基于FMECA 新疆铁斯巴汗水库安全评价

任 睿

（新疆伊犁河流域开发建设管理局,新疆 伊宁 835000）

1 引言

水库工程建设具有发电、灌溉、防洪等作用,对当地经济发展、社会平稳具有较大的促进作用[1-2]。我国修建了大量的水库工程,以改善当地的生态环境、促进农业发展。但是在当时的经济、技术水平限制下,水库建设标准较低,工程质量较差,存在一定的安全风险[3-6]。因此,对水库安全情况进行检测、鉴定、评价是非常必要的。FMECA 法、模糊综合法、云模型法等是水库安全评价中常用的研究方法,取得了良好的效果,评价结果较为可靠,计算效率较高[7-8]。

2 FMECA 法原理

FMECA 方法在工程实践中应用较多,主要是通过分析不同指标对系统运行的影响程度、概率等,从而获取系统的危害等级。该方法是一种定性定量相结合的方法。一般采用风险优先数RPN来表示,计算方法如下：

式中：ESR、OPR、DDR分别为故障影响程度（可分为无影响1 分、轻微影响2 分、一般影响3 分、功能中断4 分、重大影响5 分）、故障概率（可分为极低1 分、较低2 分、中等3 分、高4 分、极高5 分）、检测难度（可分为观察可发现1 分、检测可发现2 分、仔细检测可查3 分、仪器检测4 分、无法查明5 分）。

3 铁斯巴汗水库安全评价

3.1 工程概况

铁斯巴汗水库枢纽布置水库枢纽主要包括大坝、溢洪道、放水涵洞三部分。大坝轴线大致呈东西方向。放水涵洞全长124 m,其中洞身段长27 m。放水涵洞位于坝桩号0+233.87处,洞轴线与坝轴线相交,夹角为72.01°。溢洪道全长193 m,其中衬砌段48.6 m。溢洪道位于大坝左坝段坝桩号0+107 处,夹角为68.34°。

3.2 大坝FMEA 分析

3.2.1主要建筑物现状调查

（1）坝体

铁斯巴汗水库2004 年除险加固后坝型为土工膜斜墙堆石坝。大坝防浪墙桩号0+030～0+320,全长290 m,最大坝高13.62 m。大坝轴线大致呈东西方向,坝顶宽6.0 m。坝顶上游侧设钢筋砼防浪墙,防浪墙高出坝顶1.2 m。坝顶采用20 cm厚砂砾石路面,上游坝坡为1∶1.5,下游坝坡为1∶1.4,均采用砼预制块护坡。2016 年夏季发生特大洪水,库水漫坝,主坝段坝后坡受水流冲刷,坡面砼预制块被破坏,局部砼预制块下有淘空现象。水库存在较大淤积问题,主要集中于坝前且对放水洞引水影响严重。水库上游的集水区域为中低山地带,库区两岸边坡较缓,无大规模崩塌,库区两岸冲沟延伸不远,暴雨携带的碎屑物入库量不大。根据水文资料,水库多年平均入库输沙量为8000 t,因此水库有一定的淤积问题。据调查了解,2004 年水库完成了除险加固时,库水位仅能维持在死水位附近,此后库盘经过数年淤积,水库可以蓄存部分水量,最多能达到一半库容。库盘淤积的低液限粉土起到了减少渗漏的作用,但水库两岸巨厚的卵石混合土层为中等透水性,是库水通向库外良好的渗漏通道,水库现状仍然渗漏严重。

（2）溢洪道

溢洪道全长45 m,为砼结构,出水渠段以后只开挖不衬砌,原设计两侧砂砾石开挖边坡为1∶1.5,岩石开挖边坡为1∶0.5。现场对溢洪道砼结构进行了调查,边墙未见倾斜、裂缝等破坏,砼结构较为完好。查阅本工程除险加固后的竣工资料,施工开挖后溢洪道砼结构底板均位于弱风化岩体内。出水渠段以后现状底板基岩裸露,两侧砂砾石现状冲刷严重,局部为直立陡坎。

（3）放水涵洞

放水涵洞现场检查存在的问题：进口段淤积严重。放水涵管洞身段为φ600 mm 的钢管,现已锈蚀严重。出口未设消能措施,由于无衬砌已危及放水涵管下游出口。闸阀周围有积水,现已锈蚀严重,在坝体与闸井房接触处有小股明流。

（4）安全管理

大坝安全监测等管理设施不完善；水库调度规程基本合理,但无应急预案；水库建成后配备管理人员不足,不能按审批的调度规程合理调度运行；大坝养护处于不安全和不完整的工作状态。

大坝没有安全监测设施及资料。

（5）金属结构

放水涵管启闭闸阀锈蚀严重,闸阀周围有积水,闸阀启闭困难。法兰盘和钢管没进行防锈处理,现已锈蚀严重。在紧急情况下,不能保证闸阀正常开启。

（6）复核计算

根据工程资料,不同计算工况下大坝稳定性情况见表1。

表1 大坝稳定性计算结果

经复核计算,大坝主要存在以下问题：

经计算,大坝横断面（0+220）稳定渗流期下游坝坡稳定安全系数为K上=1.026＜1.25,不满足规范要求。

铁斯巴汗水库工程年渗漏量为15.59×104m3,水库现状总库容为70×104m3,大坝年渗漏量占水库总库容的22.27%。渗漏严重,但坝后溢出点的渗透比降imax=0.2＜J允许=0.54,在允许的渗透比降范围,因此,坝体的渗流是稳定的。

泄洪建筑物的泄流能力不满足要求。水库调度方式不符合要求,抗洪能力不足。现状坝顶高程不满足要求。

3.2.2FMEA 分析

采用FMEA 法分析,水库目前主要故障见表2。

表2 大坝FMEA 分析

3.3 大坝安全评价

根据现场调查和安全复核计算结果可知：铁斯巴汗水库大坝在受力、防洪、启闭、防渗、辅助等方面均存在较大的问题。模糊综合法可通过咨询专家,弥补调查数据偏少的缺陷。该方法在众多工程实践中得到了应用,取得了良好效果。

以水库启闭系统为例,对FMECA 法在水库安全评价中的应用进行分析。水库启闭系统,闸门、启闭机权重均为0.50。ESR、OPR、DDR 参数由R1、R2、R3表示。

模糊评价矩阵如下：

因此,水库启闭系统,二级权向量为W=（0.1985,0.3458,0.4557）,评价结果B2=W×R=（0.1151,0.1447,0.2767,0.2356,0.2279）。

按照式（8）进行清晰化处理：

式中：u（ui）系数；ui评价结果。

启闭系统结果为1.5279。根据表3 可知,评价结果为B 级。

表3 分类标准

同理,水库防洪、受力、辅助、防渗安全分别为C 级、C 级、C 级、C 级。水库安全综合等级为C 级。

4 结论及建议

4.1 结论

结合现场安全调查和稳定性复核计算,采用FMECA 方法对铁斯巴汗水库安全等级进行评价。目前,水库在防洪、受力等各方面均存在较大的问题,水库安全等级为C 级,需要及时采取除险加固治理措施以保证水库的安全。

4.2 建议

建议针对水库大坝采取以下措施进行除险加固治理：

（1）加高加宽大坝冲毁部分；

（2）新建放水涵洞及金属结构；

（3）改造溢洪道及增设坝后消能措施；

（4）恢复原库容；

（5）增设大坝监测设施、水文测报、通讯等设施；

（6）完善管理制度,提高管理水平。