FMECA法在枣庄市东王庄闸安全评价中的应用

张 翔

(枣庄市市中区城乡水务局，山东 枣庄，277100)

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[1-3]。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[4-6]。FMECA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。

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：

RPN=ESR×OPR×DDR

(1)

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2 ESR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

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

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：

(1)

(2)

(3)

B1=W1×R1=(0.35,0.35,0.1,0.1,0.1)

(4)

B2=W2×R2=(0,0.2,0.35,0.25,0.2)

(5)

B3=W3×R3(0,0.1,0.3,0.25,0.35)

(6)

按照式(7)进行清晰化处理：

(7)

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

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。