李亞平,史振龍,齊 峰

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司，江蘇 徐州 221008)

0 引言

對(duì)于長(zhǎng)輸油管道來(lái)說(shuō)穿越軟土區(qū)域幾乎難以避免，也有一些原本土質(zhì)穩(wěn)定的區(qū)域在經(jīng)歷暴雨或者水淹之后轉(zhuǎn)變成軟土區(qū)域。軟土具有一定的流動(dòng)性，導(dǎo)致其易在外力作用下發(fā)生變形。而軟土的變形則很有可能引起其內(nèi)部埋設(shè)管道的變形，甚至破壞(見(jiàn)圖1)。因此，了解軟土變形的誘發(fā)因素，分析管道因軟土變形而失效的概率，并綜合考慮已有的風(fēng)險(xiǎn)防控措施，建立科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)軟土區(qū)域內(nèi)敷設(shè)管道的風(fēng)險(xiǎn)性，對(duì)管道的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)都有著重要的意義。

對(duì)于管道地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作，已有不少研究者開(kāi)展過(guò)相關(guān)工作。如：早在1996年Muhlbauer[1]就提出了一個(gè)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分指標(biāo)體系法，但該方法僅從管道本身出發(fā)進(jìn)行考慮并不完善；趙忠剛等[2]對(duì)長(zhǎng)輸管道地質(zhì)災(zāi)害的類(lèi)型、防控措施和預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了總結(jié)，為后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的研究打下了基礎(chǔ)；林銘玉等[3]對(duì)國(guó)際通用管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了改進(jìn)，修正模型更加深入地考慮了地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)。王其磊[4]對(duì)長(zhǎng)輸油管道可能遇見(jiàn)的常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害(如滑坡、崩塌、泥石流、濕陷等)的影響因素進(jìn)行了分析，建立了一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。該模型能夠?qū)Υ蟛糠殖Ｒ?jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，但作者只進(jìn)行了滑坡災(zāi)害評(píng)價(jià)的驗(yàn)證；劉迎春等[5]提出了基于指標(biāo)評(píng)分法的單體管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，該方法主要適用于土質(zhì)滑坡的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；王珀等[6]對(duì)長(zhǎng)輸管道地質(zhì)災(zāi)害定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)行了研究，但該研究非常淺顯并未給出有效的評(píng)價(jià)方案；林冬[7]、冼國(guó)棟等[8]分別發(fā)展了管道滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；陳杏子[9]以網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)算法結(jié)合大數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)輸管道線(xiàn)域地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)，但該方案需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐，以當(dāng)前的數(shù)據(jù)量很難獲得準(zhǔn)確可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果。荊宏遠(yuǎn)等[10]提出了一種管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的半定量評(píng)價(jià)方法，并與實(shí)際災(zāi)害點(diǎn)的案例進(jìn)行了對(duì)比。此外，國(guó)外一些研究者也對(duì)管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，如：Sumer等[11]對(duì)管道水毀的風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行了研究。Jamshidi等[12]以模糊評(píng)價(jià)法為基礎(chǔ)提出了一種管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方案。Skogdalen等[13]則以事故調(diào)查資料為基礎(chǔ)，分析風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生原因，并以此建立了管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方案。Vianello等[14]基于歐洲管線(xiàn)的失效數(shù)據(jù)，建立了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。Cunha等[15]則以數(shù)據(jù)擬合的形式給出了管道參數(shù)與失效之間的聯(lián)系。Brissaud等[16]則以環(huán)境、設(shè)計(jì)、使用情況為變量，建立了管道失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。

很明顯，當(dāng)前風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型考慮得相對(duì)單一，雖然很多都以管道失效數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，但并未綜合考慮管道失效原因以及管道防護(hù)措施。同時(shí)，當(dāng)前對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害引起的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究還非常缺乏，且現(xiàn)有相關(guān)研究還主要集中在管道滑坡災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面，對(duì)于軟土區(qū)域管道風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的研究還尚未見(jiàn)報(bào)道。本文針對(duì)軟土區(qū)域管道風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)展開(kāi)研究，建立了一個(gè)考慮軟土地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率、前期防控措施、管道失效概率、已有管道防護(hù)措施以及管道失效后果的油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。采用本文所提出的風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)模型對(duì)軟土災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行了量化評(píng)價(jià)，并與野外勘察成果對(duì)比，兩者的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了本文所提模型的準(zhǔn)確性。

1 軟土區(qū)域管道風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型

當(dāng)前主流的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的基本框架為：

(1)

其中，R1為量化的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)；Ir為管道泄漏的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)；Ii為管道泄漏的影響系數(shù)。

考慮到災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和防治效果是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，因此，本文的模型框架為：

R2=Ir-Ip

(2)

其中，R2為量化的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)；Ir為可能導(dǎo)致管道泄漏的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的和，包括軟土地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)以及管道失效指標(biāo)；Ip為防護(hù)效果指標(biāo)，包括災(zāi)害體的治理以及管道的防護(hù)?？梢?jiàn)R2的值越大軟土區(qū)域管道風(fēng)險(xiǎn)性越大，同時(shí)，良好的防護(hù)措施可以降低該風(fēng)險(xiǎn)性。

Ir=Irp+Irs

(3)

其中，Irp為管道失效指標(biāo)；Irs為軟土地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

Ip=Ipp+Ips

(4)

其中，Ipp為管道防護(hù)指標(biāo)；Ips為軟土防護(hù)指標(biāo)。

各指標(biāo)的具體數(shù)值為：

(5)

其中，S為Irp,Irs,Ipp,Ips各指標(biāo)中的子指標(biāo)的分值(范圍在0～1之間)；W為各子指標(biāo)的權(quán)重，各指標(biāo)內(nèi)的子指標(biāo)權(quán)重和為1；n為各指標(biāo)內(nèi)子指標(biāo)的數(shù)量。

同時(shí)，對(duì)于管道失效后果，也可參考式(5)進(jìn)行計(jì)算：

(6)

其中，Rfc為管道失效后果指標(biāo)；Sfc為管道失效后果指標(biāo)的子指標(biāo)；Wfc為各子指標(biāo)的權(quán)重；j為子指標(biāo)的數(shù)量。

那么以R2為橫坐標(biāo);Rfc為縱坐標(biāo)，可以獲得一個(gè)封閉的風(fēng)險(xiǎn)坐標(biāo)系，將風(fēng)險(xiǎn)坐標(biāo)系內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，即可用于評(píng)價(jià)軟土地質(zhì)災(zāi)害下管道的風(fēng)險(xiǎn)性。

2 模型驗(yàn)證

2.1 指標(biāo)及權(quán)重的獲取

通過(guò)分析管道沿線(xiàn)軟土災(zāi)害的影響因素可知，軟土區(qū)域形成的主要誘發(fā)因素(如表1所示)包括[17]：土層性質(zhì)、地貌特征、降雨強(qiáng)度；軟土地區(qū)管道失效的主要影響因素(如表2所示)包括[18]：管道與軟土層相對(duì)位置關(guān)系、管道的埋深、管道周邊人類(lèi)工程活動(dòng)強(qiáng)度、地質(zhì)災(zāi)害的影響；軟土防護(hù)措施(如表3所示)有多種[19]，包括土體補(bǔ)強(qiáng)、材料加筑、土體置換、夯實(shí)、擠密等，以及排水截水從源頭上改善軟土區(qū)域，因此，可以將軟土加固分為兩類(lèi)考慮：土層加固和排水截水；管道變形防護(hù)措施(如表3所示)[20]包括：套管防護(hù)和蓋板防護(hù)。管道失效后果主要(如表4所示)考慮：生命安全、環(huán)境安全和財(cái)產(chǎn)安全。

表1 軟土區(qū)域形成的概率指標(biāo)

表2 軟土地區(qū)管道失效的概率指標(biāo)

表3 管道軟土區(qū)域防護(hù)措施

表4 管道失效后果

采用傳統(tǒng)專(zhuān)家打分法，邀請(qǐng)了5位相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家對(duì)各指標(biāo)內(nèi)元素的權(quán)重進(jìn)行了打分，根據(jù)專(zhuān)家打分得到各元素權(quán)重表，見(jiàn)表5。

表5 指標(biāo)內(nèi)各元素的權(quán)重

2.2 風(fēng)險(xiǎn)坐標(biāo)系

評(píng)價(jià)管道軟土災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性需要從兩個(gè)維度來(lái)進(jìn)行，即管道失效的概率和管道失效后的后果。從這兩個(gè)維度將管道風(fēng)險(xiǎn)劃分為5個(gè)等級(jí)，即：極低風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)，見(jiàn)圖2。

其中極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域毋須采取任何措施；較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?qū)儆诳山邮茱L(fēng)險(xiǎn)，可采取巡檢措施來(lái)觀(guān)察發(fā)展；較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，屬于有條件接受的風(fēng)險(xiǎn)，需要提高觀(guān)察頻率，必要時(shí)可以采取防控措施；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域則屬于不可接受風(fēng)險(xiǎn)，需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)采取防控措施降低風(fēng)險(xiǎn)，如采取工程措施加固土體、更換受損管道，必要時(shí)可繞過(guò)軟土風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

3 模型驗(yàn)證

以2018年儀揚(yáng)線(xiàn)南京夾江東北側(cè)化工大道旁管道軟土事故案例進(jìn)行分析。根據(jù)資料顯示，該處土體為軟塑～流塑狀態(tài)的淤泥土具有強(qiáng)濕陷性(軟土區(qū)形成的概率指標(biāo)分值：1)，管道位置地形平坦(軟土區(qū)形成的概率指標(biāo)分值：0)，降水量豐富(南京市年均降水量大于1 000 mm)(軟土區(qū)形成的概率指標(biāo)分值：1)；管道穿過(guò)大面積軟土中心(軟土區(qū)管道失效概率指標(biāo)分值：1)，埋深5 m～6 m(軟土區(qū)管道失效概率指標(biāo)分值：0)，管道左側(cè)載荷常年大于右側(cè)(等同于近距離、中等質(zhì)量堆載)(軟土區(qū)管道失效概率指標(biāo)分值：0.75)，地形條件良好不受地質(zhì)災(zāi)害影響(軟土區(qū)管道失效概率指標(biāo)分值：0)；除了在埋設(shè)時(shí)對(duì)管道土層進(jìn)行加固外并未進(jìn)行其他防護(hù)措施(管道軟土區(qū)域防護(hù)措施分值：0.5)。根據(jù)式(2)～式(5)，結(jié)合表1～表3，表5中提供的分值，計(jì)算得到管道失效風(fēng)險(xiǎn)概率為：

Rfc=1×0.44+0×0.26+1×0.3+1×0.27+0.75×0.21+0×0.27-0.44×0.5=0.947 5。

若管道內(nèi)容物泄漏可能引發(fā)如下后果：1)由于管道地處主干道旁(見(jiàn)圖1)，泄漏如果引發(fā)大火可能導(dǎo)致人員傷亡(管道失效后果分值：0.75)。2)周?chē)h(huán)境價(jià)值一般，如果泄漏不會(huì)對(duì)環(huán)境造成不可逆的損失(管道失效后果分值：0.75)。3)如果泄漏可能導(dǎo)致的財(cái)產(chǎn)損失一般(管道失效后果分值：0.5)。根據(jù)式(6)，結(jié)合表4,表5提供的分值，計(jì)算管道失效后果指標(biāo)為：

R2=0.75×0.6+0.75×0.3+0.5×0.1=0.725。

根據(jù)上述描述，使用本模型對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以得出：管道失效的概率指標(biāo)為0.947 5和管道失效后的后果指標(biāo)為0.725，對(duì)應(yīng)圖2可以看出，該區(qū)域?yàn)檩^高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

實(shí)際上，管道管理方于2018年8月管道經(jīng)內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管道變形超限，隨后對(duì)該區(qū)域13 m范圍內(nèi)的管道進(jìn)行開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)管道中部出現(xiàn)了向下較大的彎曲變形，管道上部表面發(fā)生了變形褶皺，但尚未發(fā)生泄漏(見(jiàn)圖3)。經(jīng)對(duì)比模型預(yù)測(cè)與實(shí)際案例，可以看出模型預(yù)測(cè)結(jié)論比較準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

本文基于目前軟土地區(qū)埋地管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作存在的一些不足，通過(guò)綜合考慮土地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率、前期防控措施、管道失效概率、已有管道防護(hù)措施以及管道失效后果的油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,得出以下結(jié)論：

1)本文通過(guò)綜合將軟土地區(qū)管道風(fēng)險(xiǎn)概率分為兩部分,即管道失效指標(biāo)及管道防護(hù)指標(biāo)，通過(guò)評(píng)價(jià)二者相互作用，綜合計(jì)算管道風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。所提模型具有簡(jiǎn)單明了，能客觀(guān)、全面地反映各因素對(duì)管道軟土地質(zhì)災(zāi)害影響的特點(diǎn)。

2)本文納入專(zhuān)家打分法，客觀(guān)評(píng)價(jià)每種因子的權(quán)重，增強(qiáng)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的合理性與可靠性。

3)以實(shí)際軟土地質(zhì)災(zāi)害案例為例，對(duì)比模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際勘察結(jié)果，可以看出該模型預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確。