山区油气管道的滑坡灾害风险评估方法

2022-10-13张海磊唐茂汤明高张维科

地质灾害与环境保护 2022年3期

张海磊，唐茂，汤明高，张维科

(1. 国家管网西南管道兰成渝输油分公司，成都610036；2. 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059；3. 四川省川建勘察设计院有限公司，成都 610049)

随着国民经济发展及工业化水平提高，我国对石油、天然气的需求量逐步增大，中国长输油气管道拥有量有了大幅增长。根据我国《中长期油气管网规划》，到2025年全国油气管网规模将达到24×104km，其中很大一部分穿越于地形地质条件复杂的山区，管道遭受滑坡灾害威胁的风险越来越大[1]。在施工建设或运营阶段有些管道可能会受到滑坡灾害影响，威胁油气管道正常工作，产生极高的安全隐患[2]。例如2013年8月13日，陕西延长石油管输公司某输油管道因山体滑坡致输油管线破裂，管道停输，大量原油外泄，400多名工作人员连夜抢险[3]；2016年6月30日，重庆市某一输油管道因连日暴雨引发滑坡进而导致管道被拉裂，18.5 t柴油流入河流；2017年7月2日，贵州晴隆沙子段因持续的强降雨，导致滑坡侧滑挤断输气管道，引发泄漏爆炸，造成8人死亡，35人受伤[4]。因此为了减少在役油气管道遭受滑坡灾害，造成人员伤亡和财产损失，有必要准确地对滑坡区油气管道进行风险评估，这也是油气管道完整性管理的重要环节[5]。

目前，国内外学者对滑坡作用下油气管道的力学行为及变形特点方面的研究较为成熟，如Eugenio et al.通过分析管道受滑坡灾害的影响，并提出了一种埋地管道变形破坏方法[6]；王金安从管土相互作用的力学响应出发，以小尺度理论推导出滑坡滑动阶段管道弹性部分受力表达式[7]。由于这类方法需要通过对灾害点和油气管道布置精密的监测仪器来获取相关数据，并进行理论分析与数值计算，在线性工程中地质灾害数量多且分布广，该类方法的运用和推广上有很大的局限性。而针对滑坡区油气管道安全风险评估的方法研究偏少。冼国栋等[8]根据中国石油西南管道沿线60余处典型滑坡为例，按照敏感性大小将影响因子构成了3级评估指标体系；刘迎春等[9]以土质滑坡为例，利用规范推荐的方法对管道滑坡进行半定量的风险评估；姚安林等[10]基于改进二元语义评估滑坡诱发管道失效的可能性；杜曼等[11]以可拓学为核心，通过多级评估，获得了各级指标的危险性等级。上述方法虽然取得了一定的效果，但一方面受资料限制，样本数量不足可能会导致评估误差偏大，另一方面各影响因素的主次关系不明确，因而其评估结果会有一定的局限性。因此迫切需要探寻一种准确方便的滑坡区油气管道风险评估方法，来综合分析影响因素所起的作用。

基于上述分析，同时结合前人研究的成果[12,13]，将改进层次分析法(IAHP)和逼近理想解排序法(TOPSIS)相结合应用于滑坡区油气管道风险评估中。TOPSIS法可以对多个评估指标与理想化目标的贴近度进行排序，综合考虑滑坡区油气管道风险评估的10多种指标，但在分析多个指标时，指标权重的求取难度较大，而IAHP法能很好地解决这一问题，客观地确定各评估指标的权重。

1 油气管道滑坡风险评估模型

1.1 评估技术流程

提出基于IAHP与TOPSIS相结合的方法，既可体现结构性分析思路，使指标的权值得到量化，又可以减少评估时的主观性。评估技术流程如图1所示。

图1 风险评估流程概略图

1.2 IAHP确定权重

风险指标赋权过程中采用改进层次分析法，相对比于常规的层次分析法，通过构造拟优一致矩阵可省略一致性检验，同时还可以提高计算精度。其确定指标权重的详细步骤如下：

(1) 构建比较矩阵A。采用1～9标度法，根据野外现场调查数据，并结合专家意见建立对应的比较矩阵A：

(1)

(2) 构造判断矩阵C，其元素Cij。表达式如下:

(2)

(3)

式中Vi为重要性排序指数，表达式如下:

(4)

Vmax=max{Vi}

(5)

Vmin=min{Vi}

(6)

kn=Vmax/Vmin

(7)

(8)

其中,dij为最优传递系数，可表示为：

(9)

式中,Tij为传递系数，可表示为：

Tij=lgCij, (i,j=1,2, …,n)

(10)

(4) 通过和积法求拟优一致矩阵C′的特征向量，并通过叠乘法计算得到评估指标的总权重W。

1.3 TOPSIS综合评估模型

TOPSIS法是通过计算评估对象至理想化目标的贴近度来排序，对现有对象进行相对优劣的评估。其具体计算步骤如下：

(1) 构建滑坡区油气管道风险评估的初始评估矩阵S:

(11)

其中,i表示第i个方案，共有m个方案i∈(1,m)；j表示某个方案的第j个指标，共有n个指标，j∈(1,n)。故矩阵中Sij表示第i个方案的第j个评判指标。

(2) 生成滑坡区油气管道风险评估的标准化决策矩阵E，其计算公式：

对于效益型指标，值越大越好

(12)

对于消耗性指标，值越小越好

(13)

(3) 确定滑坡区油气管道风险评估的加权标准化决策矩阵R

(14)

(4) 贴进度分析，最小/大值为指标的正/负理想解

R+=(minwnemn)

(15)

R-=(maxwnemn)

(16)

式中,R+与R-分别为正/负理想解。

风险评估的评估对象与理想解的距离为：

(17)

(18)

式中，Pi+/Pi-分别为风险评估的评估对象与正/负理想解的距离：rj+与rj-分别为R+与R-相对应的元素。

贴进度分析的计算公式为：

(19)

当风险评估的评估对象为正理想解时;Ni+=1；当风险评估的评估对象为负理想解时，Ni+=0；一般情况下评估对象贴进度Ni+取值为(0，1)。

评估对象综合评估结果向量Q为：

Q=W×N

(20)

式中，W为IAHP法求取到的准则层权重;N为风险评估的评估对象与正理想解的贴近度形成的评估矩阵。

2 指标体系与赋权

2.1 指标体系构建

在前人研究的基础上[14]，结合滑坡成因机制以及野外现场勘查的灾点情况，从防治措施、滑坡和管道3个方面，分析滑坡引发长输油气管道事故的风险。

(1) 防治措施。在山区油气管道运营过程中,管道附近的岩土体稳定性会受堆土、施工等第三方活动的影响，进而诱发斜坡失稳。坡体上的植被能起到坡面防护、加固的作用，增强坡体的稳定性[15]。斜坡的抗滑加固措施作为滑坡防治研究的基础，可以提高其安全稳定性；截排水工程可以消除地下水的影响，提高滑动带土体抗剪强度，减小滑动带孔隙水压力[16]。

(2) 滑坡。往往斜坡变形迹象越明显，其越容易发生滑动；坡度对滑坡的孕育具有较为明显的促进作用，坡度不仅为斜坡失稳提供了地形条件，也在一定程度上决定了斜坡变形破坏的机制和形式；滑坡前、后缘的高差可为其启动提供能量条件；地震是诱发斜坡失稳的一个重要因素，一般采用基本烈度作为刻画指标[17]。不同坡面形态的坡体，在滑坡失稳时其内部的应力和变形破坏特征也不相同[14]。不同特征的滑体，形成的滑坡规模和破坏模式也不同[11]。由于高密实度的土体内部土颗粒间排列紧密，对雨水的入渗具有一定抑制作用，故在同等条件下较高密实度的土体形成的斜坡更稳定[18]。根据文献[15]，雨水入渗导致岩土体的抗剪强度降低，进而诱发斜坡失稳。

(3) 管道。管道的破坏模式主要取决于管道的受力效果，而管道的受力效果受管道敷设条件的影响。管道的敷设条件主要包括管道位置、埋深及回填土等。管道位置，即管道与滑动面的相对位置，若管道敷设在滑动面之上，则滑坡启动时，在水平方向的滑坡推力作用下管道容易遭受变形而破坏；若管道敷设在滑动面之下，那么滑坡发生滑动后所形成的管道上方堆积体则会对管道产生较大压力[15]。增加管道埋置深度，能够提高管道在外荷载作用下抵抗变形的能力，故合理设置管道埋深，有利于减少管道事故的发生[15]。合理地控制埋地管道沟槽内的回填土压实度，能够改善管道结构的受力状态，减少管道结构的竖向变形，提高管道结构的稳定性[19]。综上所述，管道位置、管道埋深及管道回填共同构成了管道的易损性指标。

综上所述，滑坡区油气管道风险评估的指标包括定量和定性的，不同类型的指标会在不同程度上影响风险评估的结果，权重的求取是否正确、合理会严重影响风险评估结果的精确性。因此，结合改进层次分析法，选取了14个二级指标建立了滑坡区油气管道风险评估指标体系，如图2所示。

图2 滑坡区油气管道安全风险评估组织体系图

2.2 权重分配

对评估指标进行重要度评估，构造滑坡区油气管道风险评估的准则层和指标层各因素的比较矩阵。A-B、B1-C、B2-C以及B3-C比较矩阵分别如表1～4所示。

根据表1所示的比较矩阵通过式(2)～(10)并经过和积法求取特征向量，可得到准则层的权重值W=[0.212，0.460，0.328]。

同理可得：

B1-C矩阵：W=[0.614，0.230，0.156]。

B2-C矩阵：W=[0.299，0.289，0.117，0.107，0.082，0.043，0.033，0.03]。

B3-C矩阵：W=[0.622，0.233，0.145]。

层次总排序结果表，如表5所示。

表1 A-B比较矩阵

表2 B1-C比较矩阵

表3 B2-C比较矩阵

表4 B3-C比较矩阵

表5 层次总排序结果

2.3 评估等级判据

为了能和行业规范推荐法[20]的结果相对应，本文将滑坡区油气管道风险等级定性地分为低风险、较低风险、中风险、较高风险和高风险，如图2所示。并结合中缅油气管道沿线滑坡发育特征，对各评估因子进行累计数量统计分析，取线段明显拐点值作为区间阈值，其评估指标分级，如表6所示(注：其中定性指标由专家打分量化界定)。

表6 评估指标分级表

3 应用及验证

本文选取中缅油气管道某一典型滑坡灾害点作为评估对象[21]，验证本文提出的滑坡区油气管道安全风险评估模型的准确性，研究区斜坡滑移方向为NE方向，现场分布如图3所示。通过现场勘查，该灾害点位于低山丘陵地区，局部变形发生在后缘排水沟处，且张拉裂缝较明显；滑坡坡度为30°，滑坡前、后缘高差大约为58 m，滑体为3～5 m厚度的碎石土，且有部分基岩出露；现已修建治理工程，在滑坡前缘处修建长度约为40 m、高度为5 m的挡土墙，且在滑坡后缘处修建有截排水沟；管道斜穿滑坡，管道的走向为150°，埋深为2.5 m，管道回填土达到压实标准。