軟土區(qū)域埋地管道風險評價方法

李亞平,史振龍,齊 峰

(國家管網(wǎng)集團東部原油儲運有限公司，江蘇 徐州 221008)

0 引言

對于長輸油管道來說穿越軟土區(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性，導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險防控措施，建立科學的風險評價模型，評價軟土區(qū)域內(nèi)敷設(shè)管道的風險性，對管道的運營和維護都有著重要的意義。

對于管道地質(zhì)災害的風險評價工作，已有不少研究者開展過相關(guān)工作。如：早在1996年Muhlbauer[1]就提出了一個管道風險評分指標體系法，但該方法僅從管道本身出發(fā)進行考慮并不完善；趙忠剛等[2]對長輸管道地質(zhì)災害的類型、防控措施和預測方法進行了總結(jié)，為后續(xù)風險評價方法的研究打下了基礎(chǔ)；林銘玉等[3]對國際通用管道風險評價方法進行了改進，修正模型更加深入地考慮了地質(zhì)災害的特點。王其磊[4]對長輸油管道可能遇見的常見地質(zhì)災害(如滑坡、崩塌、泥石流、濕陷等)的影響因素進行了分析，建立了一個風險評價模型。該模型能夠?qū)Υ蟛糠殖Ｒ姷牡刭|(zhì)災害進行風險評價，但作者只進行了滑坡災害評價的驗證；劉迎春等[5]提出了基于指標評分法的單體管道地質(zhì)災害風險評價方法，該方法主要適用于土質(zhì)滑坡的風險評價；王珀等[6]對長輸管道地質(zhì)災害定量風險評價技術(shù)進行了研究，但該研究非常淺顯并未給出有效的評價方案；林冬[7]、冼國棟等[8]分別發(fā)展了管道滑坡災害風險評價模型；陳杏子[9]以網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)算法結(jié)合大數(shù)據(jù)對長輸管道線域地質(zhì)災害進行評價預測，但該方案需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐，以當前的數(shù)據(jù)量很難獲得準確可靠的預測結(jié)果。荊宏遠等[10]提出了一種管道地質(zhì)災害風險的半定量評價方法，并與實際災害點的案例進行了對比。此外，國外一些研究者也對管道的風險評價進行了研究，如：Sumer等[11]對管道水毀的風險性進行了研究。Jamshidi等[12]以模糊評價法為基礎(chǔ)提出了一種管道風險評價方案。Skogdalen等[13]則以事故調(diào)查資料為基礎(chǔ)，分析風險發(fā)生原因，并以此建立了管道風險評價方案。Vianello等[14]基于歐洲管線的失效數(shù)據(jù)，建立了風險評估方法。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、使用情況為變量，建立了管道失效風險評價模型。

很明顯，當前風險評價模型考慮得相對單一，雖然很多都以管道失效數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行分析，但并未綜合考慮管道失效原因以及管道防護措施。同時，當前對于地質(zhì)災害引起的管道風險評價研究還非常缺乏，且現(xiàn)有相關(guān)研究還主要集中在管道滑坡災害的風險性評價方面，對于軟土區(qū)域管道風險性評價的研究還尚未見報道。本文針對軟土區(qū)域管道風險性評價展開研究，建立了一個考慮軟土地質(zhì)災害發(fā)生概率、前期防控措施、管道失效概率、已有管道防護措施以及管道失效后果的油氣管道風險評價模型。采用本文所提出的風險量化評價模型對軟土災害點進行了量化評價，并與野外勘察成果對比，兩者的評價結(jié)果基本一致，從而驗證了本文所提模型的準確性。

1 軟土區(qū)域管道風險性評價模型

當前主流的管道風險評價模型的基本框架為：

(1)

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

考慮到災害風險和防治效果是一個競爭關(guān)系，因此，本文的模型框架為：

R2=Ir-Ip

(2)

其中，R2為量化的風險指標；Ir為可能導致管道泄漏的風險指標的和，包括軟土地質(zhì)災害發(fā)生風險指標以及管道失效指標；Ip為防護效果指標，包括災害體的治理以及管道的防護?？梢奟2的值越大軟土區(qū)域管道風險性越大，同時，良好的防護措施可以降低該風險性。

Ir=Irp+Irs

(3)

其中，Irp為管道失效指標；Irs為軟土地質(zhì)災害發(fā)生風險指標。

Ip=Ipp+Ips

(4)

其中，Ipp為管道防護指標；Ips為軟土防護指標。

各指標的具體數(shù)值為：

(5)

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

同時，對于管道失效后果，也可參考式(5)進行計算：

(6)

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

那么以R2為橫坐標;Rfc為縱坐標，可以獲得一個封閉的風險坐標系，將風險坐標系內(nèi)的區(qū)域進行風險等級劃分，即可用于評價軟土地質(zhì)災害下管道的風險性。

2 模型驗證

2.1 指標及權(quán)重的獲取

通過分析管道沿線軟土災害的影響因素可知，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]：管道與軟土層相對位置關(guān)系、管道的埋深、管道周邊人類工程活動強度、地質(zhì)災害的影響；軟土防護措施(如表3所示)有多種[19]，包括土體補強、材料加筑、土體置換、夯實、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考慮：土層加固和排水截水；管道變形防護措施(如表3所示)[20]包括：套管防護和蓋板防護。管道失效后果主要(如表4所示)考慮：生命安全、環(huán)境安全和財產(chǎn)安全。

表1 軟土區(qū)域形成的概率指標

表2 軟土地區(qū)管道失效的概率指標

表3 管道軟土區(qū)域防護措施

表4 管道失效后果

采用傳統(tǒng)專家打分法，邀請了5位相關(guān)領(lǐng)域的專家對各指標內(nèi)元素的權(quán)重進行了打分，根據(jù)專家打分得到各元素權(quán)重表，見表5。

表5 指標內(nèi)各元素的權(quán)重

2.2 風險坐標系

評價管道軟土災害的風險性需要從兩個維度來進行，即管道失效的概率和管道失效后的后果。從這兩個維度將管道風險劃分為5個等級，即：極低風險、較低風險、較高風險和高風險，見圖2。

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

3 模型驗證

以2018年儀揚線南京夾江東北側(cè)化工大道旁管道軟土事故案例進行分析。根據(jù)資料顯示，該處土體為軟塑～流塑狀態(tài)的淤泥土具有強濕陷性(軟土區(qū)形成的概率指標分值：1)，管道位置地形平坦(軟土區(qū)形成的概率指標分值：0)，降水量豐富(南京市年均降水量大于1 000 mm)(軟土區(qū)形成的概率指標分值：1)；管道穿過大面積軟土中心(軟土區(qū)管道失效概率指標分值：1)，埋深5 m～6 m(軟土區(qū)管道失效概率指標分值：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)管道失效概率指標分值：0.75)，地形條件良好不受地質(zhì)災害影響(軟土區(qū)管道失效概率指標分值：0)；除了在埋設(shè)時對管道土層進行加固外并未進行其他防護措施(管道軟土區(qū)域防護措施分值：0.5)。根據(jù)式(2)～式(5)，結(jié)合表1～表3，表5中提供的分值，計算得到管道失效風險概率為：

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(見圖1)，泄漏如果引發(fā)大火可能導致人員傷亡(管道失效后果分值：0.75)。2)周圍環(huán)境價值一般，如果泄漏不會對環(huán)境造成不可逆的損失(管道失效后果分值：0.75)。3)如果泄漏可能導致的財產(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，計算管道失效后果指標為：

R2=0.75×0.6+0.75×0.3+0.5×0.1=0.725。

根據(jù)上述描述，使用本模型對管道風險進行評價，可以得出：管道失效的概率指標為0.947 5和管道失效后的后果指標為0.725，對應圖2可以看出，該區(qū)域為較高風險區(qū)域。

實際上，管道管理方于2018年8月管道經(jīng)內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)管道變形超限，隨后對該區(qū)域13 m范圍內(nèi)的管道進行開挖后發(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(見圖3)。經(jīng)對比模型預測與實際案例，可以看出模型預測結(jié)論比較準確。

4 結(jié)論

本文基于目前軟土地區(qū)埋地管道風險評價工作存在的一些不足，通過綜合考慮土地質(zhì)災害發(fā)生概率、前期防控措施、管道失效概率、已有管道防護措施以及管道失效后果的油氣管道風險評價模型,得出以下結(jié)論：

1)本文通過綜合將軟土地區(qū)管道風險概率分為兩部分,即管道失效指標及管道防護指標，通過評價二者相互作用，綜合計算管道風險指標。所提模型具有簡單明了，能客觀、全面地反映各因素對管道軟土地質(zhì)災害影響的特點。

2)本文納入專家打分法，客觀評價每種因子的權(quán)重，增強管道風險評價模型的合理性與可靠性。

3)以實際軟土地質(zhì)災害案例為例，對比模型預測結(jié)果與實際勘察結(jié)果，可以看出該模型預測較為準確。