枣庄东王庄闸安全评价中FMECA法的原理和运用

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  摘    要: 影响水闸安全的因素众多,结合东王庄闸实际情况,通过现场调查和复核计算,利用FMECA方法对其安全等级进行评价,结果表明:东王庄闸安全等级为D级,即四类闸。水闸结构破损严重,辅助、监测设备不齐全,稳定性不满足要求,建议采用拆除重建的方法加以处理,以恢复水闸防洪功能。

  关键词: FEMCA; 水闸; 安全评价;

  1 、引言

  水闸是一种极为重要的水利工程建筑,具有控制河道水位和流量等重要作用,是防洪排涝、农田灌溉体系中不可缺少的建筑物[1,2,3]。自上世纪90年代以来,我国修建了大量的水闸工程,受限于当时的经济发展水平和科学技术水平,水闸修建质量低下,在长期的使用过程中出现了不同程度的破损,成为沿线居民生产生活的重要隐患点。水闸安全受到多个因素的影响,为了快速、准确评价水闸的安全情况,需要全面选取评价指标,并客观分析各指标的权重,最终获取水闸合理的安全情况,为水闸除险加固工程提供参考[4,5,6]。FME-CA法是一种常用的分析方法,在交通、水利、机械等行业已经进行了大量的应用,评价结果较为准确。本文结合枣庄市东王庄闸除险加固工程,对FMECA法在水闸安全评价中的应用进行研究。

  2 、FMECA法基本原理

  FMECA是一种常用的归纳分析法,通过总结待评价系统可能出现的故障类型及其影响因素,依据故障的严重程度和可能出现的概率将故障分类,从而获取其危害程度。FMECA法是FMEA法和CA法的组合。FMEA法是定量-定性分析法,根据故障类型和出现概率确定其风险,CA法根据危害程度和组合类型进行分类。

 

枣庄东王庄闸安全评价中FMECA法的原理和运用

 

  风险优先数在FMECA法是极其重要的,与故障发生概率、严重程度、检验难度直接相关。采用下式计算:

  式中:RPN为风险优先数;OPR为发生概率;ESR为严重程度;DDR为检验难度。不同因素的取值按照表1-表3选取。

  表1 OPR评分

表1 OPR评分

  表2 ESR评分

表2 ESR评分

  表3 DDR评分

表3 DDR评分

  3 、基于FEMCA法的水闸安全评价

  3.1 、水闸故障模式分析

  水闸的安全等级主要是依据水闸安全检测结果确定。影响水闸安全性的因素主要包括:水闸工程治理、渗流稳定性、结构稳定性、防洪复核结果、抗震情况、金属结构和机电等。水闸的安全结果是依据水闸各项功能的综合检验判定。目前,我国水闸出现故障较多的功能是:受力、防渗、防洪、启闭、辅助。水闸常用功能及故障类型见表4。

  表4 水闸常见故障

表4 水闸常见故障

  3.2 、东王庄闸FMEA分析

  3.2.1 、工程概况

  东王庄闸位于税郭支流,税郭支流最终汇入峄城大沙河。工程于1982年12月底竣工,至今已运行30多年,在蓄水灌溉方面发挥了巨大作用。东王庄闸为浆砌石墩自动翻板闸,全长43.5m,共9孔,每孔净宽4.5m,净高1.5m。顺水流方向左侧有一木制闸门控制闸,宽1.5m,无排架启闭设施,现浇混凝土桥面板宽5.5m,厚0.25m,桥面高程55.35m,桥栏杆采用钢管结构。

  3.2.2、 现状调查

  3.2.2. 1 、现场调查

  经过多年的运行,工程老化损坏严重,由于资金等方面的原因,一直没有实质上的维修,只是“头疼医头、脚疼医脚”地进行修补,未能从根本上消除隐患,工程存在隐患。由于资金等问题,工程建设标准偏低,近30年没有维修,冲刷严重,并多处出现毁坏,浆砌石铺盖全部损坏,上、下游淤积严重。闸体兼做交通要道,支墩混凝土强度等级偏低,碳化严重,致使砂浆脱落,钢筋外漏,墩顶砂浆抹面脱落,闸墩墩体部分脱落;护底毁害严重,放水时容易造成下游河床的冲刷,对堤防形成安全隐患;翻板式闸门板缺失,无启闭机,已经不能起到蓄水行洪作用;下游浆砌石翼墙右侧大面积缺失,上游右侧大面积损坏,砂浆抹面已脱落,浆砌石强度变低,结构受损,砌石裂缝过大,严重影响行泄洪安全;下游河道淤积严重,垃圾遍布,影响泄洪。

  3.2.2. 2 、复核计算

  (1)东王庄闸设计洪水标准为20年一遇,校核洪水标准为50年一遇。峄城大沙河流域5年一遇设计暴雨为148.84mm,20年一遇设计暴雨为214.52mm。东王庄闸址处20、50年洪峰流量分别为779 m3/s、989 m3/s。闸后生产桥阻水严重,水闸过流能力不满足20年一遇洪水要求。

  (2)东王庄闸下游河床为壤土,抗冲刷能力较低,允许平均流速为0.85m/s。局部出露强烈溶蚀风化灰岩,允许平均流速为3.05m/s。现状闸下水流流速较大,且无消能防冲设施,不能满足安全消能的要求。

  (3)浆砌石铺盖水毁严重,闸基渗径长度不满足要求。

  (4)东王庄闸闸基主要为灰岩,为较坚硬岩。该处无基岩出露,由地质图查得基岩岩层产状为22°∠13°,闸轴线走向为348°,水压力方向取垂直闸轴的方向线为258°,则基岩倾向与水压力方向的夹角为124°,不利于闸体稳定。地震情况下水闸抗滑稳定性不满足要求。

  3.2.3、 东王庄闸FMEA分析

  东王庄闸在受力、防渗、防洪、启闭、辅助等功能方面均出现了一定程度的故障。水闸FMEA分析结果见表5。

  表5 东王庄闸FMEA分析

表5 东王庄闸FMEA分析

  3.3 、基于FMECA法的东王庄闸安全评价

  东王庄闸主要涉及受力、防洪、防渗、启闭、辅助5个方面。水闸故障安全危害,可采用集合U=[U1,U2,U3]来表示,其中U1为ESR,U2为OPR,U3为DDR,各因素划分为5个等级,参照表1-表3。

  通过咨询业内知名专家,获取不同功能各种故障出现的频率,并结合模糊法改进FMECA模型。评价计算方法如下:

  以启闭系统为例,闸门、启闭机故障的权重为0.5、0.5,东王庄闸安全模糊评价矩阵为:

  按照式(7)进行清晰化处理:

  式中:u(ui)为加权系数;ui为评价结果。经计算,水闸启闭系统清晰化结果为4.21。根据表6分类,水闸启闭系统为D级。

  表6 分类标准

表6 分类标准

  同理,可以确定东王庄闸防洪安全为D级,受力安全为D级,渗流安全为D级,消能安全为C级,辅助安全为C级。水闸安全存在较为严重的缺陷,整体质量等级为D级,即四类闸。

  4 、结论

  结合东王庄闸对FMECA法在水闸安全评价中的应用进行分析,综合确定东王庄闸安全等级为D,即四类闸。通过现场调查和复核计算,东王庄闸在受力、防洪、防渗、启闭、辅助等功能方面均存在较为严重的缺陷。水闸结构老化严重,功能基本丧失,建议采用拆除重建的方式加以处理。

  参考文献

  [1] 陈世辉.利用水闸和排灌泵站加快治理水环境的实践分析[J].建材与装饰,2020(21):291+293.

  [2] 倪镔,吴皓明,高璐.城区水闸泵站工程安全警戒区划定工作的探索[J].江苏水利,2020(S1):73-78.

  [3] 李军.基于中小型水闸管理与提高防汛抗旱能力分析[J].价值工程,2020,39(06):91-92.

  [4] 庹世华,杜锦智.金塔县平交道拦水闸除险加固设计方案选择[J].水利技术监督,2020(04):207-211+227.

  [5] 邓建英.水闸除险加固工程的施工技术分析[J].长江技术经济,2020,4(S1):17-18.

  [6] 蒋文科.水利工程水闸除险加固中环境影响因素及有效保护[J].珠江水运,2020(12):51-52.

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