李洪煊,蔡 新,徐錦才,易劍剛,楊光明

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.南京市市政設(shè)計(jì)研究院,江蘇 南京 210008;4.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇南京 210098;5.水利部農(nóng)村電氣化研究所,浙江杭州 310012)

水工金屬結(jié)構(gòu)在水利工程中擔(dān)負(fù)著防洪、灌溉、引水發(fā)電等多項(xiàng)控制性任務(wù),其安全運(yùn)行是保證水利工程發(fā)揮巨大經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益的重要條件.截至2009年,我國(guó)已建成水庫(kù)86 353座,其中病險(xiǎn)水庫(kù)30 413座,占水庫(kù)總數(shù)的35%[1],金屬結(jié)構(gòu)安裝量接近400萬(wàn)t[2].大部分病險(xiǎn)水庫(kù)的金屬結(jié)構(gòu)均已接近設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期,結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,因此研究水工金屬結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值,特別是對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)的金屬結(jié)構(gòu).

傳統(tǒng)水工金屬結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要采用單一安全系數(shù)法,其具有半理論半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì).基于可靠度的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法是一種新的安全評(píng)價(jià)方法,該法能給予水工金屬結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的安全度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).水工金屬結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要包括安全性、適用性和耐久性.文獻(xiàn)[2-6]從安全性和耐久性方面提出了閘門和啟閉機(jī)的安全評(píng)價(jià)體系,該體系通過(guò)分層考慮各個(gè)子目標(biāo)的可靠度,進(jìn)而得到水工金屬結(jié)構(gòu)整體可靠度.

在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi),影響水工金屬結(jié)構(gòu)安全性的主要因素是動(dòng)態(tài)變化的,即其安全性具有時(shí)變效應(yīng).荷載的時(shí)變效應(yīng)主要體現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化上;抗力的時(shí)變效應(yīng)主要由材料內(nèi)部作用和周邊環(huán)境作用引起.考慮水工金屬結(jié)構(gòu)的時(shí)變效應(yīng),以可靠度為基本度量方法,以模糊聚合為基本手段,本文提出一種操作性更好的水工金屬結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)模型,并以水工閘門為例進(jìn)行分析,可為病險(xiǎn)水庫(kù)水工金屬結(jié)構(gòu)更新改造和農(nóng)村小水電站的安全運(yùn)行提供參考.

1 水工金屬結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

1.1 水工金屬結(jié)構(gòu)安全影響因素

文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)21個(gè)工程失事的44扇弧形閘門和8個(gè)工程失事的平面閘門的事故原因剖析,得出影響水工金屬結(jié)構(gòu)安全性的主要因素有強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、振動(dòng)、設(shè)計(jì)、上下游流態(tài)、焊縫質(zhì)量、金屬材質(zhì)、空蝕氣蝕、銹蝕和工程管理等因素.

1.2 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建原則

a.規(guī)范性原則.評(píng)價(jià)指標(biāo)必須在國(guó)家相關(guān)規(guī)范、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擬定.

b.全面性原則.評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)能完整地反映出金屬結(jié)構(gòu)安全性的各項(xiàng)特征.

c.層次性原則.評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)力求條理清晰,層次鮮明.

d.獨(dú)立性原則.評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)能獨(dú)立地反映水工金屬結(jié)構(gòu)的工作性態(tài).

e.可操作性原則.評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)能被現(xiàn)有的方法所度量.

1.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

通過(guò)對(duì)水工金屬結(jié)構(gòu)安全影響因素的分析研究,結(jié)合安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基本原則,構(gòu)造出單目標(biāo)、多層次的水工金屬結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系框架,如表1所示.以水工金屬結(jié)構(gòu)整體可靠度為總目標(biāo),將總目標(biāo)分解為安全性、適用性和耐久性3項(xiàng)子目標(biāo).每項(xiàng)子目標(biāo)再分為一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo).

表1 水工金屬結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系框架Table 1 Safety risk assessment model of hydraulic metal structures

1.3 水工金屬結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

1.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)方法

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重賦值方法可采用層次分析法(analytic hierarchy process,簡(jiǎn)稱 AHP 法)、Delphi法、專家評(píng)判法、頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析法.其中層次分析法得出的權(quán)重分配具有一定的理論基礎(chǔ),較以往采用的經(jīng)驗(yàn)法更能反映實(shí)際情況,可減少人為因素的影響,使得權(quán)重分配具有較高的真實(shí)性和合理性.本文采用層次分析法來(lái)確定各指標(biāo)體系的權(quán)重,其具體步驟如圖1所示.實(shí)際指標(biāo)賦權(quán)時(shí)可由多位專家分別對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán),再綜合各個(gè)專家不同的權(quán)重,最后得到考慮多個(gè)專家不同專業(yè)水平的權(quán)重向量.

1.3.2 二級(jí)指標(biāo)可靠度計(jì)算方法

工程結(jié)構(gòu)可靠度的計(jì)算方法主要有蒙特卡羅法、均值一次二階矩法、JC法(因被國(guó)際安全度聯(lián)合委員會(huì)JCSS采用,故稱為JC法)、隨機(jī)有限元法和概率法等.水工金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等可靠指標(biāo)的計(jì)算可采用JC法、隨機(jī)有限元法等,其他評(píng)價(jià)指標(biāo)可采用等級(jí)評(píng)分法或頻數(shù)統(tǒng)計(jì)法.等級(jí)評(píng)分法是將二級(jí)指標(biāo)劃分相應(yīng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)的上下限對(duì)應(yīng)相應(yīng)的可靠度,進(jìn)而通過(guò)直觀的等級(jí)評(píng)分換算出二級(jí)指標(biāo)的可靠度,詳細(xì)計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[2,5,7-9].

圖1 層次分析法流程Fig.1 Flow chart for AHP

1.3.3 安全風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法

由層次分析法計(jì)算出評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重后,考慮二級(jí)指標(biāo)的可靠度,即可構(gòu)建水工金屬結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)模型:

式中:β——水工金屬結(jié)構(gòu)的整體可靠度;n——子目標(biāo)數(shù),m——第i子目標(biāo)的一級(jí)指標(biāo)數(shù),隨i的變化而變化;p——第i子目標(biāo)的第j一級(jí)指標(biāo)的二級(jí)指標(biāo)數(shù),隨i,j的變化而變化;Ri——子目標(biāo)i的權(quán)重;Sij——子目標(biāo)i的一級(jí)指標(biāo)j的權(quán)重;Tijk——子目標(biāo)i的一級(jí)指標(biāo)j的二級(jí)指標(biāo)k的權(quán)重;βijk——子目標(biāo)i的一級(jí)指標(biāo)j的二級(jí)指標(biāo)k的可靠度.

1.3.4 敏度分析

對(duì)式(1)進(jìn)行二級(jí)指標(biāo)權(quán)重敏度分析,可知水工金屬結(jié)構(gòu)安全性的主要影響因素及其失效模式,可為水工金屬結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行、除險(xiǎn)加固排序、更新改造提供參考.

1.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參照文獻(xiàn)[10]中水工結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)(表2),根據(jù)水工金屬結(jié)構(gòu)安全級(jí)別及破壞類型,當(dāng)其整體可靠度小于表中相應(yīng)數(shù)值時(shí),結(jié)構(gòu)不安全,需要更新改造或整體報(bào)廢;反之,結(jié)構(gòu)安全.1.3.2節(jié)中等級(jí)評(píng)分法相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的上下限亦參考該標(biāo)準(zhǔn).

表2 目標(biāo)可靠指標(biāo)Table 2 Object reliability indices

2 考慮時(shí)變效應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

水工金屬結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中,影響其安全性的諸多因素將會(huì)隨時(shí)間變化,導(dǎo)致其可靠度改變,即水工金屬結(jié)構(gòu)的安全可靠度具有明顯的時(shí)變特征.一方面,水工金屬結(jié)構(gòu)的荷載作用隨時(shí)間變化,如閘門上下游水頭、啟閉機(jī)啟閉力、壓力鋼管內(nèi)水壓力、溫度荷載等;另一方面,結(jié)構(gòu)的抗力亦隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化,如金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕、疲勞等.

考慮時(shí)變效應(yīng)后水工金屬結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)模型可改寫為

式中下標(biāo)t表示時(shí)間為t時(shí)的指標(biāo)值.考慮指標(biāo)體系權(quán)重的變化旨在更加科學(xué)、合理、動(dòng)態(tài)地評(píng)價(jià)水工金屬結(jié)構(gòu)的安全性.

一般來(lái)說(shuō)可靠度 βijk,t隨時(shí)間變化是一維或多維的隨機(jī)非平穩(wěn)過(guò)程,本文采用較為簡(jiǎn)單的隨機(jī)過(guò)程模型,即:

式中:t0——水工金屬結(jié)構(gòu)完建時(shí)間;φijk,t——二級(jí)指標(biāo)的可靠度衰減函數(shù).由于 βijk,t0在設(shè)計(jì)時(shí)已知,因此時(shí)變可靠度的確定歸結(jié)為 φijk,t的確定,φijk,t可取線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)等[11-13].

本文主要考慮水工金屬結(jié)構(gòu)銹蝕對(duì)其可靠度的時(shí)變效應(yīng),參照文獻(xiàn)[13]構(gòu)造衰減函數(shù):

式中:tc——防腐措施的有效作用時(shí)間,a;v——平均腐蝕速率,mm/a;d0——構(gòu)件的初始厚度,mm.

3 實(shí)例分析

某水庫(kù)工程是一座以防洪、灌溉為主,兼有發(fā)電等效益的綜合性四等工程.其中溢洪道共6孔,孔口凈寬14m,堰頂高程242.925m,設(shè)6扇14m×12.5m(寬×高)露頂式弧形鋼閘門,閘門設(shè)計(jì)水頭12m,閘門啟閉設(shè)備為6臺(tái)2×450kN固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī),于1979年完成安裝,2004年完成金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè).

對(duì)該溢洪道上弧形閘門進(jìn)行安全檢測(cè)分析可知:邊、縱梁后翼緣板對(duì)接焊縫在板厚方向存在較多錯(cuò)位;閘門底檻多為較重銹蝕,局部嚴(yán)重銹蝕,表面布滿銹斑、銹包或銹坑,局部密集成片分布;閘門泄水時(shí)存在劇烈振動(dòng);閘門整體為較重銹蝕,局部有嚴(yán)重銹蝕;所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷.

在計(jì)算水位下,主橫梁的最大折算應(yīng)力、上下支臂臂桿最大軸向應(yīng)力、6根小橫梁的最大應(yīng)力均已超過(guò)材料相應(yīng)的容許應(yīng)力;邊縱梁最大應(yīng)力均小于材料相應(yīng)的容許應(yīng)力.閘門上、下主橫梁最大撓度值均小于主橫梁撓度的容許值;閘門支臂彎矩作用平面內(nèi)最大穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)力、支臂彎矩作用平面外最大穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)力均小于材料的容許應(yīng)力.

綜合該弧形閘門詳細(xì)的安全檢測(cè)分析資料,結(jié)合表1所示安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系,得出該弧形閘門安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系內(nèi)容如表3所示.

由表3可知,主要構(gòu)件的正應(yīng)力、剪應(yīng)力、穩(wěn)定性和剛度對(duì)閘門整體可靠度影響較大,即這4個(gè)因素為閘門安全風(fēng)險(xiǎn)的主要影響因素;該弧形閘門整體可靠度為2.63,小于Ⅲ級(jí)安全級(jí)別的一類破壞的水工結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)2.7,故該弧形閘門整體可靠度不滿足規(guī)范要求,應(yīng)對(duì)其相關(guān)部件進(jìn)行更新改造或整體報(bào)廢.

對(duì)比安全檢測(cè)資料可知,傳統(tǒng)水工金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)方法只能得出閘門相應(yīng)構(gòu)件應(yīng)力的安全系數(shù),同一閘門不同構(gòu)件其安全系數(shù)不一,閘門整體安全性無(wú)法度量.本文提出的單目標(biāo)、多層次安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法能夠統(tǒng)籌兼顧影響金屬結(jié)構(gòu)安全性的各個(gè)因素,且能定量給出金屬結(jié)構(gòu)整體可靠度,較之傳統(tǒng)安全系數(shù)法,評(píng)價(jià)結(jié)果更為全面合理.

表3 弧形閘門安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Safety risk assessment results of radial gate

圖2 閘門可靠度的時(shí)變效應(yīng)Fig.2 Time-varying effect of reliability of radial gate

由閘門安全檢測(cè)資料可知其平均銹蝕速率v=0.06mm/a,主梁厚度d0=25mm,閘門完建時(shí)刻可靠度為2.97(即影響閘門安全的各個(gè)因素都處于最有利狀態(tài)),則考慮時(shí)變效應(yīng)的弧形閘門安全可靠度如圖2所示.由圖2可知:隨著閘門運(yùn)行年限的增長(zhǎng),其可靠度呈線性下降趨勢(shì);在t=24a時(shí),其可靠度達(dá)到規(guī)范規(guī)定的最小值2.7,即閘門壽命為24a.通過(guò)構(gòu)造動(dòng)態(tài)可靠度,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘門的安全可靠度,為閘門安全運(yùn)行、檢修、壽命評(píng)估和更新改造提供依據(jù).

4 結(jié) 語(yǔ)

本文模型將水工金屬結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)從傳統(tǒng)的安全系數(shù)法發(fā)展到可靠度分析方法,基于可靠度的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型將更加科學(xué)并符合實(shí)際.實(shí)際評(píng)價(jià)過(guò)程中,二級(jí)指標(biāo)可靠度的確定是該安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型應(yīng)用的關(guān)鍵,其中強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的可靠度計(jì)算可采用隨機(jī)有限元法、蒙特卡洛法或JC法;其他的安全評(píng)價(jià)因素主要采用等級(jí)評(píng)分法.隨著全國(guó)病險(xiǎn)水庫(kù)金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)和更新改造的進(jìn)行,在掌握第一手資料的基礎(chǔ)上,通過(guò)理論分析和專家評(píng)判尋找構(gòu)造出一種合適、精確的時(shí)變函數(shù),評(píng)價(jià)結(jié)果將更為科學(xué)合理.

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