基于故障樹分析法的南水北調配套工程輸水管線破壞風險分析

李朋 孫志江 邱丁初

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

基于故障樹分析法的南水北調配套工程輸水管線破壞風險分析

李朋 孫志江 邱丁初

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

南水北調配套工程水廠以上輸水管道工程是連接南水北調干線與地方受水區的關鍵紐帶，保障其供水安全具有重大現實意義。而輸水管線存在諸多風險因素，采用確定性方法對其進行研究難度較大。本文基于故障樹分析理論，以衡水市南水北調配套工程第二設計單元輸水管道工程為工程背景，通過分析工程特點進行風險辨識，統計了影響輸水管線安全運行的13類風險因子，建立了輸水管線故障樹模型，計算出最小割集，通過分析最小割集得出各風險因子結構重要度。計算表明，腐蝕破壞、不良管材、荷載過大等是導致輸水管線發生破壞事故的主要因素。根據計算結果得出了有益結論與意見。

輸水管線 風險因子 故障樹分析 最小割集 結構重要度

1 前言

南水北調工程是國家重點跨流域調水工程，工程實施后將極大緩解我國北方地區水資源緊缺狀況。南水北調配套工程水廠以上輸水管道工程是南水北調工程體系的重要組成部分，是連接總干渠和受水區的重要紐帶。以河北省為例，根據《河北省南水北調配套工程規劃》，到2015年，將完成全部跨市干渠、大型調蓄工程和大部分供水管道的新建和改擴建工程，直接受水區總人口約4435萬人，占全省的65%。因此，南水北調配套工程是一項重大的民生工程，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，承擔長期穩定輸送水源的任務，為確保受水區用水安全，應首先保證輸水管道的安全運行。由于輸水管道工程多為長距離、跨區域工程，常需穿越復雜的地形、地質區域，同時管理維護不便，破壞風險因子較多，因此，對配套工程輸水管線進行破壞風險分析研究具有重大現實意義。

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果和原因之間的邏輯關系，通過分析運算，得到事故發生的直接和間接原因，揭示事故的潛在發生機制，及時提出事故防范措施。它是目前國內外公認的對復雜系統安全性、可靠性分析的一種實用方法。

本文以衡水市南水北調配套工程第二設計單元輸水管道工程（以下簡稱“衡水配套第二設計單元”）為工程背景，基于故障樹分析理論，對南水北調配套工程輸水管線進行破壞風險分析，總結出了輸水管線的破壞風險因子，通過故障樹分析，直觀揭示出配套工程輸水管線安全運行的破壞風險因子邏輯關系，為工程管理人員規避風險事故的發生提供有益指導。

2 工程特點分析及風險因子辨識

2.1 工程特點分析

衡水配套第二設計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，管道內壓受泵站運行控制及輸水流量影響較大，要求管材抗壓能力強；根據工程地質報告，工程區多處地表、地下水具有硫酸鹽型強腐蝕性，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、豎向拐點多，管道接口質量影響管道的安全穩定性；線路主要布置于鄉村田間，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9m，根據施工條件，管溝回填質量不易控制，部分不良地質段易產生不均勻沉降，導致管道變形過大，也將影響管道整體穩定。另外，工程區地處華北平原北部，全年溫差較大，應考慮溫差及溫度應力對管線安全運行的影響。

2.2 風險辨識

風險辨識是對工程中可能發生的所有潛在風險進行全面識別和系統歸納。為使風險辨識準確有效，應重視風險辨識的全面性以及客觀性。

風險發生概率和事后損失是風險的兩大基本屬性。不同的工程，其工程特點不盡相同，采取的風險分析方法也會有所差異。本文研究對象為南水北調配套工程輸水管道工程，在工程地質、應用領域等方面都有其自身獨特的特點，在對配套工程輸水管線進行風險分析時，應首先明確其所適用的風險定義。基于工程風險定義以及對工程特點的分析，本文將配套工程輸水管線風險定義為：在輸水管線施工、運行全壽命期內，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定要求發揮的可能性及產生的不良或不利后果。

根據對配套工程輸水管線的風險定義，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，基于工程實踐經驗，根據上述工程特點分析，結合國內外學者相關理論研究，通過對長距離管道輸水工程事故資料的分析統計，并參考相關文獻，在對南水北調配套工程輸水管道工程設計、施工、運行階段內的風險類型、事故原因進行深入分析和系統篩選、分類的基礎上，提出了配套工程埋地輸水管線的主要風險因子。表1為破壞風險因子統計表。

表1 南水北調配套工程輸水管道破壞風險因子

3 故障樹模型分析計算

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）底事件是導致其他事件發生的原因事件，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中的風險因子即為故障樹模型中的底事件。

（2）結果事件是由其他事件所導致的事件，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

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

3.3 建立輸水管道故障樹模型

根據上述說明，結合表1南水北調配套工程輸水管道破壞風險因子，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 最小割集與結構重要度

割集是導致故障樹中頂事件發生的底事件的組合。最小割集是導致頂事件發生的數目最少的底事件組合。本文將采用最小割集法對故障樹進行分析。

故障樹的結構重要度即不考慮底事件發生的概率，僅從故障樹結構上分析各底事件的發生對頂上事件的影響程度。在缺少底事件發生概率資料時，結構重要度分析便可直觀反映出在故障樹結構中各底事件對頂事件的影響程度，為工程建設及風險評價提供理論依據。

3.4.2 故障樹模型最小割集計算

本文采用布爾代數法求解配套工程輸水管道故障樹模型的最小割集，計算過程如下：

由上述計算結果可知，導致配套工程輸水管線破壞事故發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}。

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

3.4.3 輸水管道故障樹結構重要度分析

結構重要度分析是通過比較各風險因子結

構重要系數，評價風險因子對頂事件的影響程度。參考相關文獻，按如下思想，利用最小割集近似判斷各風險因子的結構重要系數：

（1）階數越小的最小割集，其結構重要系數越大。

（2）在同一割集中內，所有底事件結構重要系數相同。

（3）出現次數多的底事件是最小割集中最風險最大的因素，結構重要系數也越大。

（4）當出現相當復雜情況時，如兩個底事件，一個在階數小的最小割集中出現的次數少，一個在階數大的最小割集中出現的次數多的情況，按下列近似判別式計算結構重要系數：

式中，I(i)為底事件Xi的結構重要系數近似判別值；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。

根據上式計算結構重要度。如X1，一階最小割集出現兩次，二階最小割集出現一次，故其結構重要度為：

其他結構重要度計算方法與上述相同，計算結構如下：

I(X9)=1.5

綜上分析，根據結構重要度對影響南水北調配套工程輸水管線的風險因子排序如下：

對配套工程輸水管線安全運行影響較大的前8個風險因子統計如表2。

表2 對輸水管線影響較大的前8個風險因子

4 結論與建議

長距離輸水管道事故問題是供水行業普遍存在的現象，而南水北調配套工程是跨地區的重點民生工程，保證其安全穩定運行具有重大現實意義。

根據上述故障樹分析結果，得出以下結論與建議：

（1）腐蝕破壞降低管材抗壓能力，管內腐蝕嚴重時還會產生堵管等嚴重事故，其結構重要度最大。因此，輸水管道工程在設計、施工階段，應重點關注管道的防腐問題。設計階段，應盡量選用耐腐蝕性強的管材，同時施工期間重點做好防腐工作。比如本輸水管線工程區多處地表、地下水具有硫酸鹽型強腐蝕性，土壤腐蝕等級較高，設計采用耐腐蝕性強的球墨鑄鐵管是十分合適的。

（2）計算結果表明，外部荷載過大、內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，在正常運行期間，項目管理人員應重點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等其他因素導致內壓變化過大。

（3）設計階段應合理布置排氣井等閥井，防止管內排氣不暢造成堵管；認真分析基礎地質情況，做好地基處理設計工作，防止因地基基礎差而導致過大不均勻沉降等情況的發生。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、設置過渡層等工程措施。施工階段，要嚴把工程質量關，尤其是確保采購的管材為優質合格產品。

（4）本文利用故障樹的定性分析方法，通過計算分析最小割集，從故障樹的結構上得出各種原因事件的重要度排序。但是，結構重要度分析是在不考慮底事件發生概率的基礎上進行

的，而實際情況中，每個風險因子發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施工并投入運行，利用自動化監測系統統計的管線發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行定量性的實效概率分析，為工程建設與運行提供有益指導。

1 耿六成.河北省南水北調配套工程特點及實施策略[J].南水北調與水利科技，2007，5（3）：1-3.

2 賈超，劉寧等.南水北調中線工程風險分析的若干工程問題[J].巖土工程技術,2003,（3）:180-183.

3 張子賢，劉家春.輸水管道系統的可靠性研究[J].重慶建筑大學學報，2006,28（2）： 94-98.

4 黃國濤.長距離輸水管道事故分析及其關鍵技術研究[D].合肥工業大學，2009.

5 史定華，王松瑞.故障樹分析技術方法和理論[M].北京：北京師范大學出版社，1993.

6 楊鳳棟，龐景蘭等.南水北調中線河北省配套輸水管道工程有關技術問題的探討[J].水利水電技術，2005，36（5）：44-45.

7 鄭源，索麗生等.輸水管道系統氣體特性與水流沖擊截留氣團研究[J].水科學進展，2005，16（6）：858-863.

8 楊麗.輸水管道穿越段不確定性風險分析方法研究[D].天津大學，2004.

圖1 第55工程地質段抗剪強度包線

4 結束語

土體抗剪強度指標是否合理，對工程的安全和經濟影響巨大，需要慎重對待。

根據設計規范要求，應對抗剪強度取小值平均值，得到抗剪強度包線和抗剪強度指標c、φ值。

另外，不同的土工試驗方法對抗剪強度指標c、φ值亦有較大影響，應按照設計規范規定的針對不同設計工況的土工試驗方法進行試驗，不能一概采用簡單、保守的飽和快剪試驗方法。

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。