強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風(fēng)險仿真研究

江新 趙力 張騰飛

摘要：強(qiáng)涌潮區(qū)的水域環(huán)境復(fù)雜多變，這極大增加了管袋圍堰施工安全管理的難度。為確定強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工從清基到維護(hù)階段的安全管控重點，首先利用系統(tǒng)理論過程分析法（STPA）對施工安全風(fēng)險因素進(jìn)行定性分析，從人員、物資、管理、技術(shù)、環(huán)境5個維度構(gòu)建了強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風(fēng)險指標(biāo)體系；然后建立系統(tǒng)動力學(xué)（SD）演化模型，并運用網(wǎng)絡(luò)層次分析法（ANP）確定各指標(biāo)權(quán)重；最后結(jié)合工程實例進(jìn)行模擬仿真。結(jié)果表明：隨著工程推進(jìn)以及對安全投入的逐步增加，管袋圍堰施工安全風(fēng)險水平呈現(xiàn)出先大幅上升，后逐步下降，最終趨于平緩的趨勢；人員、物資是清基和吹填期影響施工安全的主要因素，而在排水和維護(hù)期，環(huán)境、管理是主要影響因素；人員、管理和環(huán)境這三因素對安全投入變化更為敏感。建議在施工過程中重視不同階段之間的管控重點差異，及時轉(zhuǎn)換管理策略并采取針對性措施以有效降低施工安全風(fēng)險。

關(guān) 鍵 詞：施工安全風(fēng)險；管袋圍堰；強(qiáng)涌潮區(qū)；系統(tǒng)理論過程分析（STPA）；系統(tǒng)動力學(xué)（SD）

中圖法分類號：TV513

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.022

0 引 言

中國長三角地區(qū)正處于一體化高質(zhì)量發(fā)展階段，然而沿海大多數(shù)灣區(qū)現(xiàn)有的防洪御潮能力尚且不足，還存在工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)偏低，工程結(jié)構(gòu)存在安全隱患^［1］等問題。為此，各種防洪御潮和岸線保護(hù)工程正在逐步興建，相應(yīng)的圍堰工程也都在同步建設(shè)。相比傳統(tǒng)土石圍堰，管袋圍堰因其低碳節(jié)能、工藝簡單、技術(shù)可靠、節(jié)省造價^［2］等特點正逐步被廣泛應(yīng)用。然而灣區(qū)強(qiáng)涌潮水域環(huán)境復(fù)雜多變，工程區(qū)域受潮水沖刷嚴(yán)重，導(dǎo)致施工現(xiàn)場更容易發(fā)生管袋破損、圍堰滲漏^［3］等危險，使人員傷亡、機(jī)械損壞等事故發(fā)生概率增大。因此，有必要對強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工的安全風(fēng)險進(jìn)行研究，以提高施工現(xiàn)場的風(fēng)險防控能力。

近年來，圍堰施工風(fēng)險的相關(guān)問題一直備受學(xué)者關(guān)注。吳杰良^［4］結(jié)合WBS-RBS、LEC、風(fēng)險矩陣法，對鋼套箱圍堰施工風(fēng)險進(jìn)行了定級評估。常運超等^［5］以南寧市邕寧水利樞紐工程為例，針對不過水圍堰多時段施工導(dǎo)流風(fēng)險問題，提出了基于Monte-Carlo方法和Copula函數(shù)的施工導(dǎo)流水文風(fēng)險計算模型，并利用TOPSIS決策模型進(jìn)行了方案決策。 劉沐宇等^［6］基于模糊故障樹理論，以武漢鸚鵡洲長江大橋雙壁鋼圍堰為研究對象，提出了雙壁鋼圍堰水中墩施工風(fēng)險模糊故障樹評價方法。馬小鋒等^［7］通過工程事故、地域特性調(diào)查來對施工作業(yè)進(jìn)行分解，以鋼圍堰施工為例進(jìn)行了LEC定級評估。上述研究將風(fēng)險矩陣法、TOPSIS決策模型、層次分析法、模糊故障樹理論等應(yīng)用到圍堰施工風(fēng)險評價中，且均取得了一定成果，但未反映施工中潛在風(fēng)險的動態(tài)特性。而且目前學(xué)者對強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰的研究主要集中在圍堰自身的防滲^［8-9］、穩(wěn)定性^［10-11］上，與施工過程相適應(yīng)的風(fēng)險動態(tài)研究尤為不足。

考慮到強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工風(fēng)險因素眾多，且不同風(fēng)險因素對整個施工過程影響程度不同，因此本文擬利用STPA方法對管袋圍堰在不同施工階段的風(fēng)險影響因素以及這些因素間的交互關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)定性分析^［12］，并構(gòu)建強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工的安全風(fēng)險指標(biāo)體系。同時，結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)模型來彌補(bǔ)STPA方法只能進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的缺陷，構(gòu)建定量的動態(tài)強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風(fēng)險演化模型，進(jìn)一步剖析風(fēng)險隨時間的變化特性，明確施工過程中的關(guān)鍵風(fēng)險因素。

1 強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風(fēng)險STPA分析

1.1 STPA方法基本原理

STPA方法是一種基于系統(tǒng)理論的事故因果關(guān)系模型^［13］。在分析過程中，STPA法不僅考慮了組件間故障，還考慮了其相互作用導(dǎo)致的事故，并結(jié)合主動安全控制行為和風(fēng)險管理策略來解決復(fù)雜系統(tǒng)問題。

1.2 系統(tǒng)級事故和風(fēng)險確定

（1）系統(tǒng)級事故確定。系統(tǒng)級事故是一種導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生意外損失的事件^［14］。依據(jù)對事故報告的梳理分析，管袋圍堰施工系統(tǒng)級事故主要包括：因施工造成的人員傷亡（A-1），施工過程中堰體坍塌（A-2），施工過程中設(shè)備、材料損壞（A-3）。

（2）系統(tǒng)級危險確定。系統(tǒng)級危險是指系統(tǒng)在特定不利狀態(tài)或條件影響下可能會導(dǎo)致事故的發(fā)生^［14］。根據(jù)文獻(xiàn)梳理，管袋圍堰施工中主要的系統(tǒng)級危險如表1所列。

1.3 控制結(jié)構(gòu)構(gòu)建

結(jié)合管袋圍堰實際施工情況，建立包含控制器、執(zhí)行器、控制過程和傳感器的控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.4 不安全控制行為及致因分析

1.4.1 不安全控制行為識別

在STPA法實施過程中，主要識別以下4種不安全控制行為（UCA）：① 未提供控制行為；② 提供危險控制行為；③ 提供控制行為時機(jī)有誤；④ 控制行為結(jié)束過早或作用時間太長^［13］。在強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工過程中，主要控制行為包括清基、圍堰吹填、圍堰排水、圍堰維護(hù)。通過研究圍堰施工的事故報告和相關(guān)文獻(xiàn)資料，對管袋圍堰在強(qiáng)涌潮區(qū)施工的不安全控制行為和潛在危險展開了詳細(xì)分析，見表2。

1.4.2 不安全控制行為致因分析

在識別出潛在的不安全控制行為后，結(jié)合系統(tǒng)級事故和風(fēng)險確定的因素，根據(jù)管袋圍堰施工過程的控制結(jié)構(gòu)，按照施工階段進(jìn)行全面分析。

（1） 圍堰清基階段。頻繁的潮位變化會造成河床塊石散布，如果作業(yè)人員因疏忽未對施工現(xiàn)場進(jìn)行全面清理，會導(dǎo)致塊石、拋石等硬物對管袋表面施加應(yīng)力，加上頂部荷載的作用，易引起管袋破裂。此外，這也會使圍堰整體無法坐落在穩(wěn)定的土體上，增大圍堰滑移^［15］的風(fēng)險。

（2） 圍堰吹填階段。在準(zhǔn)備充填時，已加工土工袋運至施工現(xiàn)場時需妥善放置，否則可能會造成破損和老化。在使用泥漿泵進(jìn)行底袋充填時，要考慮充填壓力，壓力過大會導(dǎo)致頂袋最大拉力變大^［16］，從而增加管袋被拉壞的風(fēng)險。此外，高強(qiáng)度使用泥漿泵吹填會導(dǎo)致設(shè)備負(fù)荷和人員疲勞程度增大，從而影響施工效率。強(qiáng)涌潮水域常有大風(fēng)^［17］、濃霧出現(xiàn)，在進(jìn)行高層管袋鋪設(shè)時，大風(fēng)可能導(dǎo)致大型機(jī)械設(shè)備傾覆、吊物大幅度擺動，增大物體打擊的風(fēng)險。濃霧天氣會嚴(yán)重影響工人視野，且若無警示標(biāo)識提醒，施工人員在工作面受限的高層管袋作業(yè)會很容易發(fā)生墜落事故。同時，整個吹填過程還需進(jìn)行錯縫施工并控制層間吹填時間間隔^［2］，以確保沒有通縫，否則會增大圍堰滑移、坍塌的風(fēng)險。

（3） 圍堰排水階段。越浪、地下滲水、大氣降水量^［18］等因素是積水的主要來源，亦是選擇適配型號抽水泵的重要參考依據(jù)。若忽視對氣候、地質(zhì)環(huán)境的實時觀測，將會難以及時調(diào)整排水速度，從而導(dǎo)致河床淤積^［19］，加大基底失穩(wěn)的風(fēng)險。

（4） 圍堰維護(hù)階段。施工現(xiàn)場位于強(qiáng)涌潮水域，潮流每日兩漲兩落^［20］，涌潮水流作用于涉水建筑物基礎(chǔ)時，水位和流速都在某一瞬間突然變化，而且水流湍急，流速和壓力瞬時變化的脈動性較強(qiáng)^［21］。若未安排專人定期巡查和實時觀測沉降位移，處于這種復(fù)雜水域中的管袋破裂、越浪^［10］等隱患將無法及時被發(fā)現(xiàn)，從而增加事故發(fā)生的可能性。

施工各階段主要涉及的風(fēng)險因素歸納如圖2所示。

1.5 安全風(fēng)險因素指標(biāo)構(gòu)建

基于1.4節(jié)的致因分析結(jié)果，從人員、物資、管理、技術(shù)、環(huán)境5個維度總結(jié)提取出管袋圍堰施工安全風(fēng)險的影響因素，對已確定的因素進(jìn)行問卷調(diào)查分析并進(jìn)行信效度檢驗，確保其合理性，最后構(gòu)建強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風(fēng)險指標(biāo)體系，如圖3所示。

2 強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風(fēng)險SD模型構(gòu)建

2.1 模型邊界確定與基本假設(shè)

在STPA的驅(qū)動下，從施工安全事故發(fā)生過程的角度出發(fā)，以強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風(fēng)險為系統(tǒng)對象，確定人員、物資、管理、技術(shù)、環(huán)境5個子系統(tǒng)作為模型邊界來提高模型有效性，并提出以下假設(shè)。

（1）假設(shè)1：僅考慮5個子系統(tǒng)中各風(fēng)險因素相互作用導(dǎo)致的管袋圍堰施工安全風(fēng)險，其他變量作為影響力過小的外生變量不在模型中考慮。

（2）假設(shè)2：不考慮政治、地震等會導(dǎo)致系統(tǒng)分析失效的突變因素。

（3）假設(shè)3：管理者對管袋圍堰施工的風(fēng)險管控能力有限，不能完全消除風(fēng)險帶來的不良影響。

2.2 因果關(guān)系圖建立

以1.3節(jié)的控制反饋結(jié)構(gòu)、1.4節(jié)不安全控制行為致因和建立的指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，結(jié)合安全投入的管控來構(gòu)建總體因果關(guān)系圖，如圖4所示。

2.3 存量流量圖構(gòu)建

為進(jìn)一步分析管袋圍堰安全風(fēng)險的演化趨勢和風(fēng)險特征，以因果關(guān)系分析的結(jié)果為基礎(chǔ)，將強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風(fēng)險5個子系統(tǒng)進(jìn)行整合，并應(yīng)用Vensim DSS進(jìn)行建模，最終得到存量流量圖模型，該模型包括6個水平變量、12個速率變量和28個常量等因子，如圖5所示。

3 實例仿真

本次研究以海寧市百里錢塘綜合整治提升工程一期（鹽倉段）的外江圍堰工程2號低丁壩段為案例進(jìn)行分析。該圍堰處于強(qiáng)涌潮水域，平行于標(biāo)準(zhǔn)塘布置，總長約0.6 km，兩側(cè)采用土工管袋灌土，鋼管加固，中間采用吹填土，圍堰頂寬7 m，上、下游平均坡比1∶1.5，初定工期約為16周。

3.1 演化模型參數(shù)確定

3.1.1 確定安全風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重

強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風(fēng)險的存在并非單一因素所致，而是由多個因素交互作用引發(fā)。其安全風(fēng)險因素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

為確保權(quán)重的合理性，邀請從事圍堰施工的技術(shù)專家、安全評估專家、項目管理人員等參與評估和權(quán)重計算工作。利用Super Decisions軟件計算未加權(quán)、加權(quán)和極限的超矩陣，得出各級安全風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重，如表3所列。

3.1.2 確定常量參數(shù)初值

為確保參數(shù)具有可比性和可計算性，使用1～9標(biāo)度法對強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風(fēng)險影響程度進(jìn)行分析。在這個范圍內(nèi)，1代表該因素對管袋圍堰施工影響甚微，而9代表該因素對其有極大影響。以工程基礎(chǔ)資料和施工試驗期間收集到的項目監(jiān)測報告為依據(jù)，請專家對構(gòu)筑的底層指標(biāo)進(jìn)行三點估值法打分，取其算術(shù)平均值作為各底層施工安全風(fēng)險程度初值（表4）。

3.1.3 主要變量的系統(tǒng)方程式確定

根據(jù)建立的指標(biāo)體系，結(jié)合存量流量圖并以各因素的權(quán)重為系數(shù)，參考相關(guān)SD模型文獻(xiàn)^［22-23］，確定管袋圍堰施工風(fēng)險的SD模型變量方程，主要變量方程式如表5所列。

3.2 風(fēng)險仿真分析及防控措施

將3.1節(jié)中的安全風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重以及常量參數(shù)初值根據(jù)方程式導(dǎo)入模型中，模型時間范圍設(shè)置為0～16，單位為周，以0.031 25為時間步長對安全風(fēng)險進(jìn)行模擬。

3.2.1 整體風(fēng)險仿真分析

根據(jù)仿真結(jié)果（圖7）得知，在清基和吹填開始的前4周，由于材料、設(shè)備入場以及施工人員剛進(jìn)入作業(yè)狀態(tài)，除此之外還受強(qiáng)涌潮區(qū)固有的大風(fēng)、濃霧、涌潮沖刷等環(huán)境因素影響，施工安全風(fēng)險增長速率持續(xù)上升；在吹填過程中的4～7周，由于施工人員對作業(yè)逐漸熟練、下層管袋的穩(wěn)固定型等原因，施工安全風(fēng)險增長速率逐漸減小，直至第7周到達(dá)峰值時，增長速率趨于0；在第7周之后，實施安全風(fēng)險管控措施達(dá)到一定程度，如加強(qiáng)對管袋的錨固、機(jī)械設(shè)備及時維護(hù)保養(yǎng)等，施工安全風(fēng)險增長速率轉(zhuǎn)為負(fù)值，施工安全風(fēng)險水平持續(xù)下降。在第14周之后，管袋圍堰施工進(jìn)入維護(hù)階段，此時人員、機(jī)械逐步退場，各項安全監(jiān)測數(shù)據(jù)僅受強(qiáng)涌潮環(huán)境影響在小幅度內(nèi)變化，表明此時風(fēng)險基本處于可控狀態(tài)。

3.2.2 各子系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

對各子系統(tǒng)分別進(jìn)行分析，演化結(jié)果見圖8。在施工準(zhǔn)備階段，受惡劣的強(qiáng)涌潮水域環(huán)境影響，環(huán)境風(fēng)險水平會有一定的初始累積量。隨著前中期清基和管袋吹填工作的開展，人員和物資風(fēng)險水平迅速上升達(dá)到峰值，剩余風(fēng)險增速大小排序為環(huán)境>管理>技術(shù)。隨著時間推進(jìn)，工程進(jìn)行到排水維護(hù)階段，伴隨安全投入的增加，各項安全風(fēng)險均處于下降趨勢，其中人員風(fēng)險大幅度下降，技術(shù)、物資、環(huán)境、管理安全風(fēng)險緩慢下降。且環(huán)境、管理安全風(fēng)險整體上高于其他3個子系統(tǒng)。

3.2.3 各子系統(tǒng)敏感性分析

為了進(jìn)一步確定影響管袋圍堰施工的重要影響因素，以上文仿真結(jié)果為依據(jù)開展敏感性分析。在敏感圖中，主要以帶寬作為敏感性的參考指標(biāo)，當(dāng)帶寬較大時，表示系統(tǒng)對變化更為敏感，反之相反^［24］。由圖9～13的敏感性模擬結(jié)果可知，在各子系統(tǒng)的底層因素初始值變化幅度為±10%時，人員、物資、管理、技術(shù)、環(huán)境的安全風(fēng)險水平敏感性帶寬分別約為0.67，0.27，0.42，0.28，0.50。故它們的敏感性大小排序為：人員>環(huán)境>管理>技術(shù)>物資。

3.2.4 防控措施

強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工是一個長期過程，在不同施工階段的安全風(fēng)險都是呈動態(tài)變化的。因此，根據(jù)上文仿真結(jié)果可針對性地提出以下建議：

（1） 清基、吹填期應(yīng)重點關(guān)注對人員、物資的管控。為降低人員安全風(fēng)險，應(yīng)加強(qiáng)安全知識培訓(xùn)以提高工人安全意識，從而減少違規(guī)作業(yè)行為發(fā)生；合理安排工作時長，使人員工作疲勞程度降低。對于物資安全風(fēng)險，需要選擇適合強(qiáng)涌潮水域施工的機(jī)械，并配置專業(yè)維修隊伍，儲備一定數(shù)量零部件，以保證各種機(jī)械設(shè)備能夠及時更換和保養(yǎng)。管袋和吹填土的供應(yīng)應(yīng)嚴(yán)格按照采購合同進(jìn)行控制，加強(qiáng)材料進(jìn)場檢測，保證進(jìn)場材料均滿足施工要求。

（2） 排水、維護(hù)期應(yīng)著重針對環(huán)境、管理進(jìn)行安全投入。為應(yīng)對環(huán)境安全風(fēng)險，應(yīng)及時關(guān)注氣象臺發(fā)布的強(qiáng)降雨、臺風(fēng)預(yù)報信息，并加強(qiáng)對管袋垂直沉降和水平位移的變形監(jiān)測，以便能及時排查出風(fēng)險隱患，提前實施預(yù)防或撤離措施。對于管理安全風(fēng)險，應(yīng)重點加強(qiáng)對圍堰現(xiàn)場的巡視，以便在發(fā)現(xiàn)管袋破損、管涌滲漏時能第一時間進(jìn)行補(bǔ)填封堵；及時完善坍塌、物體打擊等事故的應(yīng)急預(yù)案，以便在發(fā)生事故時能及時響應(yīng)，盡可能將損失降低。

4 結(jié) 論

（1） 本文以STPA法為驅(qū)動，構(gòu)建了強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風(fēng)險指標(biāo)體系，并結(jié)合SD方法，加入安全投入管控因子，構(gòu)建強(qiáng)涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風(fēng)險SD模型，得到了安全風(fēng)險隨時間變化的趨勢，演化過程與案例實際情況基本相符，驗證了所建立模型的合理性與科學(xué)性，可為類似工程的風(fēng)險管控提供參考。

（2） 由各子系統(tǒng)的風(fēng)險仿真趨勢得知，在清基吹填階段，人員、物資安全風(fēng)險水平增速最快；在排水維護(hù)階段，環(huán)境、管理安全風(fēng)險水平居高不下。因此可在不同施工階段提前對安全風(fēng)險因素進(jìn)行針對性地管控，可避免施工安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

（3） 敏感性模擬結(jié)果顯示，各子系統(tǒng)中人員、管理、環(huán)境對各個風(fēng)險因素初值變化更為敏感，而技術(shù)、物資相對不太敏感。故對人員、管理、環(huán)境應(yīng)進(jìn)行更多的安全投入，成效會更顯著。

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（編輯：胡旭東）

Simulation on safety risk of pipe bag cofferdam contruction in strong tidal bore area

JIANG Xin，ZHAO Li，ZHANG Tengfei

（College of Hydraulic ＆ Environmental Engineering，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Abstract：The water environment in strong tidal areas is complex and changeable，which greatly increases the difficulty of safety management of pipe bag cofferdam construction.In order to determine the key points of management and control of bag cofferdams construction from foundation clearance to maintenance in strong tidal areas，system theory process analysis （STPA）was first used to conduct a qualitative analysis of construction safety risk factors from the five major aspects of personnel，materials，management，technology，and environment.Then a system dynamics （SD）evolution model was established，and the Analytical Network Hierarchy Process （ANP）was used to determine the weight of each indicator.Finally simulations were conducted based on engineering examples.The results showed that with the advancement of the project and the gradual increase in safety investment，the safety risk level of pipe bag cofferdam construction showed a trend of first rising sharply，then gradually declining，and finally leveling off.Personnel and materials were the main influencing factors during the foundation clearing and filling period，while environment and management were the main influencing factors during the drainage and maintenance period.In addition，personnel，management and the environment were more sensitive to safety investment variation.Therefore，during the construction process，it is necessary to pay attention to the differences in management and control priorities between different periods，promptly switch management strategies and take targeted measures to effectively reduce construction safety risks.

Key words：construction safety risk；pipe bag cofferdam；strong tidal bore；system theory process analysis （STPA）；system dynamics （SD）