軟土區域埋地管道風險評價方法

李亞平,史振龍,齊 峰

(國家管網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域幾乎難以避免，也有一些原本土質穩定的區域在經歷暴雨或者水淹之后轉變成軟土區域。軟土具有一定的流動性，導致其易在外力作用下發生變形。而軟土的變形則很有可能引起其內部埋設管道的變形，甚至破壞(見圖1)。因此，了解軟土變形的誘發因素，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，評價軟土區域內敷設管道的風險性，對管道的運營和維護都有著重要的意義。

對于管道地質災害的風險評價工作，已有不少研究者開展過相關工作。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進行考慮并不完善；趙忠剛等[2]對長輸管道地質災害的類型、防控措施和預測方法進行了總結，為后續風險評價方法的研究打下了基礎；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災害的特點。王其磊[4]對長輸油管道可能遇見的常見地質災害(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。該模型能夠對大部分常見的地質災害進行風險評價，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災害風險評價方法，該方法主要適用于土質滑坡的風險評價；王珀等[6]對長輸管道地質災害定量風險評價技術進行了研究，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]分別發展了管道滑坡災害風險評價模型；陳杏子[9]以網絡神經算法結合大數據對長輸管道線域地質災害進行評價預測，但該方案需要大量的數據作為支撐，以當前的數據量很難獲得準確可靠的預測結果。荊宏遠等[10]提出了一種管道地質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提出了一種管道風險評價方案。Skogdalen等[13]則以事故調查資料為基礎，分析風險發生原因，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據，建立了風險評估方法。Cunha等[15]則以數據擬合的形式給出了管道參數與失效之間的聯系。Brissaud等[16]則以環境、設計、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據為基礎進行分析，但并未綜合考慮管道失效原因以及管道防護措施。同時，當前對于地質災害引起的管道風險評價研究還非常缺乏，且現有相關研究還主要集中在管道滑坡災害的風險性評價方面，對于軟土區域管道風險性評價的研究還尚未見報道。本文針對軟土區域管道風險性評價展開研究，建立了一個考慮軟土地質災害發生概率、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，兩者的評價結果基本一致，從而驗證了本文所提模型的準確性。

1 軟土區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。

考慮到災害風險和防治效果是一個競爭關系，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，包括軟土地質災害發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。可見R2的值越大軟土區域管道風險性越大，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為軟土地質災害發生風險指標。

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為各子指標的權重，各指標內的子指標權重和為1；n為各指標內子指標的數量。

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為各子指標的權重；j為子指標的數量。

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，將風險坐標系內的區域進行風險等級劃分，即可用于評價軟土地質災害下管道的風險性。

2 模型驗證

2.1 指標及權重的獲取

通過分析管道沿線軟土災害的影響因素可知，軟土區域形成的主要誘發因素(如表1所示)包括[17]：土層性質、地貌特征、降雨強度；軟土地區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系、管道的埋深、管道周邊人類工程活動強度、地質災害的影響；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、環境安全和財產安全。

表1 軟土區域形成的概率指標

表2 軟土地區管道失效的概率指標

表3 管道軟土區域防護措施

表4 管道失效后果

采用傳統專家打分法，邀請了5位相關領域的專家對各指標內元素的權重進行了打分，根據專家打分得到各元素權重表，見表5。

表5 指標內各元素的權重

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。

其中極低風險區域毋須采取任何措施；較低風險區域屬于可接受風險，可采取巡檢措施來觀察發展；較高風險區，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；高風險區域則屬于不可接受風險，需要在規定時間內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。

3 模型驗證

以2018年儀揚線南京夾江東北側化工大道旁管道軟土事故案例進行分析。根據資料顯示，該處土體為軟塑～流塑狀態的淤泥土具有強濕陷性(軟土區形成的概率指標分值：1)，管道位置地形平坦(軟土區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)(軟土區形成的概率指標分值：1)；管道穿過大面積軟土中心(軟土區管道失效概率指標分值：1)，埋深5 m～6 m(軟土區管道失效概率指標分值：0)，管道左側載荷常年大于右側(等同于近距離、中等質量堆載)(軟土區管道失效概率指標分值：0.75)，地形條件良好不受地質災害影響(軟土區管道失效概率指標分值：0)；除了在埋設時對管道土層進行加固外并未進行其他防護措施(管道軟土區域防護措施分值：0.5)。根據式(2)～式(5)，結合表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。

若管道內容物泄漏可能引發如下后果：1)由于管道地處主干道旁(見圖1)，泄漏如果引發大火可能導致人員傷亡(管道失效后果分值：0.75)。2)周圍環境價值一般，如果泄漏不會對環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損失一般(管道失效后果分值：0.5)。根據式(6)，結合表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，該區域為較高風險區域。

實際上，管道管理方于2018年8月管道經內檢測發現管道變形超限，隨后對該區域13 m范圍內的管道進行開挖后發現管道中部出現了向下較大的彎曲變形，管道上部表面發生了變形褶皺，但尚未發生泄漏(見圖3)。經對比模型預測與實際案例，可以看出模型預測結論比較準確。

4 結論

本文基于目前軟土地區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災害發生概率、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,得出以下結論：

1)本文通過綜合將軟土地區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)以實際軟土地質災害案例為例，對比模型預測結果與實際勘察結果，可以看出該模型預測較為準確。