市政管線變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估導(dǎo)則關(guān)鍵內(nèi)容研究?

胡晶國(guó) 王曉特 許春青

(中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 長(zhǎng)春130021)

引言

市政管線包括城市范圍內(nèi)的給水、排水、燃?xì)?、熱力、電力、通信、廣播電視、工業(yè)等管線，是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和生命線。伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市規(guī)模的擴(kuò)大，市政管線系統(tǒng)越來(lái)越龐大和復(fù)雜，加之市政管線建設(shè)規(guī)模不足、管理水平不高等問(wèn)題凸顯，一些城市相繼發(fā)生大雨內(nèi)澇、管線泄露爆管、路面塌陷等事故，嚴(yán)重影響了人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全和城市的運(yùn)行秩序。

目前市政管網(wǎng)和管線的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，是建立在指標(biāo)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上的。采用的模型主要包括指標(biāo)計(jì)算模型、可靠性分析模型、劣化分析模型、脆弱性分析模型、模糊綜合評(píng)估模型和智能訓(xùn)練模型等，由于選取的評(píng)估指標(biāo)不同，導(dǎo)致具體評(píng)估準(zhǔn)則也不完全一致，最后缺乏統(tǒng)一的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。為此本文結(jié)合管線的實(shí)際情況，提出了半定量的全壽命周期影響因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和定量的基于管道設(shè)計(jì)理論的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，試圖達(dá)到市政管線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)的簡(jiǎn)單實(shí)用、方便操作、容易接受的目的。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的選擇

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是指通過(guò)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，分析風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和可能產(chǎn)生的后果，確定風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別、決定哪些風(fēng)險(xiǎn)需要控制及如何控制的過(guò)程，包括風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)三個(gè)階段。目前，用于市政管線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法有以下四種類型。

1.1 定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

當(dāng)完全憑借某些指標(biāo)和數(shù)據(jù)而無(wú)法判斷出管線變形風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可應(yīng)用定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。由于受到知識(shí)水平制約，使用主觀判斷、經(jīng)驗(yàn)、直覺(jué)以及其他一些不可量化資源等要素，會(huì)造成評(píng)估結(jié)果的主觀性，一般不推薦采用。定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估包括專家打分法、安全檢查表法等。

1.2 半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

確定潛在的影響管線變形因素，并賦予各個(gè)因素的分值，然后對(duì)管線進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估而得到的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)就是半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果。其評(píng)估的準(zhǔn)確性取決于風(fēng)險(xiǎn)因素所起作用與計(jì)算權(quán)重的一致性。半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估包括肯特法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、目標(biāo)分解法等。對(duì)于既有管線資料的不完全準(zhǔn)確性和部分缺失情況，采用該方法能夠較好地反映既有管線的實(shí)際情況。

1.3 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

當(dāng)借助某些指標(biāo)和數(shù)據(jù)能完全判斷出管線變形風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)候，應(yīng)采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。對(duì)于管線的滲漏和爆管事故，其產(chǎn)生的原因是有爭(zhēng)議的，因此評(píng)估結(jié)果會(huì)帶有模糊的觀點(diǎn)。定量評(píng)估包括蒙特卡洛模擬法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等。詳盡的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法因其評(píng)估結(jié)果可靠性高，常用于市政管線關(guān)鍵部位的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1.4 人工智能法

利用已經(jīng)發(fā)生的滲漏、爆管事件，在原有管線上通過(guò)計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)，進(jìn)行模擬、延伸和擴(kuò)展，最后訓(xùn)練成可以自動(dòng)評(píng)估原有管線或類似管線風(fēng)險(xiǎn)的方法。其評(píng)估結(jié)果取決于已發(fā)生事件的普遍性。人工智能評(píng)估包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、深度學(xué)習(xí)法、隨機(jī)森林法等。該方法是一種發(fā)展趨勢(shì)，但目前尚不成熟，本文不做討論。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程與模型的確定

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

在具體的市政管線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中，為了提高管線變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性，應(yīng)在原有竣工和維護(hù)資料基礎(chǔ)上，增加管線周圍水土的檢測(cè)報(bào)告。其評(píng)估流程見(jiàn)圖1。

圖1 市政管線變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程Fig.1 Deformation risk assessment process of municipal pipelines

2.2 半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

評(píng)估模型中的影響因素具有獨(dú)立性、危害性、相關(guān)性、主觀性，每個(gè)因素還被賦予不同的權(quán)重。其中獨(dú)立性是指分別考慮影響風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)程的每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，即每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素能獨(dú)立對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)程產(chǎn)生影響。危害性是指某一個(gè)影響因素在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中起最終絕對(duì)作用，即由這個(gè)影響因素可以直接判定管線的風(fēng)險(xiǎn)處于最不利的等級(jí)。相關(guān)性表示一個(gè)管段的得分值與其他管段相比較而言。主觀性反映標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分表是建立在市政管線行業(yè)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的專家意見(jiàn)和專業(yè)管線敷設(shè)安裝經(jīng)驗(yàn)，也就是反映出該影響因素的權(quán)重。權(quán)重是每個(gè)影響因素可能擁有的最大分值，也就是該影響因素的相對(duì)重要性。結(jié)合研究成果和市政管線工程全壽命周期設(shè)計(jì)理念，建立半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型具體考慮以下四方面內(nèi)容。每方面內(nèi)容采用百分制，評(píng)估得分100 分時(shí)可能性因素不產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。

1.規(guī)劃可研階段的可能變形因素(評(píng)估得分計(jì)為S1)：

管線路由的確定，包括埋地、入廊、架空的敷設(shè)方式，穿越河流和道路的情況，以及管線周圍的土質(zhì)類別。采用的施工方式，如開(kāi)挖、頂管和拖拉管。還有選擇的管材種類。

2.設(shè)計(jì)審查階段的可能變形因素(評(píng)估得分計(jì)為S2)：

對(duì)于直埋管線，周圍土體的換填要求，包括種類、密實(shí)度和形成反力的能力。以及管線豎向變形的計(jì)算結(jié)果分析、管內(nèi)壓力的高低和變化情況。

3.施工驗(yàn)收階段的可能變形因素(評(píng)估得分計(jì)為S3)：

對(duì)于直埋管線周圍的回填土，其材料和施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)要求并達(dá)到驗(yàn)收規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。

4.運(yùn)行維護(hù)階段的可能變形因素(評(píng)估得分計(jì)為S4)：

管線兩側(cè)發(fā)生影響其變形的開(kāi)挖，或上部荷載超過(guò)了原設(shè)計(jì)的規(guī)定值。

半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型如下：

式中：R為變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估得分；C為變形后果得分，分值范圍為0～150 分；S為變形可能性因素得分。

2.3 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

市政管線變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的，是確保管線在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)不發(fā)生或少發(fā)生滲漏、爆管、地面塌陷等事故。因此借助于國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式，把外界對(duì)管線的作用效應(yīng)與管線結(jié)構(gòu)本身的抵抗能力加以比較，并作為市政管線變形的一種定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。即核算地面荷載、管內(nèi)負(fù)壓和管周圍水土對(duì)管線共同作用產(chǎn)生的豎向變形值，再考慮管線的泄漏量，然后確定管線的風(fēng)險(xiǎn)程度。根據(jù)研究成果和國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，建立的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型分柔性管道和剛性管道。

1.柔性管道評(píng)估內(nèi)容

柔性管道的連接分為柔性接口和整體連接兩種形式。其中柔性接口計(jì)算環(huán)向應(yīng)力、環(huán)向穩(wěn)定性、抗滑穩(wěn)定性、豎向變形和接口變形；整體連接計(jì)算環(huán)向應(yīng)力、縱向應(yīng)力、環(huán)向與縱向的組合折算應(yīng)力、環(huán)向穩(wěn)定性、豎向變形和縱向變形。根據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50332-2002)中的變形與環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式，推導(dǎo)出鋼管的豎向變形與環(huán)向應(yīng)力關(guān)系如下：

其中：

式中：σθ為管壁截面環(huán)向應(yīng)力；φ為彎矩折減系數(shù)；γG，sv為豎向土壓力的分項(xiàng)系數(shù)；kvm為豎向土壓力作用下柔性管管壁的最大彎矩系數(shù)；wd，max為管道的最大豎向變形；Dl為變形滯后效應(yīng)系數(shù)；kd為管道變形系數(shù)；Ep為管材彈性模量；IP為管壁的單位長(zhǎng)度截面慣性矩Ed為管側(cè)土的綜合變形模量；r0為圓形管道的計(jì)算半徑；t0為管壁厚度。

為了研究和比較，給出一組定值參數(shù)：DL＝1，kd＝0.096，φ＝1，γG，sv＝1.27，kmv＝0.157，Ep＝206000MPa，Ed＝5MPa，則k值與管線直徑和壁厚的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 給定參數(shù)值下不同規(guī)格管線的系數(shù)k 值Tab.1 Coefficient k of different specification pipelines under given parameter values

通過(guò)簡(jiǎn)化后的公式(5)，計(jì)算出管線屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的豎向變形量見(jiàn)表2。

表2 給定參數(shù)值下不同管線屈服時(shí)的豎向變形量Tab.2 Vertical deformation of different pipelines when yielding under given parameter values

由表2可知，隨著管線直徑的增加，屈服時(shí)的豎向變形量增大；在小直徑管線下，豎向變形量不大時(shí)環(huán)向應(yīng)力就達(dá)到屈服狀態(tài)，其破壞由強(qiáng)度控制；而大直徑管線，變形和強(qiáng)度都有可能在其破壞時(shí)起控制作用。

鋼管柔性管線管環(huán)剛度與管側(cè)土彈性抗力的關(guān)系見(jiàn)表3。管側(cè)土的綜合彈性模量Ed＝7MPa。

表3 鋼管管環(huán)剛度與管側(cè)土的彈性抗力Tab.3 Pipe ring stiffness of steel pipe and elastic resistance of pipe side soil

由表3可知，隨著管徑的增大，管環(huán)剛度變小，管環(huán)剛度所占比重越來(lái)越小，管側(cè)土彈性抗力比重增大。

2.剛性管道評(píng)估內(nèi)容

剛性管線的連接包括柔性接口和剛性接口兩種形式。對(duì)于柔性接口應(yīng)計(jì)算環(huán)向應(yīng)力、抗滑穩(wěn)定性、環(huán)向開(kāi)裂度或裂縫寬度、接口變形；對(duì)于設(shè)有剛度較大壓環(huán)約束的剛性接口管道應(yīng)計(jì)算環(huán)向應(yīng)力、縱向應(yīng)力、環(huán)向開(kāi)裂度和裂縫寬度、縱向開(kāi)裂度和裂縫寬度。剛性管線因其自身的剛度大，不計(jì)算變形且不考慮管側(cè)土的作用。下面以混凝土管線為例，說(shuō)明剛性管線管環(huán)剛度與管側(cè)土彈性抗力的關(guān)系，見(jiàn)表4。其中管側(cè)土的綜合彈性模量Ed＝7MPa。

表4 混凝土管管環(huán)剛度與管側(cè)土的彈性抗力Tab.4 Pipe ring stiffness of concrete pipe and elastic resistance of pipe side soil

由表4可知，無(wú)論是小直徑還是大直徑混凝土管線，管環(huán)剛度都要遠(yuǎn)大于管側(cè)土的彈性抗力。故計(jì)算鋼筋混凝土管線豎向變形時(shí)，可忽略管側(cè)土彈性抗力的影響。

為了研究混凝土剛性管線豎向變形與其裂縫寬度值的關(guān)系，給出一組產(chǎn)生豎向變形的荷載，分別計(jì)算在這組豎向荷載作用下的豎向變形量與最大裂縫寬度值，找出不同裂縫寬度所對(duì)應(yīng)的豎向變形量。

以鋼筋混凝土管線 D500×50 為算例，C30混凝土，保護(hù)層厚度c＝15mm，配筋φ8@200，基礎(chǔ)支承角 2α＝90°，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 混凝土管線裂縫與豎向變形的關(guān)系Tab.5 Relationship between cracks in concrete pipelines and their vertical deformation

由表5可知，對(duì)鋼筋混凝土管線，裂縫寬度達(dá)到限制0.2mm 時(shí)，豎向變形量的相對(duì)值為0.000279D0，豎向變形很小，這是由于鋼筋混凝土管線的管環(huán)剛度遠(yuǎn)大于柔性管線的管環(huán)剛度。所以鋼筋混凝土管線不必計(jì)算豎向變形量。

3.定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

通過(guò)上面的分析，在市政管線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，鋼管柔性管道可以定量計(jì)算環(huán)向變形，剛性混凝土管道可以定量計(jì)算環(huán)向裂縫寬度。因此依據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50332-2002)等標(biāo)準(zhǔn)，以管線泄漏量為風(fēng)險(xiǎn)后果，結(jié)合管道變形或裂縫帶來(lái)的安全性降低，以及管側(cè)土和管線薄弱段的實(shí)際情況，建立定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型如下式：

式中：R為管線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算值；K1為管道變形或裂縫影響系數(shù)；K2為管側(cè)土的類別影響系數(shù)；K3為管線薄弱段增強(qiáng)系數(shù)；Q為管線泄漏量。

2.4 不同風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估適用范圍

半定量中的可能性因素是由專家主觀賦值，特點(diǎn)是可以直接采用已有的資料進(jìn)行，既可以用于管線的初步風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，掌握管線的運(yùn)行情況，也可以為管線資產(chǎn)評(píng)估提供依據(jù)。定量評(píng)估的可能性因素影響程度是通過(guò)計(jì)算得到的，需要檢測(cè)等手段確定，主要用于管線的維護(hù)計(jì)劃，以及采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

3 管線變形引起的風(fēng)險(xiǎn)

3.1 管節(jié)的破壞

1.變形引起的破壞

由上面計(jì)算結(jié)果可以看出，不同管徑的豎向變形對(duì)應(yīng)不同的屈服強(qiáng)度，即使在允許的豎向變形范圍內(nèi)，已經(jīng)達(dá)到了屈服狀態(tài)而破壞。即小管徑管線由承載能力極限狀態(tài)控制。

2.開(kāi)裂引起的破壞

混凝土類剛性管的正常使用極限狀態(tài)由開(kāi)裂度或裂縫寬度控制，當(dāng)管線超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)引起鋼筋的銹蝕，通過(guò)積累可能造成滲漏或坍塌事故。

3.2 柔性接口的滲漏

當(dāng)管線處于受壓狀態(tài)時(shí)，接口處管節(jié)兩端剛度不同，其豎向變形可能不一致，會(huì)在接口面產(chǎn)生縫隙，造成接口處止水材料受力不均，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)滲漏。

3.3 剛性接口的破壞

管線與構(gòu)筑物連接處，以及管節(jié)與管節(jié)等連接處的約束較大，使管線的計(jì)算內(nèi)容發(fā)生變化，可能會(huì)出現(xiàn)附加破壞，造成滲漏或爆管。

4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與預(yù)防措施

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的最終目的是為政府職能部門(mén)或管線運(yùn)行單位提供一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)管理方法，即根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

4.1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分

依據(jù)半定量的全壽命周期影響因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和定量的基于管道設(shè)計(jì)理論的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的評(píng)估結(jié)果，市政管線的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)可分為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)5 級(jí)。

其中由半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估得分劃分的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)如下：

R∈[0，750)時(shí)，微風(fēng)險(xiǎn)；

R∈[750，3750)時(shí)，低風(fēng)險(xiǎn)；

R∈[3750，7500)時(shí)，中等風(fēng)險(xiǎn)；

R∈[7500，11250)時(shí)，較高風(fēng)險(xiǎn)；

R∈[11250，15000)時(shí)，高風(fēng)險(xiǎn)。

由定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算值劃分的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)如下：

R＜0.05 時(shí)，微風(fēng)險(xiǎn)；

0.05≤R＜0.25 時(shí)，低風(fēng)險(xiǎn)；

0.25≤R＜0.60 時(shí)，中等風(fēng)險(xiǎn)；

0.60≤R＜1.00 時(shí)，較高風(fēng)險(xiǎn)；

R≥1.00 時(shí)，高風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施

市政管線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的是采取安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的措施，預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。對(duì)應(yīng)由微風(fēng)險(xiǎn)到高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的狀態(tài)或預(yù)防措施分別為正常運(yùn)行、定期檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警。對(duì)于中等風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)，需要分析其風(fēng)險(xiǎn)可能性的主要來(lái)源，給出再評(píng)估的周期。

4.3 變形風(fēng)險(xiǎn)的再評(píng)估

市政管線評(píng)估后未采取預(yù)防措施，或市政管線處于變形中等風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)行再評(píng)估是降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的有效措施，也可以確保管線的安全運(yùn)行。

5 結(jié)論

1.市政管線變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作為管道規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)的延伸或者后評(píng)估，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)其缺陷和不足，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

2.對(duì)于柔性管線的變形，管側(cè)土的綜合變形模量所起的作用隨著管線直徑的增加越來(lái)越明顯。管線變形的風(fēng)險(xiǎn)將隨著管側(cè)土回填質(zhì)量的提高而降低。

3.混凝土剛性管線的裂縫寬度隨著變形的增加而增大，其風(fēng)險(xiǎn)不斷提高。

4.市政管線變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估導(dǎo)則的編制，補(bǔ)充和完善了現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系。