基于故障树分析法的南水北调配套工程输水管线破坏风险分析

2014-02-27李朋孙志江邱丁初

水利规划与设计 2014年12期

关键词：输水管线配套工程输水管

李朋孙志江邱丁初

（河北省水利水电第二勘测设计研究院河北石家庄 050021）

基于故障树分析法的南水北调配套工程输水管线破坏风险分析

李朋孙志江邱丁初

（河北省水利水电第二勘测设计研究院河北石家庄 050021）

南水北调配套工程水厂以上输水管道工程是连接南水北调干线与地方受水区的关键纽带，保障其供水安全具有重大现实意义。而输水管线存在诸多风险因素，采用确定性方法对其进行研究难度较大。本文基于故障树分析理论，以衡水市南水北调配套工程第二设计单元输水管道工程为工程背景，通过分析工程特点进行风险辨识，统计了影响输水管线安全运行的13类风险因子，建立了输水管线故障树模型，计算出最小割集，通过分析最小割集得出各风险因子结构重要度。计算表明，腐蚀破坏、不良管材、荷载过大等是导致输水管线发生破坏事故的主要因素。根据计算结果得出了有益结论与意见。

输水管线风险因子故障树分析最小割集结构重要度

1 前言

南水北调工程是国家重点跨流域调水工程，工程实施后将极大缓解我国北方地区水资源紧缺状况。南水北调配套工程水厂以上输水管道工程是南水北调工程体系的重要组成部分，是连接总干渠和受水区的重要纽带。以河北省为例，根据《河北省南水北调配套工程规划》，到2015年，将完成全部跨市干渠、大型调蓄工程和大部分供水管道的新建和改扩建工程，直接受水区总人口约4435万人，占全省的65%。因此，南水北调配套工程是一项重大的民生工程，将有效缓解河北水资源缺乏问题。

水厂以上输水管道工程是配套工程的重要组成部分，承担长期稳定输送水源的任务，为确保受水区用水安全，应首先保证输水管道的安全运行。由于输水管道工程多为长距离、跨区域工程，常需穿越复杂的地形、地质区域，同时管理维护不便，破坏风险因子较多，因此，对配套工程输水管线进行破坏风险分析研究具有重大现实意义。

故障树分析理论是在一定条件下采用演绎推理的方法，利用特定含义的符号组成树形图表示结果和原因之间的逻辑关系，通过分析运算，得到事故发生的直接和间接原因，揭示事故的潜在发生机制，及时提出事故防范措施。它是目前国内外公认的对复杂系统安全性、可靠性分析的一种实用方法。

本文以衡水市南水北调配套工程第二设计单元输水管道工程（以下简称“衡水配套第二设计单元”）为工程背景，基于故障树分析理论，对南水北调配套工程输水管线进行破坏风险分析，总结出了输水管线的破坏风险因子，通过故障树分析，直观揭示出配套工程输水管线安全运行的破坏风险因子逻辑关系，为工程管理人员规避风险事故的发生提供有益指导。

2 工程特点分析及风险因子辨识

2.1 工程特点分析

衡水配套第二设计单元北起石津干渠沧州支线暗涵段马回台分水口，南至景县小留屯水厂，全线长42.926km，线路涉及衡水市武邑县、

阜城县和景县三县，沿线穿越多处公路、河流。

管线采用加压输水方式，管道内压受泵站运行控制及输水流量影响较大，要求管材抗压能力强；根据工程地质报告，工程区多处地表、地下水具有硫酸盐型强腐蚀性，土壤腐蚀等级较高，输水管材需具有较好的防腐性能；管线水平、竖向拐点多，管道接口质量影响管道的安全稳定性；线路主要布置于乡村田间，减少了占迁，但对沿线各类阀件管理维修不利，存在一定的安全隐患；管道埋深变化较大，浅处不足2m，深处达9m，根据施工条件，管沟回填质量不易控制，部分不良地质段易产生不均匀沉降，导致管道变形过大，也将影响管道整体稳定。另外，工程区地处华北平原北部，全年温差较大，应考虑温差及温度应力对管线安全运行的影响。

2.2 风险辨识

风险辨识是对工程中可能发生的所有潜在风险进行全面识别和系统归纳。为使风险辨识准确有效，应重视风险辨识的全面性以及客观性。

风险发生概率和事后损失是风险的两大基本属性。不同的工程，其工程特点不尽相同，采取的风险分析方法也会有所差异。本文研究对象为南水北调配套工程输水管道工程，在工程地质、应用领域等方面都有其自身独特的特点，在对配套工程输水管线进行风险分析时，应首先明确其所适用的风险定义。基于工程风险定义以及对工程特点的分析，本文将配套工程输水管线风险定义为：在输水管线施工、运行全寿命期内，在各种不确定性因素的影响下，输水管线遭受损伤破坏使其功能不能按预定要求发挥的可能性及产生的不良或不利后果。

根据对配套工程输水管线的风险定义，本文将配套工程输水管线的破坏分为两大类，一是水体渗漏，属于长期性破坏，二是爆管，属于瞬时破坏。同时，基于工程实践经验，根据上述工程特点分析，结合国内外学者相关理论研究，通过对长距离管道输水工程事故资料的分析统计，并参考相关文献，在对南水北调配套工程输水管道工程设计、施工、运行阶段内的风险类型、事故原因进行深入分析和系统筛选、分类的基础上，提出了配套工程埋地输水管线的主要风险因子。表1为破坏风险因子统计表。

表1 南水北调配套工程输水管道破坏风险因子

3 故障树模型分析计算

3.1 故障树分析流程

故障树分析流程，如图1所示。

图1 故障树分析分析流程

3.2 故障树模型基本名称和符号

（1）底事件是导致其他事件发生的原因事件，位于故障树底端，分为基本事件和未探明事件。其中，基本事件原因明确，未探明事件原因不确定。表1中的风险因子即为故障树模型中的底事件。

（2）结果事件是由其他事件所导致的事件，分为顶事件和中间事件，如图2所示。

图2 故障树模型中的基本名词与符号

（3）逻辑门

与门表示仅当所有输入事件同时发生，输出事件才会发生；或门表示至少有一个输入事件发生，输出事件就会发生。

3.3 建立输水管道故障树模型

根据上述说明，结合表1南水北调配套工程输水管道破坏风险因子，建立输水管道故障树模型，如图3所示。

图3 配套工程输水管道故障树模型

3.4 配套工程输水管道故障树模型分析

3.4.1 最小割集与结构重要度

割集是导致故障树中顶事件发生的底事件的组合。最小割集是导致顶事件发生的数目最少的底事件组合。本文将采用最小割集法对故障树进行分析。

故障树的结构重要度即不考虑底事件发生的概率，仅从故障树结构上分析各底事件的发生对顶上事件的影响程度。在缺少底事件发生概率资料时，结构重要度分析便可直观反映出在故障树结构中各底事件对顶事件的影响程度，为工程建设及风险评价提供理论依据。

3.4.2 故障树模型最小割集计算

本文采用布尔代数法求解配套工程输水管道故障树模型的最小割集，计算过程如下：

由上述计算结果可知，导致配套工程输水管线破坏事故发生的故障树最小割集共13个，即{X1}、{X2}、{X3}、{X7}、{X8}、{X9}、{X12}、{X13}、{X8×X11}、{X7×X9}、{X4×X5}、{X8×X10}、{X1×X6}。

导致输水管道破坏事故发生的最小割集共有两种类型，一阶最小割集共7个，如{X7}，它表示风险因子X7（外部荷载过大）出现时，会引起管材破裂以及不均匀沉降等情况的发生，并最终导致输水管道发生破坏事故。二阶最小割集共5个。例如{X8*X11}，它表示风险因子组合X8*X11（内压变化过大，同时管材尺寸选取不当）出现时，会因水体的剧烈非恒定流而产生冲击波，发生水击破坏，导致输水管道破坏。

3.4.3 输水管道故障树结构重要度分析

结构重要度分析是通过比较各风险因子结

构重要系数，评价风险因子对顶事件的影响程度。参考相关文献，按如下思想，利用最小割集近似判断各风险因子的结构重要系数：

（1）阶数越小的最小割集，其结构重要系数越大。

（2）在同一割集中内，所有底事件结构重要系数相同。

（3）出现次数多的底事件是最小割集中最风险最大的因素，结构重要系数也越大。

（4）当出现相当复杂情况时，如两个底事件，一个在阶数小的最小割集中出现的次数少，一个在阶数大的最小割集中出现的次数多的情况，按下列近似判别式计算结构重要系数：

式中，I(i)为底事件Xi的结构重要系数近似判别值；Xi∈Ki表示Xi属于Ki的最小割集；为底事件所在最小割集中包含的底事件个数。

根据上式计算结构重要度。如X1，一阶最小割集出现两次，二阶最小割集出现一次，故其结构重要度为：

其他结构重要度计算方法与上述相同，计算结构如下：

I(X9)=1.5

综上分析，根据结构重要度对影响南水北调配套工程输水管线的风险因子排序如下：

对配套工程输水管线安全运行影响较大的前8个风险因子统计如表2。

表2 对输水管线影响较大的前8个风险因子

4 结论与建议

长距离输水管道事故问题是供水行业普遍存在的现象，而南水北调配套工程是跨地区的重点民生工程，保证其安全稳定运行具有重大现实意义。

根据上述故障树分析结果，得出以下结论与建议：

（1）腐蚀破坏降低管材抗压能力，管内腐蚀严重时还会产生堵管等严重事故，其结构重要度最大。因此，输水管道工程在设计、施工阶段，应重点关注管道的防腐问题。设计阶段，应尽量选用耐腐蚀性强的管材，同时施工期间重点做好防腐工作。比如本输水管线工程区多处地表、地下水具有硫酸盐型强腐蚀性，土壤腐蚀等级较高，设计采用耐腐蚀性强的球墨铸铁管是十分合适的。

（2）计算结果表明，外部荷载过大、内压变化过大等可从不同方面对输水管线造成较大破坏。因此，在正常运行期间，项目管理人员应重点注意管线地面荷载情况，如禁止管线地面建较大建筑物、禁止超载车辆通行等，防止外部荷载过大。同时尽量避免人为操作不当等其他因素导致内压变化过大。

（3）设计阶段应合理布置排气井等阀井，防止管内排气不畅造成堵管；认真分析基础地质情况，做好地基处理设计工作，防止因地基基础差而导致过大不均匀沉降等情况的发生。比如针对输水管线多处穿越段穿越不同地层，井室及支墩部位分别采取了夯实、设置过渡层等工程措施。施工阶段，要严把工程质量关，尤其是确保采购的管材为优质合格产品。

（4）本文利用故障树的定性分析方法，通过计算分析最小割集，从故障树的结构上得出各种原因事件的重要度排序。但是，结构重要度分析是在不考虑底事件发生概率的基础上进行

的，而实际情况中，每个风险因子发生的概率是不一样的。随着各地配套工程输水管线工程陆续施工并投入运行，利用自动化监测系统统计的管线发生各种破坏事故概率作为第一手资料，可对输水管线工程进行定量性的实效概率分析，为工程建设与运行提供有益指导。

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