基于排水泵站建筑物的安全綜合評價

陳德勇

(燈塔市水務局萬寶橋水利水土保持監督管理站，遼寧 遼陽 111300)

目前，我國大型灌排泵站因管理不到位、運行時間長以及設計標準低等因素影響普遍存在設備陳舊老化、功能效益衰減、常年失修欠修等問題，對泵站建筑物的安全狀態造成極其不利的影響。然而，這些排水、排澇泵站在防洪排澇、抗旱減災以及保證人民生命財產安全方面具有十分重要的意義，同時在改善城市生活用水、解決地方工業用水以及改善水環境等領域發揮著不可替代的作用[1]。然而影響泵站安全評價的因素較多，并且考慮到工程結構的復雜性各影響因素還存在一定的相互關聯性，所以對排水泵站工程安全的綜合評價是一項涉及定量與定性指標相關的復雜工程。為了科學全面的對排水泵站安全狀態進行客觀、全面的評價并為建筑物改造加固提供參考和依據，大量學者開展了相關的研究和論述[2]。而評價指標權重系數計算是決定評價結果合理性、準確性的關鍵性參數，其中層次分析法、變權分析法、熵值法和博弈組合權重法等是應用于坡耕技術模式評價的主要評價方法。層次分析法是以專家學者的知識經驗對指標權重進行賦值，該方法具有一定直觀判斷性，受個人影響因素較大；變權分析法主要適用于在指標賦予值過低時可對整體評分產生顯著影響的情況，該方法通過提高過低分數指標的權重使綜合評價得分更加合理；信息熵值法結合信息系統的無序化程度，對評價指標賦予客觀的參數數值，往往適用于多層次的綜合目標整體評價；博弈組合權重法將不同評價指標權重進行關聯，以權重集的形式進行賦權，具有一定的可靠性。本文考慮采用AHP層次分析法和專家打分法相結合的方法，以此提高指標權重的科學性與合理性[3- 5]。

在20世紀80年代蔡文教授利用可拓集合和物元分析理論構建了用于數據處理的物元可拓模型[6]。將矛盾問題進行定量化處理并利用可拓集構建目標物元集的關聯函數是進行物元可拓分析的基本理論。因此，物元可拓模型在反映事物質量的綜合水平以及對事物多指標性能參數定量評價等方面具有十分明顯的優勢和特點，在統籌控制、方案優化和產品設計等領域得到了廣泛的應用和推廣，并在實踐和理論中發揮重要作用[7]。據此，本文以燈塔市康家臺農業園區排水泵站為例，通過構建物元可拓模型對該泵站建筑物安全狀態進行了綜合評價分析。

1 排水泵站安全評價指標體系

評價指標體系往往具有結構性、層次性的基本特征，且各層次評價指標之間相互作用影響，為更加全面、客觀地反映排水泵站建筑物安全狀態的實際水平，充分發揮評價指標體系的作用效率，構建評價指標體系應遵循下述基本原則：科學性、系統性和全面性相互協調的基本原則，選取能夠代表安全狀態和建筑物穩定性的評價指標；遵循定性和定量相結合的基本原則；評價指標之間具有對比性和層次性；考慮可操作性和代表性；明確的導向性[7- 10]。本文基于上述基本原則并結合排水泵站建筑物特征內涵、技術手段、結構特征，在對比分析和綜合考慮的條件下，結合專家經驗和建議構建了評價指標體系，主要包括6大方面的22項指標，見表1。

表1 泵站建筑物安全狀態評價指標體系

2 構建物元可拓評價模型

2.1 物元的定義

在進行物元分析時，假定M事物的特征定義為C，則向量值x所構成的有序三元組R即為事物M對應于特征C的物元，并以R=(M，C，x)進行表示。在事物M對應于多個特征時，n個c1，c2，…，cn特征和與之對應的量值x1，x2，…，xn，據此可構建一個n維物元矩陣，表達式如下：

(1)

經典域物元矩陣是由事物標準量值范圍及其特征所構成的，表達式如下：

(2)

式中，R0—經典域物元矩陣；c1，c2，…，cn—事物的物元特征；a0j、b0j—事物經典物元特征量值x0j的上限值和下限值。

2.2 安全評價流程

(1)建立節域物元矩陣。節域物元矩陣是由可以轉化為經典物元事物的特征以及與之相對應可拓的量值范圍所組成的物元矩陣，表達式如下所示：

(3)

式中，Rc—節域物元矩陣；acj、bcj—分別為節域物元特征量值xcj的上限值和下限值。

(2)確定關聯系數。取物元實軸上某一點作為物元的量值并以物元滿足期望取值范圍的程度作為關聯函數?？刹捎么鷶凳綄赏丶系年P聯函數進行表征，并定量地對不相容問題進行分析，以數值作為關聯函數的關聯度，其關聯度計算公式如下：

(4)

式中，|xij|=|bij-aij|；ρ(xj，xij)—經典域區間xij與實軸上任一點xj之間的距離；ρ(xj，xcj)—節域區間xij與實軸上任一點xj之間的距離。

(3)指標權重的計算。利用AHP層次分析法和專家打分法相結合的方式對各評價指標進行權重系數W=[ω1，ω2，…，ωm]的計算，其基本過程是基于樣本物元評價矩陣利用兩兩對比分析法，對各評價指標的相對重要程度進行計算，并以此構造各層次的判斷矩陣，然后基于判斷矩陣計算各評價指標的權重，并進行一致性檢驗。即滿足如下條件：

(5)

(4)確定綜合關聯度。權重系數與關聯度的乘積即為綜合關聯度，公式如下：

(6)

式中，Kj(X)—在j等級標準下的評價單元X的綜合關聯度；kj(xj)—在j等級標準下的i指標的關聯度；ωi—i指標的權重系數。

(5)評價等級的確定。當Kj=max[Kj(X)]時，評價單元X屬于第j等級評價標準，公式如下：

(7)

(8)

式中，J—待評價樣本P的可拓指數，待評價物元偏向鄰級的程度可采用J的大小作為判別依據。

3 實例應用

3.1 排水泵站工程概況

燈塔市康家臺農業園區排水泵站是一座大(2)型泵站，并于20世紀80年代建成投產，其主要功能為解決農業園區的洪澇災害，排除該區域多年以來難以解決的內澇，確保附近農田設施不受災害威脅。加固改造前泵站建筑物主要存在上部框架梁板柱結構碳化嚴重、負荷承載力不能滿足設計要求以及鋼筋銹蝕嚴重、脹裂破壞等問題。

3.2 安全評價等級

本文根據研究區域排水泵站實際狀況和《泵站安全鑒定規程》相關標準，并結合有關專家經驗對評價指標定性賦分結果，確定了排水泵站建筑物安全評價等級標準分別為安全(Ⅰ級)、基本安全(Ⅱ級)、較安全(Ⅲ級)和不安全(Ⅳ級)4個等級標準，相應的指標評價標準分別為0.8～1.0、0.6～0.8、0.3～0.6、0.0～0.3。其中安全狀態代表不存在影響泵站安全運行的因素；基本安全狀態代表泵站設備以及建筑物存在一定的損壞，然而通過常規的維修仍能使得泵站安全運行；較安全狀態代表泵站設備或建筑物存在損壞，通過對主要設備或建筑物的大修、加固、改造加固后仍可以使得泵站安全運行；不安全狀態代表泵站設備或建筑物存在十分嚴重的損壞，經過大修、改造加固等手段仍不能保證其安全運行，在該標準條件下可采取報廢重建或降低標準使用等方法措施[11]。

3.3 物元可拓評價

本文對泵站物元可拓安全評價過程選取燈塔市康家臺農業園區排水泵站建筑物安全狀態下準則層指標站身混凝土結構(B4)為例進行詳細的闡述分析，同時考慮該準則層下的評價指標C14、C15、C16、C17的影響作用。對這4項評價指標數據分別利用該排水泵站建筑物檢測報告中的相關數據進行提取，經過無量綱化處理可構造相應的待評價物元R，然后根據各等級評價標準可分別建立物元節域Rp和物元經典域R0，結果分別如下：

(9)

(10)

(11)

以安全等級評價標準為基準分別對各指標安全值的距離利用文中所述公式進行求解，然后在此基礎上可分別求得相應的關聯度，計算結果見表2。

表2 在各安全等級評價標準下待評價物元指標關聯度

然后對各指標權重采用專家評價與AHP層次分析法進行求解并構造判斷矩陣，計算結果為C14、C15、C16、C17各指標的權重向量結果w分別為0.455、0.264、0.141、0.140，一致性檢驗結果顯示CR值為0.0016，遠遠低于0.1的標準要求。由此表明，文中所構造的判斷矩陣符合一致性檢驗要求，可用于排水泵站安全評價。在各評價等級標準下分別對待評價物元的綜合關聯度利用文中所述公式進行求解，最終可得到燈塔市康家臺農業園區排水泵站混凝土結構的安全等級，結果如下：K安全為-0.2761、K較安全為-0.2740、K基本安全為-0.0225、K不安全為-0.5162。然后按照當Kj=max[Kj(X)]時，則評價單元X屬于第j等級評價標準的基本原則最終可確定排水泵站混凝土結構的安全狀態。

結果顯示K為-0.0225，由此表明燈塔市康家臺農業園區排水泵站建筑物混凝土結構安全評價屬于基本安全狀態，即處于Ⅱ級水平。按照此方法和過程可分別求得準則層其他5項指標，最終可確定燈塔市康家臺農業園區排水泵站建筑物綜合安全評價結果為基本安全水平，由此可進一步說明該排水泵站建筑物具有較為完好的技術狀態，結構完整并達到了設計標準，不存在影響泵站安全運行的影響因素并符合安全運行相關要求[12]。

4 結論

排水泵站工程安全的綜合評價是一項涉及定量與定性指標相關的復雜系統工程，各評價指標體系往往具有結構性、層次性的基本特征，且各層次評價指標之間相互作用影響，為更加全面、客觀地反映排水泵站建筑物安全狀態的實際水平，充分發揮評價指標體系的作用效率，本文在詳細分析了研究區域排水泵站實際狀況和SL 316—2004《泵站安全鑒定規程》相關標準的基礎上建立了評價指標體系和安全等級標準，利用物元可拓理論構建了燈塔市康家臺農業園區排水泵站建筑物綜合安全評價模型，得出的主要結論如下。

(1)本文所構造的判斷矩陣符合一致性檢驗要求，可用于排水泵站安全評價。實例驗證結果顯示，燈塔市康家臺農業園區排水泵站建筑物綜合安全評價結果為基本安全水平，由此可進一步說明該排水泵站建筑物具有較為完好的技術狀態，結構完整并達到了設計標準，不存在影響泵站安全運行的因素并符合安全運行相關要求。

(2)物元可拓模型中采用的關聯函數可對各安全等級的歸屬程度進行更加客觀、科學地反映，在實際應用中可綜合考慮多種評價方法的同時使用，由此可進一步提升泵站工程安全評價的科學性與準確性。