉具有重要影响。修建水闸工程,有利于促进当地农业、水运等行业的发展,带动当地经济。但在长期使用过程中,水闸安全性将发生一定的变化,尤其是早期修建的水闸受限于当时的经济、技术水平,其安全性降低显著［1-3］,有些水闸甚至出现严重的破坏。因此,快速准确获取水闸工程的安全性等级是十分必要的,可为水闸后续的运行管理提供参考。

FMECA方法是目前常用的水利建筑安全性评价方法之一,其评价速度快、结果可靠,在较多的工程实践中得到推广使用［4-6］。

2 FMECA法原理

该方法将水闸安全情况视为一个系统功能,通过收集影响系统功能的各项因素,以及各种因素可能导致系统出现故障的概率和故障严重性,从而分析系统出现故障的危害程度。一般情况下,采用风险优先数RPN进行计算,公式如下:

RPN=ESR×OPR×DDR

(1)

式中:ESR为故障影响程度,根据影响大小分为1～5分;OPR为故障概率,根据概率大小分为1～5分;DDR为检测难度,根据检测难易程度分为1～5分。

3 昌马旧总干第二排沙道进水闸安全评价

3.1 工程概况

昌马旧总干第二排沙道进水闸位于疏勒河昌马渠首下游16km处的昌马旧总干渠道上,距玉门市区22.5km。工程始建于1958年,水闸布置形式为正面进水、侧面排沙,由3孔节制闸和3孔排沙闸组成,主要作用是拦沙排沙,从而降低昌马新、旧总干渠来水的含沙量,使较为清澈的上层水继续通过节制闸供下游灌区使用。节制闸和排沙闸设计过闸流量均为35m3/s。工程等级为Ⅲ级,规模为中型。

3.2 昌马旧总干第二排沙道进水闸FMECA分析

3.2.1 现状调查

工程存在的主要问题分述如下:

1)节制闸。闸墩、闸底板混凝土剥蚀严重,形成蜂窝麻面;门槽及底坎埋件磨损严重,密封不严,闸门锈蚀变形,漏水严重;闸室平台工作桥板、结构柱混凝土开裂,局部钢筋裸露;闸室上部启闭机室为砖木结构,年久失修,存在安全隐患;上游导砂坎半径过小;下游斜坡段底板混凝土开裂,纵、横向裂缝明显,混凝土呈片状掉落,两侧预制砖渠坡纵向裂缝严重;消力池为下挖式消力池,池内积水无法排出,冬季冻胀严重;渐变段底板混凝土网状裂缝明显,混凝土板翘起。

2)排沙闸。闸墩、底板混凝土剥蚀严重,形成蜂窝麻面;门槽及底坎埋件磨损严重,密封不严,闸门锈蚀变形,漏水严重;闸室平台工作桥板、结构柱混凝土开裂,局部钢筋裸露;闸室上部启闭机室为砖木结构,年久失修,存在安全隐患;下游所接消力池已被砂子淤满,消力池及渐变段浆砌卵石边坡杂草丛生。

3)昌马旧总干第二排沙道进水闸始建于1958年,截至目前已运行60余年。为准确掌握闸墩及闸室底板混凝土现状强度情况,采用回弹仪进行检测,检测结果见表1。

4)水闸闸室上下游翼墙均建于砂卵砾石基础之上,上下游渠道均已衬砌,水闸基础渗流量小,因此不再进行渗流安全计算。节制闸、排沙闸抗滑安全系数见表2、表3。

5)节制闸、排沙闸结构安全复核中已将地震工况进行了复核计算,闸室抗滑(倾)稳定和基底大小应力比均在规范要求范围,表明水闸抗震满足要求。但由于水闸闸室、工作平台及启闭机室均已使用60余年,结合混凝土结构强度检测内容,节制闸、排沙闸闸墩混凝土强度值较低,结构老化,抗震能力已不能满足要求。

6)排沙渠。混凝土预制砖结构,渠坡杂草丛生,坡砖不同程度掉落,渠内水流不畅;下游110m处有车桥一座(已废弃),桥墩阻水,导致整条渠道泥沙淤积严重,淤积厚度0.3～0.7m不等。

7)上游沉沙渠。浆砌卵石宽浅式梯形断面,经多年运行,渠坡浆砌卵石表面嵌缝砂浆冲刷磨损严重,水位以下部分卵石裸露,坡面贯穿性裂缝较多,灌木、杂草丛生;渠底泥沙淤积厚度0.2～1.0m,导砂坎前泥沙淤积现象最为严重,历年淤积深度最大为1.0m。

3.2.2 FMECA分析

采用FMECA法分析,昌马旧总干第二排沙道进水闸目前主要故障见表4。

表1 混凝土强度结果

表2 节制闸抗滑稳定安全系数及基地应力计算成果表

表3 排沙闸抗滑稳定安全系数及基地应力计算成果表

表4 昌马旧总干第二排沙道进水闸FMECA分析

3.3 昌马旧总干第二排沙道进水闸安全评价

通过现场调查和复核计算,水闸目前在受力、排沙、启闭、防渗等方面均存在较为严重的故障,其中部分故障将对水闸排沙功能及水闸结构安全造成严重影响。

为了保证选取的数据更具有代表性,通过咨询行业内知名专家,对数据进行模数处理,建立模糊评价模型。针对这一方法,已有较多专家进行了大量相关研究,此处不再赘述［7-9］。

以昌马旧总干第二排沙道进水闸的启闭系统为例,对方法进行简单介绍。闸门、启闭机权重均为0.5。采用R1、R2、R3表示ESR、OPR、DDR。启闭系统的安全评价矩阵为:

(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)

启闭系统,二级权向量为W=(0.1733,0.4966,0.3261),评价结果B2=W*R=(0.1609,0.1828,0.2290,0.2106,0.2126)。

按照式(8)进行清晰化处理:

(8)

式中:u(ui)为系数;ui为评价结果。

启闭系统结果为4.1973。根据表5可知,评价结果为C级。

表5 分类标准

同理,水闸排沙、受力、辅助、防渗安全分别为C级、C级、C级、B级。船闸质量等级为C级。

4 结 论

为了准确、快速获取水闸工程的安全性情况,采用FMECA方法,对现场调查结果和复核分析计算结果进行综合评价。根据分析,目前昌马旧总干第二排沙道进水闸在排沙、受力、启闭、辅助等方面均存在较为严重的问题,对水闸功能发挥和结构安全影响较大,水闸安全等级为C级,需要采取除险加固措施。