基于貢獻率模型的管道河(溝)道水毀災害危險性評價指標體系

陳國輝，吳 森，潘國耀

(四川省地質(zhì)工程勘察院, 四川 成都 610072)

0 引言

中國石油西南管道公司所轄管道途徑滇、黔、桂、川、渝、陜、甘、寧7省1市，是我國油氣輸送工程的重要組成部分，為確保西南地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展所需的能源供應發(fā)揮了巨大的作用。轄區(qū)內(nèi)管道穿越的滇、黔、陜、甘、寧與四川的東北部等，大部份地區(qū)處于歐亞板塊與印度板塊強烈碰撞、擠壓的地槽區(qū)，地質(zhì)構造活動強烈，沿線有一系列深大斷裂和次生斷裂。區(qū)內(nèi)山高谷深，河流與山脈相間排列，管道蜿蜒于大山大河之間。管道沿線地質(zhì)環(huán)境條件復雜，滑坡、崩塌、泥石流、水毀等地質(zhì)災害發(fā)育，管道面臨地質(zhì)災害的危害風險大[1]。

本文以管道沿線的河(溝)道水毀為例，選取其中典型的119處河(溝)道水毀災害點作為樣本點，基于貢獻率模型對河(溝)道水毀的影響因子的敏感性進行統(tǒng)計分析，最終在敏感性中等、敏感性高的因子中篩選部分因子作為管道河(溝)道水毀災害的危險性評價因子。

1 河(溝)道水毀的發(fā)育及危害

管道沿線發(fā)育的河(溝)道水毀災害是研究區(qū)的優(yōu)勢災種。河(溝)道水毀在各條管道沿線均有不同程度的發(fā)育，其中以蘭成渝成品油管道沿線發(fā)育數(shù)量最多，成災規(guī)模以一般水毀為主(影響管道長度≤100 m)，部分段發(fā)育大型水毀(影響管道長度>100 m)，分散性較強，發(fā)育分布不均衡[1]。

河(溝)道水毀主要發(fā)育在穿越河溝、順河溝敷設段的河溝床及岸坡地帶。受地表水(洪水)的沖蝕、侵蝕作用影響，根據(jù)破壞機理的不同，形式主要表現(xiàn)為河床下切、堤岸坍塌和水工保護設施破壞等，其中又以堤岸坍塌(圖1)、河床下切(圖2)危害最為嚴重。

圖1 堤岸坍塌型的河(溝)道水毀Fig.1 The bank-collapse type of washout hazard

河(溝)道水毀對管道的危害表現(xiàn)形式主要有露管、懸管、漂管，可能影響管道的正常運營，嚴重時可能造成管道破損，導致油、氣泄漏。

圖2 河床下切型河(溝)道水毀Fig.2 The riverbed-incised type of washout hazard

2 河(溝)道水毀的影響因素分析

管道沿線河(溝)道水毀災害的形成受內(nèi)因和外因兩方面的條件控制，內(nèi)因是河(溝)道水毀形成的物質(zhì)基礎(地形地貌、地質(zhì)環(huán)境等)，外因是誘發(fā)河(溝)道水毀形成的外在條件(降水、人類工程活動等)。

2.1 內(nèi)部因素

2.1.1地形地貌因素

河(溝)道水毀主要是河、溝岸或河、溝底在水流作用下沖刷掏蝕、下切而造成的河(溝)岸坍塌或河(溝)底侵蝕的現(xiàn)象，導致管道淺埋、露管、懸管或漂管[2]。河(溝)道水毀主要由水力作用引起，水力作用的強弱主要取決于地形條件(主要包括岸坡類型、岸坡坡度、河溝縱坡降)。當處于特定的河(溝)道部位，同時具備適當?shù)牡匦螚l件，就有可能發(fā)生水毀災害。對于橫穿河流溝谷的管道，主要遭受河(溝)的沖刷下切作用，同等條件下，當河(溝)道縱坡降越大，水流速度越快，就越利于河(溝)道的下切；沿河、溝岸敷設的管道；凹岸坡部位的破壞形式主要表現(xiàn)為淘刷坍岸，對管道影響大；凸岸坡部位的破壞形式主要表現(xiàn)為淤積，故對管道影響小[2]。另外，河岸坡度越大，則越利于淘刷坍岸。

例如蘭成原油管道清江河2#水毀，該災害位于劍閣縣桅桿村清江河河邊，管道處于凹岸區(qū)，受暴雨和清江河發(fā)洪水影響，河岸沖刷加劇，最終導致坍岸，造成兩段管道懸管，其中一處光纜被沖斷(圖3)。

圖3 蘭成原油管道清江河2#水毀Fig.3 Qingshuihe 2# washout hazard of Lanzhou-Chengdu crude oil pipeline

2.1.2地質(zhì)環(huán)境條件

地質(zhì)環(huán)境條件是河(溝)道水毀形成的重要內(nèi)在因素[3]，主要包括巖土類型、土體狀態(tài)(巖土體密實度、土體塑性狀態(tài))、河(溝)岸植被覆蓋等。

(1)巖土類型是河(溝)道水毀形成的至關重要的因素。不同巖土類型產(chǎn)生水毀的難易程度較大，在相同條件下，土體相對于巖體更容易導致水毀形成；土體中的細粒土比塊、碎石土等粗粒土的內(nèi)摩擦角較小，更容易遭受水流掏蝕、沖刷。

(2)巖土體密實度也是導致水毀形成的主要因素。結構松散的巖土體往往物理力學性質(zhì)較差，更容易被地表水掏蝕、沖刷。

(3)植被和土地利用類型也影響著水毀的發(fā)生，一般裸地地區(qū)缺乏植被的保護，水土流失嚴重，更容易導致災害的發(fā)生[2,4]。

圖4 蘭成原油管道小峽溝水毀Fig.4 Xiaoxiagou washout hazard of Lanzhou-Chengdu crude oil pipeline

例如蘭成原油管道小峽溝水毀(圖4)，該災害點位于廣元市朝天區(qū)羊木鎮(zhèn)五星村小峽溝，蘭成原油管道沿溝道縱穿，溝道整體縱坡降120%，溝道內(nèi)主要為管道開挖形成的碎塊石填土，土體結構松散，2013年6月20日暴雨導致該區(qū)管道露管。露管分兩段，上半段與下半段各20 m，共計40 m，管道被碎石砸傷20余處。

2.2 外部誘發(fā)因素

導致河溝水毀形成的外部因素較多，主要包括洪水位變幅、流量、流速、降水、人類工程活動等[2]。

2.2.1流量及流速

流量與流速直接決定水流對河溝的沖刷、掏蝕的強弱，水流越大，流速越快，對岸坡及河床的沖刷與下切作用就越強烈[5]。

2.2.2人類工程活動

河道人工采砂活動、岸坡開挖與堆載、上游修建水庫等人類工程活動都會誘發(fā)河(溝)道水毀。

例如蘭成、中貴管道火燒溝水毀(圖5)，該災害位于甘肅省康縣白楊鄉(xiāng)，蘭成中貴管道在火燒溝內(nèi)敷設長度為13.5 km，采用同溝、同隧道敷設方式。由于河道蛇曲，管道在溝內(nèi)設置了11座隧道進行取直(進出洞口多位于溝道凹岸)，管道開挖導致土體松散，同時隧道開挖形成的棄碴嚴重侵占現(xiàn)有溝道，有的地方占用了4/5的河道，2013年6月19日晚21時至次日12時康縣境內(nèi)遭遇百年不遇特大暴雨，特大暴雨過后，火燒溝內(nèi)山洪爆發(fā)，洪水位急劇上升了4～5 m，由于洪水的沖刷、侵蝕，導致伴行路多處受損，完全沖毀長度約1 km，局部路基或路面沖毀約10 km。伴行路沖毀后導致2段管道出露懸空，懸空長度分別為67 m和120 m；另外有9處穿河段管道暴露在河底，暴露的長度不同，多數(shù)與河底寬度大致相同，長度不超過10 m；沖刷后河底下切嚴重，有些是整個管道暴露，形成短距離懸空，局部防腐層損壞嚴重。

圖5 蘭成管道、中貴管道火燒溝水毀Fig.5 The Huoshaogou washout hazard of Zhongwei-Guiyang pipeline and Lanzhou-Chengdu pipeline

3 河(溝)道水毀影響因子敏感性分析

3.1 因子的選取

根據(jù)管道沿線河(溝)道水毀的影響因素分析，河(溝)道水毀災害受地形地貌、地質(zhì)環(huán)境、結構特征、變形特征、外部誘發(fā)因素等五大因素影響，結合管道河(溝)道水毀災害的實際特點，從中選取12個評價因子(岸坡類型(凹岸、凸岸、直岸)、坡高、河岸坡度、流域面積、河(溝)縱坡降、巖土類型、河岸植被覆蓋率、河溝道變形、土體狀態(tài)(巖土體密實度、土體塑性狀態(tài))、洪水位變幅、流速、人類工程活動)[6-7]作為備選指標因子。

3.2 樣本的選取與統(tǒng)計

3.2.1樣本的選取

選取119處典型河(溝)道水毀災害點作為樣本點，用于災害的影響因子敏感性分析。選取的119個樣本點橫跨西南管道5條管道穿越區(qū)7省1市所有地貌單元，具有良好的代表性。

3.2.2樣本的統(tǒng)計

各因子根據(jù)其對河(溝)道水毀災害發(fā)生的影響程度，按表1對其貢獻進行賦值[1]。

表1 貢獻賦值參考表

119個樣本點各因子按表1分別賦值后統(tǒng)計見表2。

表2 河(溝)道水毀樣本貢獻賦分統(tǒng)計表

3.3 敏感性分析

3.3.1因子間敏感性分析

為了客觀的評價因子的敏感性，采用貢獻率模型對管道沿線河(溝)道災害影響因子的敏感性進行分析，貢獻率模型是指利用每個評價因子的貢獻值來反映該因子對災害的貢獻情況，然后通過歸一化處理，將貢獻值轉換為敏感性值，最終通過歸一化的敏感性值大小表示因子間的敏感性。

該模型的優(yōu)點是結構簡單，不受地域限制，能客觀地反映出各因子的敏感性大小。該模型是通過統(tǒng)計分析已發(fā)生119處河(溝)道水毀災害對各因子的貢獻情況，反映出因子的敏感性大小。貢獻率模型如下[8-9]：

(1)

(2)

式中：rij——第j樣本的第i個因子的分值；

n——災害樣本的個數(shù)，這里取119；

ri——第i個因子的貢獻總分；

m——地災影響因子的個數(shù)，這里取12；

Si——各因子的敏感性值。

根據(jù)貢獻率模型可以求取各因子的敏感性值，計算結果見表3。

表3 河(溝)道水毀影響因子的敏感性值統(tǒng)計表

3.3.2單因子敏感性分析

在不同地貌單元，不同地質(zhì)環(huán)境條件下，各因子內(nèi)部的敏感性大小是否收斂，就成了其是否能作為評價因子的關鍵。因此還需要對各因子的內(nèi)部敏感性進行分析，分析因子的收斂性，這里以洪水位變幅為例介紹。

通過洪水位變幅對119個樣本點統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析顯示(表4)，在119個災害點樣本中，有108個為高貢獻，占總數(shù)的91%；中等貢獻9個；低貢獻2個。

分析顯示洪水位變幅對于河(溝)道水毀的影響敏感性高，通過折線圖可以看出(圖6)，樣本點主要收斂在高貢獻中，因此洪水位變幅(流量)在河(溝)道水毀災害中占據(jù)主控地位，是不可或缺的評價指標。通過對各因子內(nèi)部敏感性分析，12個備選因子均具有較好的收斂性。

表4 洪水位變幅因子貢獻統(tǒng)計

圖6 洪水位變幅因子貢獻分析Fig.6 The contribution analysis of flood level fluctuation factors

4 評價指標體系構建

按照評價因子敏感性大小，將影響因子劃分為高敏感因子、中等敏感因子、低敏感因子[10-11]，劃分標準與結果參見表5。

低敏感因子在河(溝)道水毀災害中占據(jù)極其次要地位，為了便于評價，一般不選作河(溝)道水毀災害危險性評價指標。由于野外調(diào)查中，某些因子狀態(tài)是不可基于調(diào)查手段獲取的，鑒于此，這里將高、中等敏感因子中不可通過野外調(diào)查獲取的因子剔除，最終保留洪水位變幅、巖土類型、土體狀態(tài)、岸坡類型、河溝縱坡降、岸坡與河溝變形、河岸坡度7個因子構建單體管道河(溝)道水毀災害危險性評價指標體系(圖7)。

表5 影響因子敏感性分級

圖7 管道河(溝)道水毀災害危險性評價指標體系Fig.7 The assessment index system of washout hazard of pipeline across-river

5 結論

(1)貢獻率模型能客觀地分析管道沿線河(溝)道水毀災害影響因子的敏感性，該模型的優(yōu)點是結構簡單，不受地域限制，能客觀地反映出各因子的敏感性大小。

(2)對因子敏感性進行排序，最終保留洪水位變幅、巖土類型、土體狀態(tài)、岸坡類型、河溝縱坡降、河溝道變形、河岸坡度7個因子作為管道河(溝)道水毀危險性評價指標因子。

(3)受資料限制，本次僅選取管道沿線119處典型河(溝)道水毀災害作為樣本點，樣本數(shù)量不足可能會造成分析的誤差，下一步應增加樣本量，對評價指標進行進一步的驗證與改進。