基于排水泵站建筑物的安全综合评价

陈德勇

(灯塔市水务局万宝桥水利水土保持监督管理站，辽宁 辽阳 111300)

目前，我国大型灌排泵站因管理不到位、运行时间长以及设计标准低等因素影响普遍存在设备陈旧老化、功能效益衰减、常年失修欠修等问题，对泵站建筑物的安全状态造成极其不利的影响。然而，这些排水、排涝泵站在防洪排涝、抗旱减灾以及保证人民生命财产安全方面具有十分重要的意义，同时在改善城市生活用水、解决地方工业用水以及改善水环境等领域发挥着不可替代的作用[1]。然而影响泵站安全评价的因素较多，并且考虑到工程结构的复杂性各影响因素还存在一定的相互关联性，所以对排水泵站工程安全的综合评价是一项涉及定量与定性指标相关的复杂工程。为了科学全面的对排水泵站安全状态进行客观、全面的评价并为建筑物改造加固提供参考和依据，大量学者开展了相关的研究和论述[2]。而评价指标权重系数计算是决定评价结果合理性、准确性的关键性参数，其中层次分析法、变权分析法、熵值法和博弈组合权重法等是应用于坡耕技术模式评价的主要评价方法。层次分析法是以专家学者的知识经验对指标权重进行赋值，该方法具有一定直观判断性，受个人影响因素较大；变权分析法主要适用于在指标赋予值过低时可对整体评分产生显著影响的情况，该方法通过提高过低分数指标的权重使综合评价得分更加合理；信息熵值法结合信息系统的无序化程度，对评价指标赋予客观的参数数值，往往适用于多层次的综合目标整体评价；博弈组合权重法将不同评价指标权重进行关联，以权重集的形式进行赋权，具有一定的可靠性。本文考虑采用AHP层次分析法和专家打分法相结合的方法，以此提高指标权重的科学性与合理性[3- 5]。

在20世纪80年代蔡文教授利用可拓集合和物元分析理论构建了用于数据处理的物元可拓模型[6]。将矛盾问题进行定量化处理并利用可拓集构建目标物元集的关联函数是进行物元可拓分析的基本理论。因此，物元可拓模型在反映事物质量的综合水平以及对事物多指标性能参数定量评价等方面具有十分明显的优势和特点，在统筹控制、方案优化和产品设计等领域得到了广泛的应用和推广，并在实践和理论中发挥重要作用[7]。据此，本文以灯塔市康家台农业园区排水泵站为例，通过构建物元可拓模型对该泵站建筑物安全状态进行了综合评价分析。

1 排水泵站安全评价指标体系

评价指标体系往往具有结构性、层次性的基本特征，且各层次评价指标之间相互作用影响，为更加全面、客观地反映排水泵站建筑物安全状态的实际水平，充分发挥评价指标体系的作用效率，构建评价指标体系应遵循下述基本原则：科学性、系统性和全面性相互协调的基本原则，选取能够代表安全状态和建筑物稳定性的评价指标；遵循定性和定量相结合的基本原则；评价指标之间具有对比性和层次性；考虑可操作性和代表性；明确的导向性[7- 10]。本文基于上述基本原则并结合排水泵站建筑物特征内涵、技术手段、结构特征，在对比分析和综合考虑的条件下，结合专家经验和建议构建了评价指标体系，主要包括6大方面的22项指标，见表1。

表1 泵站建筑物安全状态评价指标体系

2 构建物元可拓评价模型

2.1 物元的定义

在进行物元分析时，假定M事物的特征定义为C，则向量值x所构成的有序三元组R即为事物M对应于特征C的物元，并以R=(M，C，x)进行表示。在事物M对应于多个特征时，n个c1，c2，…，cn特征和与之对应的量值x1，x2，…，xn，据此可构建一个n维物元矩阵，表达式如下：

(1)

经典域物元矩阵是由事物标准量值范围及其特征所构成的，表达式如下：

(2)

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

2.2 安全评价流程

(1)建立节域物元矩阵。节域物元矩阵是由可以转化为经典物元事物的特征以及与之相对应可拓的量值范围所组成的物元矩阵，表达式如下所示：

(3)

式中，Rc—节域物元矩阵；acj、bcj—分别为节域物元特征量值xcj的上限值和下限值。

(2)确定关联系数。取物元实轴上某一点作为物元的量值并以物元满足期望取值范围的程度作为关联函数。可采用代数式对可拓集合的关联函数进行表征，并定量地对不相容问题进行分析，以数值作为关联函数的关联度，其关联度计算公式如下：

(4)

式中，|xij|=|bij-aij|；ρ(xj，xij)—经典域区间xij与实轴上任一点xj之间的距离；ρ(xj，xcj)—节域区间xij与实轴上任一点xj之间的距离。

(3)指标权重的计算。利用AHP层次分析法和专家打分法相结合的方式对各评价指标进行权重系数W=[ω1，ω2，…，ωm]的计算，其基本过程是基于样本物元评价矩阵利用两两对比分析法，对各评价指标的相对重要程度进行计算，并以此构造各层次的判断矩阵，然后基于判断矩阵计算各评价指标的权重，并进行一致性检验。即满足如下条件：

(5)

(4)确定综合关联度。权重系数与关联度的乘积即为综合关联度，公式如下：

(6)

式中，Kj(X)—在j等级标准下的评价单元X的综合关联度；kj(xj)—在j等级标准下的i指标的关联度；ωi—i指标的权重系数。

(5)评价等级的确定。当Kj=max[Kj(X)]时，评价单元X属于第j等级评价标准，公式如下：

(7)

(8)

式中，J—待评价样本P的可拓指数，待评价物元偏向邻级的程度可采用J的大小作为判别依据。

3 实例应用

3.1 排水泵站工程概况

灯塔市康家台农业园区排水泵站是一座大(2)型泵站，并于20世纪80年代建成投产，其主要功能为解决农业园区的洪涝灾害，排除该区域多年以来难以解决的内涝，确保附近农田设施不受灾害威胁。加固改造前泵站建筑物主要存在上部框架梁板柱结构碳化严重、负荷承载力不能满足设计要求以及钢筋锈蚀严重、胀裂破坏等问题。

3.2 安全评价等级

本文根据研究区域排水泵站实际状况和《泵站安全鉴定规程》相关标准，并结合有关专家经验对评价指标定性赋分结果，确定了排水泵站建筑物安全评价等级标准分别为安全(Ⅰ级)、基本安全(Ⅱ级)、较安全(Ⅲ级)和不安全(Ⅳ级)4个等级标准，相应的指标评价标准分别为0.8～1.0、0.6～0.8、0.3～0.6、0.0～0.3。其中安全状态代表不存在影响泵站安全运行的因素；基本安全状态代表泵站设备以及建筑物存在一定的损坏，然而通过常规的维修仍能使得泵站安全运行；较安全状态代表泵站设备或建筑物存在损坏，通过对主要设备或建筑物的大修、加固、改造加固后仍可以使得泵站安全运行；不安全状态代表泵站设备或建筑物存在十分严重的损坏，经过大修、改造加固等手段仍不能保证其安全运行，在该标准条件下可采取报废重建或降低标准使用等方法措施[11]。

3.3 物元可拓评价

本文对泵站物元可拓安全评价过程选取灯塔市康家台农业园区排水泵站建筑物安全状态下准则层指标站身混凝土结构(B4)为例进行详细的阐述分析，同时考虑该准则层下的评价指标C14、C15、C16、C17的影响作用。对这4项评价指标数据分别利用该排水泵站建筑物检测报告中的相关数据进行提取，经过无量纲化处理可构造相应的待评价物元R，然后根据各等级评价标准可分别建立物元节域Rp和物元经典域R0，结果分别如下：

(9)

(10)

(11)

以安全等级评价标准为基准分别对各指标安全值的距离利用文中所述公式进行求解，然后在此基础上可分别求得相应的关联度，计算结果见表2。

表2 在各安全等级评价标准下待评价物元指标关联度

然后对各指标权重采用专家评价与AHP层次分析法进行求解并构造判断矩阵，计算结果为C14、C15、C16、C17各指标的权重向量结果w分别为0.455、0.264、0.141、0.140，一致性检验结果显示CR值为0.0016，远远低于0.1的标准要求。由此表明，文中所构造的判断矩阵符合一致性检验要求，可用于排水泵站安全评价。在各评价等级标准下分别对待评价物元的综合关联度利用文中所述公式进行求解，最终可得到灯塔市康家台农业园区排水泵站混凝土结构的安全等级，结果如下：K安全为-0.2761、K较安全为-0.2740、K基本安全为-0.0225、K不安全为-0.5162。然后按照当Kj=max[Kj(X)]时，则评价单元X属于第j等级评价标准的基本原则最终可确定排水泵站混凝土结构的安全状态。

结果显示K为-0.0225，由此表明灯塔市康家台农业园区排水泵站建筑物混凝土结构安全评价属于基本安全状态，即处于Ⅱ级水平。按照此方法和过程可分别求得准则层其他5项指标，最终可确定灯塔市康家台农业园区排水泵站建筑物综合安全评价结果为基本安全水平，由此可进一步说明该排水泵站建筑物具有较为完好的技术状态，结构完整并达到了设计标准，不存在影响泵站安全运行的影响因素并符合安全运行相关要求[12]。

4 结论

排水泵站工程安全的综合评价是一项涉及定量与定性指标相关的复杂系统工程，各评价指标体系往往具有结构性、层次性的基本特征，且各层次评价指标之间相互作用影响，为更加全面、客观地反映排水泵站建筑物安全状态的实际水平，充分发挥评价指标体系的作用效率，本文在详细分析了研究区域排水泵站实际状况和SL 316—2004《泵站安全鉴定规程》相关标准的基础上建立了评价指标体系和安全等级标准，利用物元可拓理论构建了灯塔市康家台农业园区排水泵站建筑物综合安全评价模型，得出的主要结论如下。

(1)本文所构造的判断矩阵符合一致性检验要求，可用于排水泵站安全评价。实例验证结果显示，灯塔市康家台农业园区排水泵站建筑物综合安全评价结果为基本安全水平，由此可进一步说明该排水泵站建筑物具有较为完好的技术状态，结构完整并达到了设计标准，不存在影响泵站安全运行的因素并符合安全运行相关要求。

(2)物元可拓模型中采用的关联函数可对各安全等级的归属程度进行更加客观、科学地反映，在实际应用中可综合考虑多种评价方法的同时使用，由此可进一步提升泵站工程安全评价的科学性与准确性。