基于故障樹分析法的南水北調(diào)配套工程輸水管線破壞風(fēng)險(xiǎn)分析

李朋 孫志江 邱丁初

（河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

基于故障樹分析法的南水北調(diào)配套工程輸水管線破壞風(fēng)險(xiǎn)分析

李朋 孫志江 邱丁初

（河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水管道工程是連接南水北調(diào)干線與地方受水區(qū)的關(guān)鍵紐帶，保障其供水安全具有重大現(xiàn)實(shí)意義。而輸水管線存在諸多風(fēng)險(xiǎn)因素，采用確定性方法對其進(jìn)行研究難度較大。本文基于故障樹分析理論，以衡水市南水北調(diào)配套工程第二設(shè)計(jì)單元輸水管道工程為工程背景，通過分析工程特點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識，統(tǒng)計(jì)了影響輸水管線安全運(yùn)行的13類風(fēng)險(xiǎn)因子，建立了輸水管線故障樹模型，計(jì)算出最小割集，通過分析最小割集得出各風(fēng)險(xiǎn)因子結(jié)構(gòu)重要度。計(jì)算表明，腐蝕破壞、不良管材、荷載過大等是導(dǎo)致輸水管線發(fā)生破壞事故的主要因素。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出了有益結(jié)論與意見。

輸水管線 風(fēng)險(xiǎn)因子 故障樹分析 最小割集 結(jié)構(gòu)重要度

1 前言

南水北調(diào)工程是國家重點(diǎn)跨流域調(diào)水工程，工程實(shí)施后將極大緩解我國北方地區(qū)水資源緊缺狀況。南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水管道工程是南水北調(diào)工程體系的重要組成部分，是連接總干渠和受水區(qū)的重要紐帶。以河北省為例，根據(jù)《河北省南水北調(diào)配套工程規(guī)劃》，到2015年，將完成全部跨市干渠、大型調(diào)蓄工程和大部分供水管道的新建和改擴(kuò)建工程，直接受水區(qū)總?cè)丝诩s4435萬人，占全省的65%。因此，南水北調(diào)配套工程是一項(xiàng)重大的民生工程，將有效緩解河北水資源缺乏問題。

水廠以上輸水管道工程是配套工程的重要組成部分，承擔(dān)長期穩(wěn)定輸送水源的任務(wù)，為確保受水區(qū)用水安全，應(yīng)首先保證輸水管道的安全運(yùn)行。由于輸水管道工程多為長距離、跨區(qū)域工程，常需穿越復(fù)雜的地形、地質(zhì)區(qū)域，同時管理維護(hù)不便，破壞風(fēng)險(xiǎn)因子較多，因此，對配套工程輸水管線進(jìn)行破壞風(fēng)險(xiǎn)分析研究具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

故障樹分析理論是在一定條件下采用演繹推理的方法，利用特定含義的符號組成樹形圖表示結(jié)果和原因之間的邏輯關(guān)系，通過分析運(yùn)算，得到事故發(fā)生的直接和間接原因，揭示事故的潛在發(fā)生機(jī)制，及時提出事故防范措施。它是目前國內(nèi)外公認(rèn)的對復(fù)雜系統(tǒng)安全性、可靠性分析的一種實(shí)用方法。

本文以衡水市南水北調(diào)配套工程第二設(shè)計(jì)單元輸水管道工程（以下簡稱“衡水配套第二設(shè)計(jì)單元”）為工程背景，基于故障樹分析理論，對南水北調(diào)配套工程輸水管線進(jìn)行破壞風(fēng)險(xiǎn)分析，總結(jié)出了輸水管線的破壞風(fēng)險(xiǎn)因子，通過故障樹分析，直觀揭示出配套工程輸水管線安全運(yùn)行的破壞風(fēng)險(xiǎn)因子邏輯關(guān)系，為工程管理人員規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生提供有益指導(dǎo)。

2 工程特點(diǎn)分析及風(fēng)險(xiǎn)因子辨識

2.1 工程特點(diǎn)分析

衡水配套第二設(shè)計(jì)單元北起石津干渠滄州支線暗涵段馬回臺分水口，南至景縣小留屯水廠，全線長42.926km，線路涉及衡水市武邑縣、

阜城縣和景縣三縣，沿線穿越多處公路、河流。

管線采用加壓輸水方式，管道內(nèi)壓受泵站運(yùn)行控制及輸水流量影響較大，要求管材抗壓能力強(qiáng)；根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告，工程區(qū)多處地表、地下水具有硫酸鹽型強(qiáng)腐蝕性，土壤腐蝕等級較高，輸水管材需具有較好的防腐性能；管線水平、豎向拐點(diǎn)多，管道接口質(zhì)量影響管道的安全穩(wěn)定性；線路主要布置于鄉(xiāng)村田間，減少了占遷，但對沿線各類閥件管理維修不利，存在一定的安全隱患；管道埋深變化較大，淺處不足2m，深處達(dá)9m，根據(jù)施工條件，管溝回填質(zhì)量不易控制，部分不良地質(zhì)段易產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致管道變形過大，也將影響管道整體穩(wěn)定。另外，工程區(qū)地處華北平原北部，全年溫差較大，應(yīng)考慮溫差及溫度應(yīng)力對管線安全運(yùn)行的影響。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)辨識

風(fēng)險(xiǎn)辨識是對工程中可能發(fā)生的所有潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面識別和系統(tǒng)歸納。為使風(fēng)險(xiǎn)辨識準(zhǔn)確有效，應(yīng)重視風(fēng)險(xiǎn)辨識的全面性以及客觀性。

風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和事后損失是風(fēng)險(xiǎn)的兩大基本屬性。不同的工程，其工程特點(diǎn)不盡相同，采取的風(fēng)險(xiǎn)分析方法也會有所差異。本文研究對象為南水北調(diào)配套工程輸水管道工程，在工程地質(zhì)、應(yīng)用領(lǐng)域等方面都有其自身獨(dú)特的特點(diǎn)，在對配套工程輸水管線進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析時，應(yīng)首先明確其所適用的風(fēng)險(xiǎn)定義?；诠こ田L(fēng)險(xiǎn)定義以及對工程特點(diǎn)的分析，本文將配套工程輸水管線風(fēng)險(xiǎn)定義為：在輸水管線施工、運(yùn)行全壽命期內(nèi)，在各種不確定性因素的影響下，輸水管線遭受損傷破壞使其功能不能按預(yù)定要求發(fā)揮的可能性及產(chǎn)生的不良或不利后果。

根據(jù)對配套工程輸水管線的風(fēng)險(xiǎn)定義，本文將配套工程輸水管線的破壞分為兩大類，一是水體滲漏，屬于長期性破壞，二是爆管，屬于瞬時破壞。同時，基于工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)上述工程特點(diǎn)分析，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者相關(guān)理論研究，通過對長距離管道輸水工程事故資料的分析統(tǒng)計(jì)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)，在對南水北調(diào)配套工程輸水管道工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行階段內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)類型、事故原因進(jìn)行深入分析和系統(tǒng)篩選、分類的基礎(chǔ)上，提出了配套工程埋地輸水管線的主要風(fēng)險(xiǎn)因子。表1為破壞風(fēng)險(xiǎn)因子統(tǒng)計(jì)表。

表1 南水北調(diào)配套工程輸水管道破壞風(fēng)險(xiǎn)因子

3 故障樹模型分析計(jì)算

3.1 故障樹分析流程

故障樹分析流程，如圖1所示。

圖1 故障樹分析分析流程

3.2 故障樹模型基本名稱和符號

（1）底事件是導(dǎo)致其他事件發(fā)生的原因事件，位于故障樹底端，分為基本事件和未探明事件。其中，基本事件原因明確，未探明事件原因不確定。表1中的風(fēng)險(xiǎn)因子即為故障樹模型中的底事件。

（2）結(jié)果事件是由其他事件所導(dǎo)致的事件，分為頂事件和中間事件，如圖2所示。

圖2 故障樹模型中的基本名詞與符號

（3）邏輯門

與門表示僅當(dāng)所有輸入事件同時發(fā)生，輸出事件才會發(fā)生；或門表示至少有一個輸入事件發(fā)生，輸出事件就會發(fā)生。

3.3 建立輸水管道故障樹模型

根據(jù)上述說明，結(jié)合表1南水北調(diào)配套工程輸水管道破壞風(fēng)險(xiǎn)因子，建立輸水管道故障樹模型，如圖3所示。

圖3 配套工程輸水管道故障樹模型

3.4 配套工程輸水管道故障樹模型分析

3.4.1 最小割集與結(jié)構(gòu)重要度

割集是導(dǎo)致故障樹中頂事件發(fā)生的底事件的組合。最小割集是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的數(shù)目最少的底事件組合。本文將采用最小割集法對故障樹進(jìn)行分析。

故障樹的結(jié)構(gòu)重要度即不考慮底事件發(fā)生的概率，僅從故障樹結(jié)構(gòu)上分析各底事件的發(fā)生對頂上事件的影響程度。在缺少底事件發(fā)生概率資料時，結(jié)構(gòu)重要度分析便可直觀反映出在故障樹結(jié)構(gòu)中各底事件對頂事件的影響程度，為工程建設(shè)及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供理論依據(jù)。

3.4.2 故障樹模型最小割集計(jì)算

本文采用布爾代數(shù)法求解配套工程輸水管道故障樹模型的最小割集，計(jì)算過程如下：

由上述計(jì)算結(jié)果可知，導(dǎo)致配套工程輸水管線破壞事故發(fā)生的故障樹最小割集共13個，即{X1}、{X2}、{X3}、{X7}、{X8}、{X9}、{X12}、{X13}、{X8×X11}、{X7×X9}、{X4×X5}、{X8×X10}、{X1×X6}。

導(dǎo)致輸水管道破壞事故發(fā)生的最小割集共有兩種類型，一階最小割集共7個，如{X7}，它表示風(fēng)險(xiǎn)因子X7（外部荷載過大）出現(xiàn)時，會引起管材破裂以及不均勻沉降等情況的發(fā)生，并最終導(dǎo)致輸水管道發(fā)生破壞事故。二階最小割集共5個。例如{X8*X11}，它表示風(fēng)險(xiǎn)因子組合X8*X11（內(nèi)壓變化過大，同時管材尺寸選取不當(dāng)）出現(xiàn)時，會因水體的劇烈非恒定流而產(chǎn)生沖擊波，發(fā)生水擊破壞，導(dǎo)致輸水管道破壞。

3.4.3 輸水管道故障樹結(jié)構(gòu)重要度分析

結(jié)構(gòu)重要度分析是通過比較各風(fēng)險(xiǎn)因子結(jié)

構(gòu)重要系數(shù)，評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)因子對頂事件的影響程度。參考相關(guān)文獻(xiàn)，按如下思想，利用最小割集近似判斷各風(fēng)險(xiǎn)因子的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)：

（1）階數(shù)越小的最小割集，其結(jié)構(gòu)重要系數(shù)越大。

（2）在同一割集中內(nèi)，所有底事件結(jié)構(gòu)重要系數(shù)相同。

（3）出現(xiàn)次數(shù)多的底事件是最小割集中最風(fēng)險(xiǎn)最大的因素，結(jié)構(gòu)重要系數(shù)也越大。

（4）當(dāng)出現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜情況時，如兩個底事件，一個在階數(shù)小的最小割集中出現(xiàn)的次數(shù)少，一個在階數(shù)大的最小割集中出現(xiàn)的次數(shù)多的情況，按下列近似判別式計(jì)算結(jié)構(gòu)重要系數(shù)：

式中，I(i)為底事件Xi的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)近似判別值；Xi∈Ki表示Xi屬于Ki的最小割集；為底事件所在最小割集中包含的底事件個數(shù)。

根據(jù)上式計(jì)算結(jié)構(gòu)重要度。如X1，一階最小割集出現(xiàn)兩次，二階最小割集出現(xiàn)一次，故其結(jié)構(gòu)重要度為：

其他結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算方法與上述相同，計(jì)算結(jié)構(gòu)如下：

I(X9)=1.5

綜上分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度對影響南水北調(diào)配套工程輸水管線的風(fēng)險(xiǎn)因子排序如下：

對配套工程輸水管線安全運(yùn)行影響較大的前8個風(fēng)險(xiǎn)因子統(tǒng)計(jì)如表2。

表2 對輸水管線影響較大的前8個風(fēng)險(xiǎn)因子

4 結(jié)論與建議

長距離輸水管道事故問題是供水行業(yè)普遍存在的現(xiàn)象，而南水北調(diào)配套工程是跨地區(qū)的重點(diǎn)民生工程，保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)上述故障樹分析結(jié)果，得出以下結(jié)論與建議：

（1）腐蝕破壞降低管材抗壓能力，管內(nèi)腐蝕嚴(yán)重時還會產(chǎn)生堵管等嚴(yán)重事故，其結(jié)構(gòu)重要度最大。因此，輸水管道工程在設(shè)計(jì)、施工階段，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注管道的防腐問題。設(shè)計(jì)階段，應(yīng)盡量選用耐腐蝕性強(qiáng)的管材，同時施工期間重點(diǎn)做好防腐工作。比如本輸水管線工程區(qū)多處地表、地下水具有硫酸鹽型強(qiáng)腐蝕性，土壤腐蝕等級較高，設(shè)計(jì)采用耐腐蝕性強(qiáng)的球墨鑄鐵管是十分合適的。

（2）計(jì)算結(jié)果表明，外部荷載過大、內(nèi)壓變化過大等可從不同方面對輸水管線造成較大破壞。因此，在正常運(yùn)行期間，項(xiàng)目管理人員應(yīng)重點(diǎn)注意管線地面荷載情況，如禁止管線地面建較大建筑物、禁止超載車輛通行等，防止外部荷載過大。同時盡量避免人為操作不當(dāng)?shù)绕渌蛩貙?dǎo)致內(nèi)壓變化過大。

（3）設(shè)計(jì)階段應(yīng)合理布置排氣井等閥井，防止管內(nèi)排氣不暢造成堵管；認(rèn)真分析基礎(chǔ)地質(zhì)情況，做好地基處理設(shè)計(jì)工作，防止因地基基礎(chǔ)差而導(dǎo)致過大不均勻沉降等情況的發(fā)生。比如針對輸水管線多處穿越段穿越不同地層，井室及支墩部位分別采取了夯實(shí)、設(shè)置過渡層等工程措施。施工階段，要嚴(yán)把工程質(zhì)量關(guān)，尤其是確保采購的管材為優(yōu)質(zhì)合格產(chǎn)品。

（4）本文利用故障樹的定性分析方法，通過計(jì)算分析最小割集，從故障樹的結(jié)構(gòu)上得出各種原因事件的重要度排序。但是，結(jié)構(gòu)重要度分析是在不考慮底事件發(fā)生概率的基礎(chǔ)上進(jìn)行

的，而實(shí)際情況中，每個風(fēng)險(xiǎn)因子發(fā)生的概率是不一樣的。隨著各地配套工程輸水管線工程陸續(xù)施工并投入運(yùn)行，利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的管線發(fā)生各種破壞事故概率作為第一手資料，可對輸水管線工程進(jìn)行定量性的實(shí)效概率分析，為工程建設(shè)與運(yùn)行提供有益指導(dǎo)。

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圖1 第55工程地質(zhì)段抗剪強(qiáng)度包線

4 結(jié)束語

土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是否合理，對工程的安全和經(jīng)濟(jì)影響巨大，需要慎重對待。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，應(yīng)對抗剪強(qiáng)度取小值平均值，得到抗剪強(qiáng)度包線和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值。

另外，不同的土工試驗(yàn)方法對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值亦有較大影響，應(yīng)按照設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的針對不同設(shè)計(jì)工況的土工試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，不能一概采用簡單、保守的飽和快剪試驗(yàn)方法。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.009

TV68

B

1672-2469(2014)12-0022-05

李朋（1987年—），男，助理工程師。