一种钢筋混凝土排水箱涵的风险评估方法与流程

本发明涉及市政地下工程领域，尤其是涉及一种钢筋混凝土排水箱涵的风险评估方法。
背景技术：
：排水箱涵是城市排水体系的重要基础设施，承担着确保城市污水有序收集、运输和治理，维护城市日常运行的重要作用。例如上海市自上个世纪七十年代开始，陆续开始合流污水管道的建设，迄今为止处于运营状态的合流污水管道(箱涵)总里程达到200多公里，干管输水量占上海污水处理总量的68.8％，在上海城市正常运营中扮演了不可替代的角色。这些合流污水箱涵已进入或接近设计年限中期。最近的现场调查和检测表明，部分建设年代久远的混凝土排水箱涵的顶板内层钢筋已经严重锈断、混凝土亦有显著缺损，其抗弯承载力大为削弱。在排水管道运行使用的过程中，因排水管道腐蚀性损坏造成的污水冒溢、道路积水、水体污染、地面沉陷等事故时有发生，此类事故征兆不明显，在日常养护过程中难以发现。同时，由于管道渗漏等病害，造成大量地下水随管道流失，造成水资源的浪费和下游泵站及污水厂能源的损失。随着城市建设快速发展，道路交通日趋繁忙，既有道路负荷的加重、道路扩宽改造或其它日益增加的周边工程活动影响，不可避免地对现有管道产生附加荷载，进一步加大了地下箱涵结构出现失稳破坏的概率。排水管道(箱涵)是城市排水体系的重要基础设施，一旦发生破坏可能会带来巨大的环境隐患、经济损失和社会影响。一旦出现影响箱涵正常运营的损坏险情，如要停水修复，将导致箱涵服务区域内污水无法输送的局面，极大影响城市正常运行。针对在役钢筋混凝土排水箱涵进行风险评估，及时风险预警和风险管控是城市排水管道正常运行的必要条件。但是，目前还缺乏一种适用于钢筋混凝土排水箱涵的综合风险评估方法。因此，为了保证市政排水管线的安全运行，迫切需要一种钢筋混凝土排水箱涵的综合风险评估方法，从而提高风险评估结果的科学性和准确性。技术实现要素：本发明的目的是针对上述问题提供一种钢筋混凝土排水箱涵的风险评估方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种钢筋混凝土排水箱涵的风险评估方法，所述方法包括：钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型建立步骤，基于钢筋混凝土排水箱涵风险事故数据库，通过层次分析法，建立钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型；钢筋混凝土排水箱涵的风险评价步骤，对待评估对象进行管线分段，基于钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型，对每一分段下的钢筋混凝土排水箱涵进行综合评分，根据评分结果得到每一分段下的钢筋混凝土排水箱涵的风险评价结果。优选地，所述钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型建立步骤包括：a1)基于钢筋混凝土排水箱涵风险事故数据库，确定导致钢筋混凝土排水箱涵发生事故的所有风险源；a2)通过层次分析法，确定每个风险源在风险事故发生中的所占权重；a3)基于专家调查法，建立风险发生可能性等级标准和风险损失等级标准，得到风险评分标准；a4)根据步骤a2)得到的所占权重和步骤a3)得到的风险评分标准，计算得到风险综合评分标准；a5)划分综合评分区段，建立每一个综合评分区段与风险等级之间的对应关系，实现钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型的建立。优选地，所述步骤a1)包括：a11)统计历年发生的钢筋混凝土排水箱涵风险事故，整理得到钢筋混凝土排水箱涵风险事故数据库；a12)构建风险分解树，对钢筋混凝土排水箱涵风险事故数据库内的风险事故进行分类细化；a13)通过步骤a12)建立的风险分解树，得到所有的主要风险源和与每一个主要风险源对应的所有的细化风险源。优选地，所述步骤a2)包括：a21)将所有风险源作为相关元素，构造权重判断矩阵；a22)根据步骤a21)构造的权重判断矩阵，计算每个风险源在风险事故中的所占权重；a23)根据步骤a22)计算得到的所占权重，对构造的权重判断矩阵进行一致性检验。优选地，所述每个风险源在风险事故中的所占权重具体为：其中，ωi为每个风险源在风险事故中的所占权重，aij为权重判断矩阵中的第i行第j列的相关元素，n为权重判断矩阵的行向量或列向量总数。优选地，所述步骤a23)包括：a231)根据步骤a22)计算得到的所占权重，计算步骤a21)构造的权重判断矩阵的最大特征值；a232)根据步骤a231)计算得到的最大特征值，进行一致性检验，得到一致性检验结果；a233)判断一致性检验结果是否小于规定阈值，若是则表明一致性检验通过，进入步骤a3)，若否则表明一致性检验未通过，返回步骤a2)。优选地，所述一致性检验结果具体为：其中，cr为一致性检验结果，λmax为最大特征值，n为权重判断矩阵的行向量或列向量总数，ri为随机性指标。优选地，所述风险评分标准的计算方式具体为：将同一风险源对应的风险发生可能性等级标准和风险损失等级标准的相乘。优选地，所述风险综合评分标准的计算方式具体为：将同一风险源对应的在步骤a2)得到的所占权重和在步骤a3)得到的风险评分标准相乘。优选地，所述钢筋混凝土排水箱涵的风险评价步骤包括：b1)对待评估对象进行管线分段；b2)基于钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型，对每一分段下的钢筋混凝土排水箱涵中的每一个风险源进行综合评分；b3)将每一分段下的钢筋混凝土排水箱涵中的所有风险源的综合评分相加，得到每一分段下的钢筋混凝土排水箱涵的综合评分；b4)根据钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型中综合评分区段与风险等级之间的对应关系，得到每一分段下的钢筋混凝土排水箱涵的风险评价结果。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)本发明提出的方法，是通过建立钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型后基于该模型对待评估对象进行评估而实现的，解决了现有技术中，没有统一的标准来对钢筋混凝土排水箱涵发生事故的风险进行预判这一问题；本发明提出的方法，由于建立了适用于钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型，因此在一定的时间段内，在钢筋混凝土排水箱涵发生的风险事故数量并未发生较大改变时，可以反复利用同一模型对不同的待评估对象进行评估，因此这种方法的标准化程度高；而且由于模型的建立是基于风险事故数据库来实现的，因此基于该模型进行风险评估的准确程度和科学程度高，适合普遍推广。(2)在建立钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型时，因此经历建立数据库确定所有风险源-计算方法风险源所占权重-基于专家调查得到风险评分标准-基于风险评分标准得到风险综合评分标准这四个步骤，因此将简单的风险发生的定性分析转化为定量分析，避免了由于对于风险发生可能性的评判受评估人的主观因素影响，因此使得最终风险评估的结果是标准化和准确的，是科学客观而非受人为因素把控的。(3)在确定事故发生的风险源时，首先对历年发生的所有事故均进行统计，因此本发明提出的方法是基于大数据来进行分析的，在结果上来讲具有客观准确的效果；其次通过风险分解树对风险源进行层次划分，依次得到所有的主要风险源和与每个主要风险源对应的所有次要风险源，这种主次要风险源的划分，充分与排水箱涵的本身特性进行了结合，因此使得后续评估的准确程度高，科学性好。(4)在计算各风险源的所占权重时，主要是通过层次分析法实现的，在构造权重判断矩阵时，通过同样的方法，既要构造风险事件和主风险源之间的权重判断矩阵，又要构造每个主风险源和与之对应的次风险源之间的权重判断矩阵，从而可以通过权重计算公式计算得到所有风险源在风险事故中所占的权重，为后续建立评判标准建立一个量化的科学程度高的基础。(5)根据计算得到的权重，还可以对构造的权重判断矩阵进行一致性验证，避免模型的建立脱离了实际，导致后续评判发生错误。(6)最终得到的风险综合评分标准，实际上即为统一风险源下风险发生可能性等级标准、风险损失等级标准和该风险源的权重三者的乘积，利用之前通过计算得到的各风险源所占的权重，可以将风险发生的主要和次要程度进行划分，从而提升风险评判标准的准确程度，提高风险评估的准确性。(7)在真正进行风险评估时，首先对待评估对象进行管线分段，这样做可以针对每一段分别进行风险评估，由于钢筋混凝土排水箱涵的管线一般较长，在同一排水箱涵上不同部位可能发生不同的风险，直接对整体评判容易造成误差大且评估结果不准确的情况，因此通过分段评判，可以大大增加评估结果的准确性。(8)在真正进行风险评估时，通过查询评估模型中同一风险源对应的风险发生可能性等级标准和风险损失等级标准，可以得到当前待评估对象的风险发生可能性结果和风险损失结果，通过相乘得到风险评分，再与模型建立中得到的该风险源所占的权重相乘，即可得到综合评分，根据该综合评分，再查询模型中建立的平分区段与风险等级的对应关系，从而可以得到风险评价的结果，整个流程只需依据模型中的参考值即可实现，对于评判的工作人员来说，这种评估方式实现简单而且人为因素的干扰较小，适合普遍推广，而且在时间跨度小的情况下，建立一次模型即可多次循环使用，方便程度高。附图说明图1为钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型建立步骤的方法流程图；图2为钢筋混凝土排水箱涵的风险评价步骤的方法流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本实施例提出了一种钢筋混凝土排水箱涵的风险评估方法，包括：钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型建立步骤，基于钢筋混凝土排水箱涵风险事故数据库，通过层次分析法，建立钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型，该步骤如图1所示，具体包括：a1)基于钢筋混凝土排水箱涵风险事故数据库，确定导致钢筋混凝土排水箱涵发生事故的所有风险源(这个所有风险源，实际上指的是钢筋混凝土排水箱涵发生事故中较为常见的和较为主要的所有风险源，而非涵盖掉所有可能发生的风险源，一些几乎不会发生的风险源在这里就直接忽略不计了)，具体为：a11)统计历年发生的钢筋混凝土排水箱涵风险事故，整理得到钢筋混凝土排水箱涵风险事故数据库；a12)构建风险分解树，对钢筋混凝土排水箱涵风险事故数据库内的风险事故进行分类细化；a13)通过步骤a12)建立的风险分解树，得到所有的主要风险源和与每一个主要风险源对应的所有的细化风险源；a2)通过层次分析法，确定每个风险源在风险事故发生中的所占权重，具体为：a21)将所有风险源作为相关元素，构造权重判断矩阵；a22)根据步骤a21)构造的权重判断矩阵，计算每个风险源在风险事故中的所占权重，具体为：其中，ωi为每个风险源在风险事故中的所占权重，aij为权重判断矩阵中的第i行第j列的相关元素，n为权重判断矩阵的行向量或列向量总数；a23)根据步骤a22)计算得到的所占权重，对构造的权重判断矩阵进行一致性检验，具体为：a231)根据步骤a22)计算得到的所占权重，计算步骤a21)构造的权重判断矩阵的最大特征值；a232)根据步骤a231)计算得到的最大特征值，进行一致性检验，得到一致性检验结果；a233)判断一致性检验结果是否小于规定阈值，若是则表明一致性检验通过，进入步骤a3)，若否则表明一致性检验未通过，返回步骤a2)，一致性检验结果具体为：其中，cr为一致性检验结果，λmax为最大特征值，n为权重判断矩阵的行向量或列向量总数，ri为随机性指标；a3)基于专家调查法，建立风险发生可能性等级标准和风险损失等级标准，得到风险评分标准；a4)根据步骤a2)得到的所占权重和步骤a3)得到的风险评分标准，计算得到风险综合评分标准；a5)划分综合评分区段，建立每一个综合评分区段与风险等级之间的对应关系，实现钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型的建立；钢筋混凝土排水箱涵的风险评价步骤，对待评估对象进行管线分段，基于钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型，对每一分段下的钢筋混凝土排水箱涵进行综合评分，根据评分结果得到每一分段下的钢筋混凝土排水箱涵的风险评价结果，该步骤如图2所示，具体包括：b1)对待评估对象进行管线分段；b2)基于钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型，对每一分段下的钢筋混凝土排水箱涵中的每一个风险源进行综合评分；b3)将每一分段下的钢筋混凝土排水箱涵中的所有风险源的综合评分相加，得到每一分段下的钢筋混凝土排水箱涵的综合评分；b4)根据钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型中综合评分区段与风险等级之间的对应关系，得到每一分段下的钢筋混凝土排水箱涵的风险评价结果。根据上述步骤，进行完整的模型建立和风险评估，过程如下：首先，进行风险源的辨识风险源，即引起钢筋混凝土排水箱涵失效的各影响因素。由于钢筋混凝土排水箱涵具有服役环境恶劣、结构形式多样、地质条件复杂等特点，直接对钢筋混凝土排水箱涵服役风险源进行辨识有一定难度，且准确性不能得到保证；可构建风险分解树，风险分解主要任务是找出风险事件及其发证可能的原因即风险因素并构建风险事件与风险因素之间的因果联系模型。本发明搜集统计全国历年发生钢筋混凝土排水箱涵风险事故，并将其整理形成数据库；然后把风险事件分为内、外两类，项目内部产生内部风险，而项目环境因素产生外部风险源。风险事件继续按照内、外两类事件分别往下细分，得出主要风险源，实现风险源辨识。钢筋混凝土排水箱涵的风险事故a包括以下四类风险源：排水箱涵结构性风险b1、排水箱涵功能性风险b2、周边环境风险b3和自然风险b4，其风险分解结构图见附表2。各类风险定义见表1～4。表1排水箱涵结构性风险b1表2排水箱涵功能性风险b2表3周边环境性风险b3表4自然风险b4其次，建立钢筋混凝土排水箱涵的风险评估标准模型在进行风险评估标注模型建立时，最先要进行风险等级标准建立，从而实现风险等级与最终的风险综合评分之间的对应依照《城镇排水管道检测与评估技术规程》，将项目风险等级分为四级，各风险等级对应的估值见表5。表5风险等级表等级估值说明ⅰ级16-25为减少风险的预防措施必须不惜代价实行ⅱ级9-16明确并执行预防措施以减少风险ⅲ级4-9风险处于可容忍的边缘，预防措施可能需要ⅳ级1-4风险是可容忍的，不必另设措施在建立了风险等级表后，可以根据轨道交通工程施工不同等级的风险应采用不同的风险控制处置措施，为进行风险评估的工作人员进行后续的操作指导，各等级风险的接受准则及控制对策宜参照表6。表6风险接受准则在确定了风险等级标准和风险接收准则后，可以开始计算各层级风险源权重本实施例中利用层次分析法确定各层级风险源权重，建立风险分析模型。层次分析法(analytichierarchyprocess，以下简称ahp)根据风险源辨识模块的风险分解树结构，进行定性和定量分析；然后用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重；最后再加权和的方法递阶归并各层级对总目标的最终权重。分析主要步骤如下：确定判断矩阵制作调查问卷表：通过专家的经验初步得到各因素的相对序列，他们的经验排出各因素的相对重要程度。确定比例标度：通过确定因素两两比较的比例等级来确定比例标度，使思维判断从定性转换为定量化，具体的标度的原则和定义见表7。表7风险权重评价分值表分值aij定义1i风险比j风险发生重要性一样大3i风险比j风险发生重要性略大5i风险比j风险发生重要性稍大7i风险比j风险发生重要性大得多9i风险比j风险发生重要性大很多2,4,6,8i风险比j风险发生重要性比较结果处于以上结果的中间倒数j风险比i风险发生重要性比较结果是i比j风险发生重要性结果的倒数构造判断矩阵：假设与某一风险事件的成因有n个相关因素，根据上述评判准则对各个因素的权重和某一元素进行比较并进行赋值打分，经过相应的整理，最终可以得到一个n×n的因素权重判断矩阵a＝(aij)n×n，形式如下。根据打分，得到如下各层级判断矩阵：①b层对a层的判断矩阵，见表8。表8b层对a层判断矩阵排水箱涵风险ab1b2b3b4结构性风险b11537功能性风险b21/511/43周边环境风险b31/3415自然环境风险b41/71/31/51②c层对b层的判断矩阵，见表9～12：表9c层对b1的判断矩阵功能性风险b1c1c2c3c4c5c6c7破裂c11768345错位c21/711/231/61/41/3脱节c31/62141/51/31/2渗漏c41/81/31/411/71/61/4腐蚀c51/3657135接头脱落c61/44361/313异物入侵c71/53241/51/31表10c层对b2的判断矩阵功能性风险b2c8c9c10c11c12c13沉积c8186734结垢物c91/811/41/21/71/5障碍物c101/6411/31/51/4树根c111/72311/61/5洼水c121/375613坝头c131/45451/31表11c层对b3的判断矩阵周边环境风险b3c14c15c16c17地面活荷载c141357临近施工c151/3135地层变化c161/51/313偶然荷载c171/71/51/31表12c层对b4的判断矩阵自然风险b3c14c15地震c1413暴雨台风c151/31根据上述表中得到的判断矩阵，即可计算各元素的权重首先，权重比对判断矩阵中的元素，表示从判断的角度考虑要素ai对要素aj的相对重要性，即：其中，权重比对矩阵中元素需要满足三个基本性质：①③aij＝1(当i＝j)其中，表示ai相对重要程度。最后，需经归一化处理即得到相对重要度，即：其中，ωi即为指标ai的权重。根据上述得到的权重，可以进一步对建立的判断矩阵进行一致性检验需要对初试比较值进行一致性检验，因具体到每个人对不同的复杂事物认识的有限性和主观性，不可能实现两两评分的判断矩阵具有完全一致性。这种主观的偏离是必然的，只是需要控制在一定的可接受的范围内。一致性检验的计算过程，即：其中，λmax是计算判断矩阵a的最大特征值，近似计算公式为：其中，ω表示权重集合。ri简称为随机性指标，可查表13获得，当cr≤0.1时，即可认为有满意的一致性，层次单排序有效，否则认为偏差太大，应重新进行评判。表13随机一致性指标ri值依此建立各层级权重比例。表14为各层级判断矩阵的权重系数：表14各层级判断矩阵的权重矩阵采用层次分析法建立风险评价模型后，本发明结合模糊综合法计算底层级的综合权重，进而建立钢筋混凝土排水箱涵风险评价表，见表15。表15钢筋混凝土排水箱涵风险评价表最后利用专家调查法从风险发生概率p和风险损失c对风险评价模型中底层次的风险源进行评分。本发明为评级专家提供如下评价指标：风险发生可能性等级标准(表16)和风险损失等级标准(表17～20)：表16风险事故发生概率等级标准等级可能性发生概率范围估值一级频繁的＞0.15二级可能的0.01～0.14三级偶尔的0.001～0.013四级罕见的0.0001～0.0012五级不可能的＜0.00011钢筋钢筋混凝土排水箱涵风险损失包括：人员伤亡、环境破坏和经济损失，均分为五级，分别见表17～19。最后应综合以上损失评价风险损失的严重程度，取三类损失估值的算数平均数e得到风险损失评分，见表20：表17人员伤亡等级标准等级损失程度估值一级人员死亡(含失踪)10人以上5二级人员死亡(含失踪)3人至9人，或重伤10人以上4三级人员死亡(含失踪)1人至2人，或重伤2人至9人3四级重伤1人，轻伤2人至10人2五级轻伤1人1表18周边环境影响损失等级标准表19直接经济损失等级标准表20综合风险损失等级标准等级损失程度算数平均数e范围估值一级恶劣的5≥e＞45二级很严重的4≥e＞34三级严重的3≥e＞23四级需考虑的2≥e＞12五级可忽略的1≥e1在建立了上述的模型后，即可进行风险评价由于管网中各条管段状况复杂多样，且管道各段风险程度不同，故需将管道划分为不同管段分别进行评价。分段过程中应根据失效因素和周围环境的变化简要判断不同管段风险值的变化。根据造成管道失效的主要因素，可选取管龄、施工方法、接口形式、管材、土壤、交通负荷、埋深和输送介质性质作为分段的考虑因素。具体分段时应综合考虑各管段风险值变化的幅度和分段后风险分析的成本，使后续风险分析工作精度较高且较为经济。对于一段具体的钢筋混凝土排水箱涵，根据前述模块确定的评分标准，采用专家打分法，从风险概率p和风险损失c进行底层级风险评级。在风险评价后，还可以进行后续操作，即根据风险评价模块中的风险评级标准，依据在风险标准模块中建立的风险接受准则，做出相应的风险预警响应，并提出切实可行的处置对策和控制方案。本实施例中，风险评价的具体过程为：首先对目标排水箱涵管线进行分段，对每一分段均进行风险评价，本实施步骤说明选定区段d进行风险评价；接着利用专家调查法，对该区段的排水箱涵进行风险评价：先建立由五名相关领域专家组成的评审会；评审会成立后，有条件可组织专家进行现场勘察，若不方便则向评审专家提供排水项目的相关地质资料和检测报告等材料；向各位评审专家发放调查表，依据本发明的评价标准，评审专家对底层级风险源仔细分析后，在调查表上进行风险概率p和风险损失c的评分；回收风险评价表，通过层次分析法建立的计算模型集成各层次风险指标，依据各风险源的综合权重计算评审专家对该区段钢筋混凝土排水箱涵的风险总估值；综合各位专家的风险总估值(取算数平均值)，得到该区段钢筋混凝土排水箱涵的风险估值，完成对该段排水箱涵的风险评级评价。结果见表21：表21d区段钢筋混凝土排水箱涵风险评价表从表的结果中可以看出，上述d区段钢筋混凝土排水箱涵的风险评价表可得其风险总评分为9.3750。接着工作人员可以根据表5的风险等级表定义d区段排水箱涵的等级定位ⅱ级；根据表6的风险接受准则可得到的d区段的风险管控意见为：风险等级不愿接受，政府部门及工程建设相关部门必须加强监测，采取风险处理措施，降低风险等级，并且及时制定专项施工方案和应急预案。当前第1页12