油气管道横坡敷设段地质灾害风险评价方法探索

2023-01-13张照旭丁疆强修林冉尚掩库郑玉岩

石油工程建设 2022年6期

关键词：横坡易损性易发

王子，张照旭，丁疆强，修林冉，尚掩库，郑玉岩

1.国家石油天然气管网集团有限公司西气东输公司，上海 200120

2.北京中地华安科技股份有限公司，北京 100085

3.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065099

1 横坡敷设段地质灾害风险识别和评价方法

1.1 风险评价基本思路

深入调查分析控制和影响管道横坡敷设段地质灾害发生的各种因素，并充分研究各项因素之间的相互关系及其对控制横坡敷设段地质灾害发生所起作用的大小，进而从中筛选出一定数量的因素作为评价指标因素，并确定相应的指标量化方法[1-5]。

调查评价基本因素包括坡高、坡度、地层岩性、坡体结构、水文地质条件、构造复杂程度、已有动力地质现象、植被发育情况、人类工程活动等，是管道横坡敷设段地质灾害产生以及发展演化的内在因素[6-9]。对山区段管道横坡敷设段进行评价时，因为地处高位和植被发育，传统的人工调查方法受到限制，有些因素需要借助无人机、遥感等技术手段来获取，因此本文提出了构建“初步筛查+INSAR技术+无人机航拍技术”对管道横坡敷设段进行评价的方法[10]，其技术路线见图1。

图1 风险评价的技术路线

1.2 横坡敷设风险识别

1.2.1 初步筛查

初步辨识主要调查地质地形情况、管道本体情况、周围交通情况，拍摄典型照片，形成初步结论。其具体内容见表1。

表1 横坡敷设风险初步辨识内容

1.2.2 “天-空-地”一体化“三查”体系的普查

对于横坡敷设段管道地质灾害的“天-空-地”一体化“三查”体系的普查工作，这里的“天”是指采用高精度光学遥感和INSAR技术进行探查；“空”是指采用无人机航拍技术进行探查；“地”是指通过专业技术人员进行现场踏勘核查。其普查步骤如下：采用高精度光学遥感+INSAR技术对初步筛查的横坡段隐患点进行普查，即先收集隐患段近3～5年高精度光学遥感图像，将管道中线加载到高精度光学遥感影像图上，搜集到普查区域的地质、线路地质、降雨、人类活动情况等资料，再结合现场照片、室内初步筛查结果确认明显存在安全隐患的点位；然后，对隐患点集中的山区管道、拟选定的管道工程通过INSAR对管道沿线进行大面积扫描性“普查”，以发现可能存在隐患的区域，即通过收集隐患点所在地区的SAR数据存档信息、在轨SAR数据参数、在轨状况和编程定制规则，搜集到区域的地质、降雨、人类活动情况等资料，根据搜集到的各类资料，分析隐患点灾变形成条件和SAR成像特点，进行SAR数据选取、处理和结果分析，获取隐患点地表形变特征，初步普查确认形变特征明显的隐患点位。

1.2.3 踏勘复查

复查是对普查确认的高风险点和较高风险点进行人工踏勘复核。根据现场调查照片及描述，结合高精度光学遥感影像（变形迹象、地貌变化、汇水情况、植被覆盖）对所有隐患点进行复核确认，采用定性评价法初步确定隐患点风险等级。

1.3 基于指标法的横坡敷设灾害风险评价

本文选取地层岩性、边坡坡度、边坡坡高、坡型、植被覆盖率、工程活动、气象水文共7个主要影响因素作为评价指标，建立油气管道横坡地质灾害危险性评价指标体系，根据各因素对地质灾害易发性、管道易损性的影响程度，将各因素分为3个级别，分别为大、中、小，并赋予一定的分值（分别为30、20、10分），确定的评分标准见表2、表3。

表2 易发性评判分级

根据现场实际调查的各因素发育状况，对照评分标准，将各因素的分值综合其权重值进行加权相加，计算易发性、易损性系数K，根据确定的分级标准（K＜18为易发性或易损性小，18≤K≤27为易发性或易损性中等、K＞27为易发性或易损性大），进行易发性、易损性评判。

在得出地质灾害易发性和管道易损性评价结果后，采用矩阵法，综合确定油气管道典型地质灾害危险性等级，将危险性划分为3个等级，见表4、表5。

表4 矩阵法划分危险性等级

表5 油气管道地质灾害危险性等级

然后对初筛确认的A级、B级隐患点进行人工踏勘排查，实地调查隐患点的灾害特征、成因、范围和影响后果。同时对其中一些通过高精度光学遥感影像认为土体有变形迹象的隐患点进行无人机航拍，获取高分辨率的航拍影像数据。结合航拍影像数据进行宏观上的灾害特征识别、确认，初步评价其稳定性、危害性和发展趋势，提出初步的处置建议。

在现场地面调查与识别的基础上，考虑管道沿线横坡隐患点的易发性、易损性和失效后果，采用定性和半定量风险评价方法，对横坡段隐患点进行风险评价，给出更具体的风险状况评估，并对不同风险段的管道给出风险消减方案和控制措施（见表6），使管道的风险处于控制之中。

表6 不同风险等级灾害点的风险控制措施

2 典型案例

2.1 风险辨识案例

某横坡敷设管道位于广东省惠州市博罗县公庄镇，该段不稳定边坡所在区域为剥蚀低山地貌。主要以构造挤压作用为主，受长期的剥蚀切割作用影响，地形起伏，相对高差较大，局部丘陵由于受到较强的风化侵蚀、搬运作用，局部区域变得较为平缓。植被茂盛，主要以桉树、松树、杉树及低矮灌木为主。主要地层为残积土及全～强风化花岗岩、变质砂岩、砾岩等。管道横坡敷设段边坡坡度约45°，边坡坡体高度35 m，坡面形状呈阶梯型，坡体为碎石土，管道上方植被恢复欠缺，植被覆盖率10%～20%，水土流失严重，管道埋深约2 m，光缆埋深1.4～2.4 m，斜坡坡面树木歪斜，斜坡中上部水毁冲沟发育，坡面无截排水措施，坡脚无支挡措施，汛期水毁导致1.3 m管道露出。该位置有钢桩+聚酯袋挡墙临时支挡措施，但防护措施已破坏。现场评估认为该点为高风险。见图2～图4。

图2 某横坡敷设管道现状

图3 汛期应急钢桩+聚酯袋挡墙临时支挡（航拍图）

图4 某管道横坡敷设段工程地质剖面

2.2 基于INSAR数据的管道横坡敷设段地面变形分布情况的案例

某山区管道此次研究区域东西走向线路长，跨度大，范围广，覆盖Sentinel1影像3幅，如图5所示。本次讨论了AA037～AI139G号桩间的地表形变量，即中间条带重叠区域，宽度为250 km左右。按照Sentinel1A影像的swath序号将整个研究区域分为3部分，以便讨论地表沉降状态，分别是swath1（AA037～AE018）区域、swath2（AE008～AG107+1G）区域、swath3（AG082～AI139G）区域，3部分存在重叠区域。

图5 影像覆盖区域图

本文采用PS-INSAR算法获得的成果是离散点的卫星视线方向的地表形变量，为csv格式，包含经度、纬度、变化量等信息（本文中统计的所有变化量值均为视线方向上的地表形变量）。本项目采用Kriging插值方法，估算空间上任一点的变化量。本次统计3个区域2018—2019年的平均地表形变量和累计地表形变量成果，见表7。

表7 2018—2019年的平均地表形变量和累计地表形变量统计

2018—2019年swath1范围内的整体地表形变速率为6.06 mm/a，两年累计形变量为12.11 mm，地表不稳定，形变幅度较大。两年来swath2范围内的整体地表形变速率为0.47 mm/a，累计形变量为0.95 mm。该区域内整体地表表现稳定，但小部分区域地表形变量超过5 mm，如AF052～AF058号桩和AG031～AG041+2号桩区间，地表表现为沉降趋势，变化速率均为6～8 mm/a。2018—2019年swath3范围内的整体地表形变速度为-1.01 mm/a，呈现出地表下沉。两年累计形变量为-2.02 mm，地表基本稳定，形变幅度较小。而局部小区域的地表形变量稍大，AH064～AH108+2G号桩 AH260+5G～AH265+11G号桩区间，地表沉降速度均为-8～-5 mm/a。

2.2.1 地表形变时间分布

以6个月为时间单位，分别统计2018—2019年期间的地表形变量。西东走向swath1区域和swath2区域地表情况均表现为西部抬升、东部稳定的状态，且西部抬升速度在逐渐增加。swath3区域4个时间段的地表变化量为-5～5 mm，时空变化均不明显。在swath1、swath2和swath3区域的PS点高密集区选择3个随机点，分别统计了2018年1月到2019年12月的时序地表累计形变量，如图6～图9所示，大部分时间段的地表形变较小，在-5～5 mm之间。

图6 swath1区域地表平均形变量和累计形变量拟合图

图7 swath2区域地表平均形变量和累计形变量拟合图

图8 swath3区域地表平均形变量和累计形变量拟合图

图9 2018—2019年3个区域内随机点的时序地表形变量

2.2.2 管道中线桩位置地表年变化率分析

INSAR测量数据表明，管道沿线中线桩位置处的地表年平均形变速度差异明显（见图10）。AA037～AI139G号桩间共2 643个桩点，其中，形变速度在[-5，5]区间的桩点有2 054个，变化较慢，占77.71%。地表变化较快的桩集中在AB046～AC077段，最大年形变量超过15mm，因此将该区域列为重点排查区段。

图10 管道中线桩位置地表年变化率

2.3 基于指标法的半定量风险评价的案例

2.3.1 半定量风险评价

通过分析管道横坡段遥感影像图（见图11）、现场照片及管道相关数据（中线、埋深、横坡特征），获得影响管道地质灾害易发性、管道易损性的各个因素相关指标。某管道横坡段遥感影像特征：绿色、灰绿色色调，色调较均一，明度中等；地形起伏，植被茂密，中低山地貌类型，山体呈单斜状、条带状、块状地形，地表侵蚀中等。通过分析遥感影像及现场照片，得知作业带植被覆盖率低，现场工程活动主要为管道施工开挖堆载。根据现场调查照片及资料，判定管道埋深范围内的地层岩性为变质砂岩。

图11 某管道横坡敷设段多期遥感影像对比图

通过分析遥感影像图，并结合管道中心线数据，经过比对确定该处管道埋设于填方区，回填土体均以风化岩碎块石为主，未经压实处理，且坡面及管廊带内植被稀疏，降雨及地表水下渗等均会导致坡体自重增加和强度降低，该位置附近没有截排水和挡墙措施，汛期临时应急防护措施“钢桩+聚酯袋挡墙”已部分失效。按照本文第1.3节评价方法对地质灾害易发性、管道易损性的各个因素进行打分，并根据各自权重计算，计算易发性、易损性系数K，据实际调查的各因素发育状况，该管道横坡敷设段不稳定边坡段管道地质灾害易发性系数为27.00（B级），管道地质灾害易损性系数为30.00（3级），然后根据油气管道地质灾害危害性等级，综合确定此管道横坡敷设段不稳定边坡危险性等级为高（3B），风险评价结果见表8。

表8 基于指标评分法的某管道横坡敷设段风险评价结果

2.3.2 风险控制措施

在上述现场地面调查与识别的基础上，考虑管道沿线横坡隐患点的易发性、易损性和失效后果，采用定性和半定量风险评价方法进行了评价，确定上述某管道横坡段为高风险，该风险等级为不可接受风险。风险控制措施如下：第一，对土体移动、防护结构以及管道本体开展全方位的监测；第二，立即开展勘察、测量和评价分析工作；第三，采用临时应急支挡结构+截排水+坡面防护的方案；第四，开展管道改线和工程治理措施的经济、社会、环境效益对比分析，以确定永久治理方案。