油氣管道水工保護工程有效性評價方法研究

徐 江，羅本全，李卿辰，朱登科，葉小兵

（四川省地質工程勘察院集團有限公司，成都 610072）

水毀災害是長輸油氣管道最主要的地質災害類型，由于其具有多發(fā)性和突發(fā)性，對管道運行安全形成重大威脅[1]。水毀災害治理，也是管道管理部門投入防治資源最多的災害類型，約占災害防治投資總額的80%[2-3]。

國家石油天然氣管網集團有限公司近年來為防范各類水毀災害對管道線路的威脅，新建和維建了大量的防治工程，為保障管道安全平穩(wěn)運營發(fā)揮了重要作用，尤其部分在役重點防治工程發(fā)揮作用更加顯著。為進一步了解上述防治工程的防護效果、工程質量，以及部分在役時間較長防治工程繼續(xù)發(fā)揮防護效果的能力，查找防治工程在設計、施工中的經驗和不足，指導地質災害、水毀災害防災減災工作，需針對部分在役重點防治工程開展有效性評價工作。

近年來，蘭成渝管道、中緬管道等項目在建設和維護過程中，均組織開展過相關的研究：冼國棟等[4]通過災害影響因素分析，確定評價指標體系因子，并分析影響因子的敏感性；穆樹懷等[5]結合不同施工階段，通過對比分析，對典型地質災害危險性進行評估，提出針對性防治方法；鐘威等[6]基于地質災害對管道的危害形式分析，計算各影響因素的權重，建立管道地質災害危險性評價指標體系；趙園園等[7]通過現(xiàn)場踏勘和資料識別潛在地質災害點，對沿線的災害分布規(guī)律進行研究，分析各點的發(fā)育情況和危險性，提出相對應措施。上述評價方法主要針對管道地質災害建立評價體系，而通過近10 年對各處管道的現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，水工保護工程中存在著非因地制宜、施工質量參差不齊、項目評價未得到重視等問題[8]，因此，針對上述問題，需建立一套完整的管道水工保護工程有效性的評價體系。

1 常見水毀災害對油氣管道的危害

1.1 臺田地水毀災害

臺田地災害是一種最為常見的水毀災害，管道沿臺田地鋪設，尤其在臺階狀田地下，發(fā)育有暗溝等病害，在局部段中，由于施工時回填夯實不足等原因，在農田灌溉水和雨水作用下形成類似管涌的病害，并產生淺埋、外露、懸空等威脅管道安全，此類災害管道危害長度適中。

1.2 河溝道水毀災害

河溝道水毀災害是一種季節(jié)性災害，管道穿越或平行鋪設于河道。由于溝床堆積層較淺、河道蜿蜒曲折、溝道縱坡較大等問題，在河溝道水流作用下，下切作用危害性較大，易發(fā)生沖毀管線或管堤，造成露管、懸空、斷管等病害，嚴重威脅管道安全，此類災害管道危害長度較大，與河道寬度和長度有關。

1.3 坡面水毀災害

坡面水毀災害的規(guī)模性一般較大，管道沿斜坡順向或橫向鋪設，在具有一定坡度的山嶺地段，其地表土體較為松散，植被稀少，在雨水或山間沖溝作用下，對坡面產生較強的侵蝕和沖刷作用，沖毀表面管堤和覆土，造成淺埋、露管、懸空等病害，威脅管道安全，此類災害管道危害長度較長，與地貌特征、坡度等因素有關。

2 水毀災害有效性評價方法

2.1 有效性評價指標體系

基于“輸入-輸出”評價模式[9]，并考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性和可操作性，排除了對效能水平影響不大且非共性因素，提出了以下效能評價模式，如圖1 所示。

圖1 防治工程有效性評價模式

根據(jù)防治工程有效性評價的原理和指標體系的建立準則，使用層次分析法來建立防治工程有效性評價的指標體系。該指標體系包括4 個層次：目標層、準則層、指標層和變量層。各層次數(shù)據(jù)見表1。

表1 有效性評價指標體系結構

目標層代表課題研究的總體目標。準則層涵蓋了有效性評價所包含的不同指標類別。指標體系在準則層被劃分為3 個部分。

1）防治工程投入準則層。由于本項目是管道水毀災害防治工程的有效性評價，不涉及項目投資，故本次評價不考慮工程投入準則層。

2）風險減緩效益準則層。根據(jù)管道系統(tǒng)面臨的風險類型，本次評價準則層共建立了3 個指標層（管道風險減緩效益、附屬設施風險減緩效益、第三方風險減緩效益），總計包含14 個變量層。

3）工程可用性準則層。工程可用性準則層用于評估防治工程在有效性評價時間點之后繼續(xù)發(fā)揮效能的能力。該準則層包含5 個指標層和28 個變量層，具體細節(jié)參見表2。同時，為了評估不同類型結構的工程質量，設立了4 種主流結構的評價指標。

表2 有效性評價各工程現(xiàn)狀質量指標

2.2 風險減緩效益計算

對于風險減緩效益準則層進行評價，發(fā)生概率分為“高”“中”“低”“無”4 個等級，嚴重程度分為“高”“中”“低”3 個等級。其中原風險和現(xiàn)風險的最大值和最小值均為10 和0，中間還有分值8、6、4、2等。防治工程風險減緩效益指數(shù)RRI 的取值范圍為0～10。

風險減緩效益指數(shù)（RRI）由式（1）計算

式中：wj為第j個指標的權重；wji為第j個指標中第i個變量的權重；ryji為第j個指標中第i個變量的原風險值；rxji為第j個指標中第i個變量的現(xiàn)風險值。借助層次分析法[10]和專家咨詢，確定了各指標下 變量之間的權重關系，見表3。

表3 風險減緩準則層各指標下變量間的權重關系

2.3 工程可用性效益計算

對于工程現(xiàn)狀質量指標中的各變量進行評估。3個等級的劃分標準為：好（無需設置）、一般、差，分別對應得分10、8、4。5 個等級的劃分標準為：好、較好、一般、較差、差，分別對應得分10、8、6、4、2。對于工程后期維護水平指標中的各變量，劃分為好、一般、差或好、一般、差、無，分別賦予得分10、8、4 或10、8、4、0。

防治工程可用性指數(shù)AI 介于0～10 之間，計算公式見式（2）。

式中：wj為工程可用性準則層中第j個指標的權重；wji為第j個指標中第i個變量的權重；uji為第j個指標中第i個變量的分值。

其中，工程現(xiàn)狀質量權重為0.9，工程維護水平權重為0.1（防止人為破壞0.2，維護局部損害0.5，清除淤積障礙0.3）。工程現(xiàn)狀質量下各指標下變量之間的權重關系見表4。

表4 可用性準則層（工程現(xiàn)狀質量）各指標下變量間的權重關系

2.4 有效性評價標準

對防治工程進行有效性評價，最直觀的評價結果主要由以下2 個指標體現(xiàn)。

1）風險減緩效益指數(shù)RRI。RRI 指數(shù)的滿分為10 分，分數(shù)越高表示工程的作用越大。較高的RRI 值反映了工程在保護管道系統(tǒng)方面取得的效果越為明顯。這意味著工程所采取的防治措施和策略成功地降低了潛在風險的發(fā)生概率和嚴重程度，從而保障了管道系統(tǒng)的安全運行。RRI 指數(shù)的評估結果可以為工程管理人員提供重要的參考，以評估工程的整體效益，并為未來的風險管理決策提供指導。通過不斷提高RRI指數(shù)，工程管理者可以進一步改進防治工程措施，確保管道系統(tǒng)在面對風險時能夠更有效地應對，提高整體安全性和可靠性。一般而言，RRI 超過4 分的即是風險減緩效益非常好的防治工程，低于2 分的可認為該防治工程防護效果不良。

2）工程可用性指數(shù)AI。工程可用性AI 指數(shù)是工程質量現(xiàn)狀和工程維護水平的綜合反映，前者占90%權重，后者占10%權重。AI 指數(shù)滿分是10 分，分數(shù)越高，質量越好，工程可維護水平也越好。質量較好的工程AI 指數(shù)大體在8 分以上，如果AI 指數(shù)在6 分以下，說明工程質量不盡如人意。

3 應用與驗證

該工程位于云南省大理州漾濞縣龍?zhí)多l(xiāng)水竹坪村中緬天然氣管道某點處，管道穿越吐嚕河，穿越段河道寬約20 m，河流為常年流水，水流較急，汛期水量較大，管道曾出現(xiàn)部分露管現(xiàn)象。穿越段河道兩岸修建有漿砌石護岸擋墻，共長90 m，高2.5 m，管道下游修建有混凝土淤土壩，長約20 m，深約1.5 m，淤土壩下游修建鋼筋石籠護坦，長20 m，寬1 m，高1.5 m（圖2）。從防護效果看，護岸擋墻有效地保護了河水對岸坡的沖蝕，淤土壩對管道穿越段的淤積效果明顯，提高了管道埋深。目前，護岸擋墻基礎局部掏蝕，淤土壩大面積垮塌，下游鋼筋石籠護坦已完全損壞，已喪失防護能力。

圖2 油氣管道某點水工保護工程損毀現(xiàn)場

經過計算得出，風險減緩效益指數(shù)RRI=4.18，說明該工程修建后防護非常明顯，很好地防止了河岸的側蝕和河床的下切，保證了管道埋深。防治工程可用性指數(shù)AI=5.94，說明該工程質量與工程維護性均較差，繼續(xù)發(fā)揮防護效果的潛力較低，建議重建淤土壩以及鋼筋石籠護坦。

4 結束語

本文在明確水毀災害類型的基礎上，采用“生產函數(shù)”模式，建立多個指標層下的變量指標，并結合相關設計、施工人員的建議和指導，確定各指標的權重，建立油氣管道水工保護工程有效性評價。通過實際案例的應用，反應該有效性評價的準確性和可靠性。結合該水工保護工程有效性評價體系，可指導相關單位在進行調查、勘察過程中詳細了解水毀危害的類型、威脅管道方式、災害體與管道位置關系、管道周圍巖土體類型等，對災害點進行風險評價，并根據(jù)風險大小進行排序，制定更加完善的水工保護規(guī)劃。