基于FMECA法章江水闸安全评价

潘纯

（辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110000）

水闸工程建设有利于改善防洪、蓄水条件，对当地农业、工业、生态环境发展、建设具有十分重要的作用[1，2]。新中国成立以来，我国修建了较多数量的水闸工程，取得了良好的效益。但是，早期修建的水闸在当时的历史条件限制下，工程建设标准较低，现已出现了或多或少的破损，一些破坏严重的水闸已经对下游居民的安全造成威胁[3，4]。因此，针对水闸工程的安全情况进行全面地分析评价尤为重要。有较多的因素影响水闸安全，评价指标选取应当全面、客观，方可保证评价结果的可靠性[5，6]。

1 FMECA法原理

FMECA法是通过考虑不同的影响指标导致评价系统可能出现的问题及严重程度、概率问题，对造成的故障类型进行分类，从而获得危害性情况[7，8]。FMECA是量化分析和危害评价相结合的方法。定量分析主要采用风险优先数计算，计算方法：

RPN=ESR·OPR·DDR （1）式中：RPN为风险优先数；ESR为故障影响程度，可分为无影响、轻微影响、一般影响、功能中断、重大影响，从小到大评分为1～5分；OPR为故障概率，可分为极低、较低、中等、高、极高，从低到高评分为1～5分；DDR为检测难度，可分为观察可发现、检测可发现、仔细检测可查、仪器检测、无法查明，从易到难评分为1～5分。

2 章江水闸现状

章江水闸位于章江上，水闸最大下泄流量为5 930 m3/s，设计灌溉面积约3 300 hm2，日供水量为30万m3；水电站总装机容量为5 000 kW，是一座大（1）型水闸工程。现状水闸布置4孔泄水闸，泄水闸轴线总长200 m。

北岸泄洪闸建筑物位于章江左岸，闸体长20.0 m，顶宽3.0 m，闸体为“包饺子”结构，外壳主要为混凝土，内部主要由一层砌石体一层混凝土相互叠置砌筑组成。闸体上部为0.8 m厚粗骨料混凝土，水泥砂浆胶结物蜂窝孔洞发育，胶结质量一般；中部砌石体厚5.1 m左右，主要为干砌块石，所砌筑的块石成分为紫红色泥质粉砂岩、细砂岩，强～弱风化状，局部可见水泥砂浆痕迹和少量砂浆块，砌筑不紧密；底部见薄层混凝土垫层，厚0.1 m左右，胶结质量较差，老化明显。闸体未见明显裂缝，下游设有简易消力池，底板及浆砌石边墙基本被毁坏。

南岸泄洪闸闸体闸室浆砌石体大部胶结较差，砌筑不紧密，粉砂岩埋石质量差，表面有2条贯通性横向裂缝，缝宽0.5～1.0 cm，建筑物总体质量差。

章江泄水闸堰体混凝土局部见细小蜂窝孔洞，未见明显裂缝，仅混凝土溢流表面存在冲刷现象，粗骨料裸露，总体质量尚可。闸墩浇筑质量较好，未见明显裂缝，局部存在冲刷现象，粗骨料裸露，总体质量尚可。筏道挡墙和底板混凝土表面均老化严重，粗骨料裸露，见多条横向裂缝。消力池冲刷较严重，粗骨料裸露，局部存在露筋现象。消力池间导墙局部地段浇筑质量较差，存在侵蚀现象。消力池与筏道间导墙粗骨料裸露，存在裂缝，导墙质量较差，消力槛与钢筋笼抛石接触处侵蚀较严重。混凝土海漫冲刷较严重，粗骨料裸露，局部裂缝，总体质量较差。混凝土海漫与钢筋笼抛石接触处掏蚀较严重，钢筋笼抛石总体质量尚可，闸坝左岸上下游护岸挡墙质量尚可。闸坝右岸上游护岸土堤具中等透水，存在渗透破坏隐患；闸坝右岸下游护岸挡墙下游段块石风化强烈，砌筑质量差，墙脚掏蚀较严重，墙体局部存在破损，倒塌等。

该闸混凝土标号较低，出现表层剥落现象。通过现场检测，部分混凝土保护层厚度不满足要求。闸门锈蚀面积较大，锈坑较深；传动机构运转不灵便、异响、丝绳直径较细，存在断丝现象；主次梁及各构件焊接接缝锈蚀较为严重等情况。工程观测设施不完善，进场公路等管理设施简陋。

根据工程资料，章江水闸上、下游水位及组合见表1。

表1 安全复核水位组合

校核工况下水闸过水能力不足，闸顶、右岸防护堤顶高程不满足设计要求；闸基抗渗、闸室抗滑稳定及地基应力条件满足要求，但高水位条件下右岸防护堤发生渗透破坏，不满足要求；消力池满足抗浮稳定要求，池深及池长不满足要求，消能防冲不满足要求。

3 FMECA分析

采用FMECA法分析，章江水闸目前主要故障见表2。

表2 入沭闸FMECA分析

4 章江水闸安全评价

根据安全调查和复核计算结果，章江水闸在受力、防洪、防渗、启闭等方面存在较大故障，在辅助方面故障较轻微。

为了弥补调查数据偏少的缺陷，建立模糊评价模型。模糊评价法在水利、岩土等众多行业得到了广泛的使用，关于模糊计算法的原理，不再赘述[9，10]。以启闭系统为例，对FMECA法的应用进行介绍。闸门、启闭机权重均为0.50。ESR，OPR，DDR分别由R1，R2，R3表示。

启闭系统安全模糊评价矩阵为：

水闸启闭系统二级权向量为W=（0.155 0，0.557 8，0.287 2），评价结果B2=W·R=（0.088 7，0.130 6，0.280 1，0.234 3，0.221 0），其中R为R1，R2，R3组成的矩阵。

按照下式进行清晰化（u′)处理：

式中：u(ui)为系数；ui为评价结果。

启闭系统结果为0.783 4。根据表3可知，评价结果为A级。

表3 分类标准

同理，章江水闸防洪、受力、辅助、防渗安全分别为B级、C级、B级、C级，因此水闸质量等级为C级。

5 结语

水闸工程安全评价是为了快速获取水闸安全等级，为水闸除险加固工程设计提供参考。通过FMECA法对章江水闸故障进行分析，水闸在受力、防洪、防渗、启闭等方面存在较大的缺陷，无法保证防洪工程安全。为了保证水库防洪效益，采取除险加固治理措施是十分必要的。