基于排水泵站建筑物的安全綜合評(píng)價(jià)

陳德勇

(燈塔市水務(wù)局萬寶橋水利水土保持監(jiān)督管理站，遼寧 遼陽 111300)

目前，我國(guó)大型灌排泵站因管理不到位、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低等因素影響普遍存在設(shè)備陳舊老化、功能效益衰減、常年失修欠修等問題，對(duì)泵站建筑物的安全狀態(tài)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(zāi)以及保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全方面具有十分重要的意義，同時(shí)在改善城市生活用水、解決地方工業(yè)用水以及改善水環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用[1]。然而影響泵站安全評(píng)價(jià)的因素較多，并且考慮到工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性各影響因素還存在一定的相互關(guān)聯(lián)性，所以對(duì)排水泵站工程安全的綜合評(píng)價(jià)是一項(xiàng)涉及定量與定性指標(biāo)相關(guān)的復(fù)雜工程。為了科學(xué)全面的對(duì)排水泵站安全狀態(tài)進(jìn)行客觀、全面的評(píng)價(jià)并為建筑物改造加固提供參考和依據(jù)，大量學(xué)者開展了相關(guān)的研究和論述[2]。而評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)計(jì)算是決定評(píng)價(jià)結(jié)果合理性、準(zhǔn)確性的關(guān)鍵性參數(shù)，其中層次分析法、變權(quán)分析法、熵值法和博弈組合權(quán)重法等是應(yīng)用于坡耕技術(shù)模式評(píng)價(jià)的主要評(píng)價(jià)方法。層次分析法是以專家學(xué)者的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行賦值，該方法具有一定直觀判斷性，受個(gè)人影響因素較大；變權(quán)分析法主要適用于在指標(biāo)賦予值過低時(shí)可對(duì)整體評(píng)分產(chǎn)生顯著影響的情況，該方法通過提高過低分?jǐn)?shù)指標(biāo)的權(quán)重使綜合評(píng)價(jià)得分更加合理；信息熵值法結(jié)合信息系統(tǒng)的無序化程度，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦予客觀的參數(shù)數(shù)值，往往適用于多層次的綜合目標(biāo)整體評(píng)價(jià)；博弈組合權(quán)重法將不同評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以權(quán)重集的形式進(jìn)行賦權(quán)，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(jié)合的方法，以此提高指標(biāo)權(quán)重的科學(xué)性與合理性[3- 5]。

在20世紀(jì)80年代蔡文教授利用可拓集合和物元分析理論構(gòu)建了用于數(shù)據(jù)處理的物元可拓模型[6]。將矛盾問題進(jìn)行定量化處理并利用可拓集構(gòu)建目標(biāo)物元集的關(guān)聯(lián)函數(shù)是進(jìn)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(zhì)量的綜合水平以及對(duì)事物多指標(biāo)性能參數(shù)定量評(píng)價(jià)等方面具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，在統(tǒng)籌控制、方案優(yōu)化和產(chǎn)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，并在實(shí)踐和理論中發(fā)揮重要作用[7]。據(jù)此，本文以燈塔市康家臺(tái)農(nóng)業(yè)園區(qū)排水泵站為例，通過構(gòu)建物元可拓模型對(duì)該泵站建筑物安全狀態(tài)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)分析。

1 排水泵站安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系往往具有結(jié)構(gòu)性、層次性的基本特征，且各層次評(píng)價(jià)指標(biāo)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(tài)的實(shí)際水平，充分發(fā)揮評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的作用效率，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)遵循下述基本原則：科學(xué)性、系統(tǒng)性和全面性相互協(xié)調(diào)的基本原則，選取能夠代表安全狀態(tài)和建筑物穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)；遵循定性和定量相結(jié)合的基本原則；評(píng)價(jià)指標(biāo)之間具有對(duì)比性和層次性；考慮可操作性和代表性；明確的導(dǎo)向性[7- 10]。本文基于上述基本原則并結(jié)合排水泵站建筑物特征內(nèi)涵、技術(shù)手段、結(jié)構(gòu)特征，在對(duì)比分析和綜合考慮的條件下，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和建議構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，主要包括6大方面的22項(xiàng)指標(biāo)，見表1。

表1 泵站建筑物安全狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 構(gòu)建物元可拓評(píng)價(jià)模型

2.1 物元的定義

在進(jìn)行物元分析時(shí)，假定M事物的特征定義為C，則向量值x所構(gòu)成的有序三元組R即為事物M對(duì)應(yīng)于特征C的物元，并以R=(M，C，x)進(jìn)行表示。在事物M對(duì)應(yīng)于多個(gè)特征時(shí)，n個(gè)c1，c2，…，cn特征和與之對(duì)應(yīng)的量值x1，x2，…，xn，據(jù)此可構(gòu)建一個(gè)n維物元矩陣，表達(dá)式如下：

(1)

經(jīng)典域物元矩陣是由事物標(biāo)準(zhǔn)量值范圍及其特征所構(gòu)成的，表達(dá)式如下：

(2)

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

2.2 安全評(píng)價(jià)流程

(1)建立節(jié)域物元矩陣。節(jié)域物元矩陣是由可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)典物元事物的特征以及與之相對(duì)應(yīng)可拓的量值范圍所組成的物元矩陣，表達(dá)式如下所示：

(3)

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

(2)確定關(guān)聯(lián)系數(shù)。取物元實(shí)軸上某一點(diǎn)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(guān)聯(lián)函數(shù)。可采用代數(shù)式對(duì)可拓集合的關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行表征，并定量地對(duì)不相容問題進(jìn)行分析，以數(shù)值作為關(guān)聯(lián)函數(shù)的關(guān)聯(lián)度，其關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式如下：

(4)

式中，|xij|=|bij-aij|；ρ(xj，xij)—經(jīng)典域區(qū)間xij與實(shí)軸上任一點(diǎn)xj之間的距離；ρ(xj，xcj)—節(jié)域區(qū)間xij與實(shí)軸上任一點(diǎn)xj之間的距離。

(3)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算。利用AHP層次分析法和專家打分法相結(jié)合的方式對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重系數(shù)W=[ω1，ω2，…，ωm]的計(jì)算，其基本過程是基于樣本物元評(píng)價(jià)矩陣?yán)脙蓛蓪?duì)比分析法，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要程度進(jìn)行計(jì)算，并以此構(gòu)造各層次的判斷矩陣，然后基于判斷矩陣計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。即滿足如下條件：

(5)

(4)確定綜合關(guān)聯(lián)度。權(quán)重系數(shù)與關(guān)聯(lián)度的乘積即為綜合關(guān)聯(lián)度，公式如下：

(6)

式中，Kj(X)—在j等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的評(píng)價(jià)單元X的綜合關(guān)聯(lián)度；kj(xj)—在j等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的i指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度；ωi—i指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

(5)評(píng)價(jià)等級(jí)的確定。當(dāng)Kj=max[Kj(X)]時(shí)，評(píng)價(jià)單元X屬于第j等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，公式如下：

(7)

(8)

式中，J—待評(píng)價(jià)樣本P的可拓指數(shù)，待評(píng)價(jià)物元偏向鄰級(jí)的程度可采用J的大小作為判別依據(jù)。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 排水泵站工程概況

燈塔市康家臺(tái)農(nóng)業(yè)園區(qū)排水泵站是一座大(2)型泵站，并于20世紀(jì)80年代建成投產(chǎn)，其主要功能為解決農(nóng)業(yè)園區(qū)的洪澇災(zāi)害，排除該區(qū)域多年以來難以解決的內(nèi)澇，確保附近農(nóng)田設(shè)施不受災(zāi)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(jié)構(gòu)碳化嚴(yán)重、負(fù)荷承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求以及鋼筋銹蝕嚴(yán)重、脹裂破壞等問題。

3.2 安全評(píng)價(jià)等級(jí)

本文根據(jù)研究區(qū)域排水泵站實(shí)際狀況和《泵站安全鑒定規(guī)程》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合有關(guān)專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)定性賦分結(jié)果，確定了排水泵站建筑物安全評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別為安全(Ⅰ級(jí))、基本安全(Ⅱ級(jí))、較安全(Ⅲ級(jí))和不安全(Ⅳ級(jí))4個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(tài)代表不存在影響泵站安全運(yùn)行的因素；基本安全狀態(tài)代表泵站設(shè)備以及建筑物存在一定的損壞，然而通過常規(guī)的維修仍能使得泵站安全運(yùn)行；較安全狀態(tài)代表泵站設(shè)備或建筑物存在損壞，通過對(duì)主要設(shè)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(yùn)行；不安全狀態(tài)代表泵站設(shè)備或建筑物存在十分嚴(yán)重的損壞，經(jīng)過大修、改造加固等手段仍不能保證其安全運(yùn)行，在該標(biāo)準(zhǔn)條件下可采取報(bào)廢重建或降低標(biāo)準(zhǔn)使用等方法措施[11]。

3.3 物元可拓評(píng)價(jià)

本文對(duì)泵站物元可拓安全評(píng)價(jià)過程選取燈塔市康家臺(tái)農(nóng)業(yè)園區(qū)排水泵站建筑物安全狀態(tài)下準(zhǔn)則層指標(biāo)站身混凝土結(jié)構(gòu)(B4)為例進(jìn)行詳細(xì)的闡述分析，同時(shí)考慮該準(zhǔn)則層下的評(píng)價(jià)指標(biāo)C14、C15、C16、C17的影響作用。對(duì)這4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)分別利用該排水泵站建筑物檢測(cè)報(bào)告中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，經(jīng)過無量綱化處理可構(gòu)造相應(yīng)的待評(píng)價(jià)物元R，然后根據(jù)各等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可分別建立物元節(jié)域Rp和物元經(jīng)典域R0，結(jié)果分別如下：

(9)

(10)

(11)

以安全等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)分別對(duì)各指標(biāo)安全值的距離利用文中所述公式進(jìn)行求解，然后在此基礎(chǔ)上可分別求得相應(yīng)的關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 在各安全等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下待評(píng)價(jià)物元指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

然后對(duì)各指標(biāo)權(quán)重采用專家評(píng)價(jià)與AHP層次分析法進(jìn)行求解并構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算結(jié)果為C14、C15、C16、C17各指標(biāo)的權(quán)重向量結(jié)果w分別為0.455、0.264、0.141、0.140，一致性檢驗(yàn)結(jié)果顯示CR值為0.0016，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.1的標(biāo)準(zhǔn)要求。由此表明，文中所構(gòu)造的判斷矩陣符合一致性檢驗(yàn)要求，可用于排水泵站安全評(píng)價(jià)。在各評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下分別對(duì)待評(píng)價(jià)物元的綜合關(guān)聯(lián)度利用文中所述公式進(jìn)行求解，最終可得到燈塔市康家臺(tái)農(nóng)業(yè)園區(qū)排水泵站混凝土結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)，結(jié)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(dāng)Kj=max[Kj(X)]時(shí)，則評(píng)價(jià)單元X屬于第j等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基本原則最終可確定排水泵站混凝土結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

結(jié)果顯示K為-0.0225，由此表明燈塔市康家臺(tái)農(nóng)業(yè)園區(qū)排水泵站建筑物混凝土結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)屬于基本安全狀態(tài)，即處于Ⅱ級(jí)水平。按照此方法和過程可分別求得準(zhǔn)則層其他5項(xiàng)指標(biāo)，最終可確定燈塔市康家臺(tái)農(nóng)業(yè)園區(qū)排水泵站建筑物綜合安全評(píng)價(jià)結(jié)果為基本安全水平，由此可進(jìn)一步說明該排水泵站建筑物具有較為完好的技術(shù)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)完整并達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不存在影響泵站安全運(yùn)行的影響因素并符合安全運(yùn)行相關(guān)要求[12]。

4 結(jié)論

排水泵站工程安全的綜合評(píng)價(jià)是一項(xiàng)涉及定量與定性指標(biāo)相關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng)工程，各評(píng)價(jià)指標(biāo)體系往往具有結(jié)構(gòu)性、層次性的基本特征，且各層次評(píng)價(jià)指標(biāo)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(tài)的實(shí)際水平，充分發(fā)揮評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的作用效率，本文在詳細(xì)分析了研究區(qū)域排水泵站實(shí)際狀況和SL 316—2004《泵站安全鑒定規(guī)程》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，利用物元可拓理論構(gòu)建了燈塔市康家臺(tái)農(nóng)業(yè)園區(qū)排水泵站建筑物綜合安全評(píng)價(jià)模型，得出的主要結(jié)論如下。

(1)本文所構(gòu)造的判斷矩陣符合一致性檢驗(yàn)要求，可用于排水泵站安全評(píng)價(jià)。實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果顯示，燈塔市康家臺(tái)農(nóng)業(yè)園區(qū)排水泵站建筑物綜合安全評(píng)價(jià)結(jié)果為基本安全水平，由此可進(jìn)一步說明該排水泵站建筑物具有較為完好的技術(shù)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)完整并達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不存在影響泵站安全運(yùn)行的因素并符合安全運(yùn)行相關(guān)要求。

(2)物元可拓模型中采用的關(guān)聯(lián)函數(shù)可對(duì)各安全等級(jí)的歸屬程度進(jìn)行更加客觀、科學(xué)地反映，在實(shí)際應(yīng)用中可綜合考慮多種評(píng)價(jià)方法的同時(shí)使用，由此可進(jìn)一步提升泵站工程安全評(píng)價(jià)的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。