基于检测资料的闸门安全状态模糊综合评判

2019-06-22张云超

水力发电 2019年3期

关键词：金属结构水工闸门

张云超，黄铭，姚亮

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009；2.安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院，安徽合肥230009)

0 引言

我国有很多水利水电工程修建于建国初期[1]。经过多年的运行，很多的水工金属结构仍在发挥着巨大的作用。但是，由于年代久远，加之水工金属结构多数处于潮湿、阴暗等恶劣的环境中，其安全性能无法得到保证，因此对其进行检测及安全评价显得尤为重要。

本文以闸门为研究对象，由于闸门本身作为水利水电工程的挡水、排水的设备，所处的环境恶劣，并且常年承受静态、动态的水压力，因此其安全性能评判也是水工金属结构安全检测的重点关注对象[2]。

1 模糊综合评判

常见的水工金属结构安全评判方法有综合评判法和可靠度评判法，综合评判法是以水工金属结构安全的主要影响因素为框架，将多个因素转化为一个能够综合反映水工金属结构安全状态的指标来进行评价。可靠度评估法是选择出影响水工金属结构的多个因素作为随机变量，根据这些因素的统计结果以及水工金属结构相应的标准，计算失效率和可靠指标，进行安全评估[3]。

模糊综合评判是应用模糊转换原理，分析影响被评价事物的各种因素，确定出评价事物的因素集及评判等集，计算被评价事物的各种相关因素的隶属度与权值，然后进行综合评判[4]。由于影响闸门的安全因素较多，并且各影响因素对闸门的安全影响程度也不尽相同，因此本文采用模糊综合评判的方法对闸门进行安全评判。

2 闸门的模糊综合评判

2.1 评判因素集及评判框架

影响闸门安全性能的因素有很多种，由于闸门长期在阴暗潮湿的环境下工作，很容易产生不同程度的腐蚀[5]。较浅的腐蚀容易导致闸门漏水，启闭不稳定，严重腐蚀可能会使闸门失事，从而会危害到人民的生命和财产损失[6]。因此腐蚀应作为钢闸门安全检测的重要因素；水工钢闸门经过长期运行，其主要结构处的焊接部位可能会出现裂纹等缺陷，影响闸门的安全运行，因此焊缝应作为钢闸门安全检测的重要因素。闸门经过长时间的运行，其主要结构部件的材料，可能会发生老化现象，使得闸门状况可能与原设计不符，因此需要对闸门材料进行复核。根据以上内容，本文对闸门的安全综合评判采用多级评判框架，一级评判因素为

u={u1u2u3}={腐蚀焊缝材料}

腐蚀一般会有多个部位，将其各个部位做为二级评判因素，进行多级评判。在工程实践中，有时对焊缝的检测可能只涉及到某个部位，或者多个部位的某一点，因此对焊缝可根据具体情况进行一级或者多级评判。闸门材料涉及到其化学成分、抗拉强度等各种因素，本文重点讨论抗拉强度，化学成分一般不变，本文不作为代表项目；抗拉强度涉及到多个部位，将其各个部位作为二级评判因素，进行多级评判。

2.2 评判等级的划分

SL101—2014《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》(以下简称《规程》)中对闸门的安全等级分为安全、基本安全和不安全3个等级，所以本文据此将各评判因素的评判等级分为3个等级，即

v={v1v2v3}={安全基本安全不安全}

对于腐蚀，《规程》5.2中将腐蚀分为A、B、C、D 4级，规定A级为腐蚀不明显、B级为腐蚀平均深度不大于1 mm、C级为腐蚀平均深度不大于2 mm、D级为腐蚀平均深度大于2 mm，又根据《规程》13.0.2中腐蚀程度为A级和B级的评定为安全，腐蚀程度为C级的评定为基本安全，腐蚀程度属于D级的为不安全，因此本文规定腐蚀平均深度不大于1 mm的为安全，1 mm到2 mm的为基本安全，大于2 mm的为不安全。可用下式表示

(1)

对于焊缝，根据GB11345—89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级标准》(以下简称《标准》)，本文规定评定等级在评定线与定量线之间的为安全，在定量线与判废线之间的为基本安全，判废线以上的为不安全。

对于闸门材料中的抗拉强度，因为在GB700—2006《碳素结构钢的标准》中给出了抗拉强度具体相应的标准值范围，因此先确定出其安全系数[7]，公式为

(2)

式中，n为安全系数；σ为检测抗拉强度，σmin为容许最小抗拉强度。

然后确定最大安全系数，计算如下式

(3)

式中，N为最大安全系数；σmax为容许最大抗拉强度。

(4)

2.3 评判矩阵的确定

评判矩阵是由各个影响因素的隶属度所组成的，对于闸门的腐蚀情况，腐蚀的程度越小，闸门越安全，因此应采用偏小型分布函数确定隶属度，常见的偏小型分布有正态分布、梯形分布、抛物线型分布等，本文以偏小型的降半正态分布函数为例(见图1)，公式如下

(5)

图1 偏小型降半正态分布

(6)

式中，ui为评判因素的第i个检测值；j为评判等级的个数；σ为评判因素数据的标准差；rij为评判因素的第i个检测值ui对于安全等级vj的隶属度；aj为对应评判集vj在该区域的最小值。

对于焊缝采用模糊统计的方法确定隶属度，计算公式为

(7)

式中，nj为属于评判等级vj的评判因素的检测值个数；n为检测值总数。

对于闸门材料中的抗拉强度，强度越高，闸门越安全，因此应采用偏大型的分布函数确定隶属度，常见的偏大型有正态分布、梯形分布、抛物线型分布等，本文以偏大型的梯形分布为例(见图2)，其公式如下

(8)

对上式进行改进如下

(9)

图2 偏大型梯形分布

式中，aj、bj分别为对应评判集vj的最小值和最大值；即式(4)各个安全等级的数值。

2.4 权值的确定

根据评判对象的不同，权值的确定方法也有所不同，常见的有层次分析法、调查统计法、加权统计法和熵权法等[8]。本文根据闸门检测的现有资料及其数据特征，采用层次分析法来确定腐蚀、焊缝和闸门材料的权值。对于涉及到多个部位的腐蚀，由于腐蚀在每个部位都会对闸门产生较大的影响，因此对于各个部位采用平均赋权；对于闸门材料抗拉强度，同样每个部位的抗拉强度对闸门的影响是基本相同的，因此也采用平均赋权。

层次分析法具体步骤为：构造判断矩阵，确定两两元素相比的判断值cij，cij表示元素Bi相对于的Bj“重要程度”的判断值，常用1～9的数字来标度各元素对于上一级的重要程度[9]。具体判断方法如表1。

表1 1～9标度方法

由cij形成判断矩阵，

(10)

式中，cii=1，cij·cji=1。

根据式(10)，采用方根法计算权值

(11)

对结果规范化

(12)

对式(10)进行相容性检验，定义不相容度R(C)

(13)

当R(C)≤0.1时，式(10)的相容性较好，该方法有效，式(10)不必进行调整；否则重新调整式(10)，直到R(C)≤0.1。

2.5 综合评判

首先对腐蚀和闸门材料中的二级评判因素进行单因素模糊综合评判，确定出评判向量，然后再将腐蚀、焊缝、闸门材料三个因素的单个评判向量组合成综合评判矩阵，根据最大隶属度原则对闸门进行模糊综合评判，得出闸门安全状态。

表2 各个部位的腐蚀隶属度

3 工程实例

本文以某水库坝体底孔事故闸门实测的腐蚀、焊缝和材料中的抗拉强度数据进行闸门的安全性综合评判。

3.1 隶属度的计算

本文以某水库底孔事故闸门16个部位每个部位四个测点的腐蚀状况检测结果为例，采用偏小型正态分布，计算出腐蚀每个部位的标准差σ将其带入式(6)。根据式(6)求出腐蚀的隶属度如表2。

由于各个部位的腐蚀对闸门都有很大的影响，可以认为他们的权重相同，取这16个部位的平均值得到腐蚀的评判向量

r1={0.346 0.352 0.302}

(14)

由最大隶属度原则，可以看出腐蚀为基本安全。

对于焊缝，选取了底孔事故闸门9个部位对其进行检测，由于检测部位较少，数据比较单一，因此本文不另设下级评判。根据《标准》检验等级采用B级，检测数据其缺陷性质分为夹渣和未焊透等几种结果。根据检测数据把检测到的缺陷性质转化成相应的缺陷当量与《标准》9.2图8距离-波幅曲线(DAC)的灵敏度图对比，根据式(7)应用模糊统计的方法确定其隶属度，整理数据得其评判向量为

r2={0.222 0.445 0.333}

(15)

对于闸门材料中的抗拉强度，选取底孔事故闸门面板、横梁翼板和横梁腹板三个部位进行检测，由于只有三个部位，数据较为简单，本文采用偏大型的梯形分布，根据GB700—2006《碳素结构钢的标准》取σmax为500 N/mm2，σmin为370 N/mm2，将检测数据带入式(2)将其数值转化为安全系数，将σmax=500 N/mm2，σmin=370 N/mm2带入式(3)求得N，然后将求得的值N带入式(4)得到抗拉强度各个安全等级的数值，通过(2)式计算出的安全系数与式(4)计算出的抗拉强度各个安全等级数值的比较，确定出属于那一个安全等级，最后将转化为安全系数的结果带入式(9)得抗拉强度隶属度矩阵