林 冬，張錦濤

（1.中國(guó)石油西南油氣田安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，成都610041；2.中國(guó)石油西南油氣田公司，成都610041）

油氣管道滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

林 冬1，張錦濤2

（1.中國(guó)石油西南油氣田安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，成都610041；2.中國(guó)石油西南油氣田公司，成都610041）

為了對(duì)油氣輸送管道滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，從地形地貌、坡體特征、管道敷設(shè)特點(diǎn)、其他誘發(fā)因素、管道保護(hù)狀況等幾個(gè)方面入手，利用層次分析法對(duì)各因素重要性進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，地形地貌一級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)影響最大，二級(jí)指標(biāo)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響程度依次為地形坡度、地面裂縫等跡象、坡頂堆渣與坡腳開挖。在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了包含一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)及其權(quán)重的油氣管道滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

油氣管道；滑坡；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；層次分析法

Abstract:In order to accurately evaluate the disaster risk of oil and gas pipeline landslide,it used analytic hierarchy process to analyze the importance of various factors from several aspects,such as landform,slope characteristics,pipe laying features,other factors,pipeline protection etc.The analysis results showed that the effect of the first level indexes of landform to risk was the greatest,the effect degree of the second level indexes respectively were the terrain slope,ground cracks and other signs,top slag and slope toe excavation.Based on the analysis of results,the risk assessment index system of oil and gas pipeline landslide disaster was established,which included two level indexes and the weight.

Key words:oil and gas pipeline;landslide;risk assessment;analytic hierarchy process

油氣管道是目前最重要的能源運(yùn)輸方式之一，具有輸送、存儲(chǔ)石油和天然氣、調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力等重要作用，其安全與否直接影響油氣管網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前我國(guó)陸上油氣管道總里程已超過12萬(wàn)km，形成了橫跨東西、縱貫?zāi)媳薄⑦B通海外的油氣管網(wǎng)格局。油氣管道輸送事業(yè)飛快發(fā)展的同時(shí)，陸上埋地管道受地質(zhì)災(zāi)害影響的安全問題也隨之而來[1-3]。管道建設(shè)不可避免地會(huì)通過一些不良地質(zhì)地段，由于降雨、人類工程活動(dòng)等因素觸發(fā)的滑坡時(shí)有發(fā)生，如何現(xiàn)場(chǎng)判斷管道所經(jīng)過地段的滑坡風(fēng)險(xiǎn)程度是管道管理者面臨的一道難題[4-6]。以往的文獻(xiàn)多集中在對(duì)滑坡體本身的研究，將管道和滑坡作為整體綜合研究其風(fēng)險(xiǎn)狀況的文獻(xiàn)相對(duì)較少。因此，針對(duì)油氣管道滑坡災(zāi)害建立一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 油氣管道滑坡的類型

油氣管道滑坡是發(fā)生于管道敷設(shè)段的斜坡土體移動(dòng)現(xiàn)象。判斷滑坡對(duì)油氣管道的影響，不僅要考慮滑坡體本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還需要考慮管道在坡體內(nèi)的敷設(shè)情況。確定一個(gè)管道滑坡的類型，可根據(jù)滑坡體物質(zhì)組成、滑坡規(guī)模、動(dòng)力成因等滑坡特征，以及管道是否通過滑體、管道埋深、走向等敷設(shè)特點(diǎn)進(jìn)行分類，油氣管道滑坡分類如圖1所示[7]。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用中，一個(gè)清晰的分類方式便于管理者準(zhǔn)確描述油氣管道滑坡的類型特點(diǎn)，從而進(jìn)一步開展風(fēng)險(xiǎn)分析。

圖1 油氣管道滑坡分類

2 影響管道滑坡的風(fēng)險(xiǎn)因素

2.1 地形地貌

只有具備一定坡度的斜坡才有土體移動(dòng)的空間，才可能發(fā)展為滑坡。因此，表征地形條件的指標(biāo)―坡體坡度是影響滑坡形成的重要因素。不同的地貌特點(diǎn)滑坡形成的可能性也不相同，高山丘陵、河岸邊坡和高陡黃土塬等地貌相比平原、沙漠等平坦地貌更容易發(fā)生滑坡。

2.2 坡體特征

坡體特征指斜坡體的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、滑體規(guī)模和范圍、坡面植被特征、坡面張拉裂縫情況等因素。組成斜坡的巖體或土體一旦存在破碎和松散，則易形成不穩(wěn)定條件。坡面上的植被如呈現(xiàn)馬刀樹、醉漢林等形態(tài)，則提示斜坡土體存在緩慢移動(dòng)；坡面如存在張拉裂縫等明顯的土體位移，則說明斜坡體已處于滑動(dòng)狀態(tài)。

2.3 管道敷設(shè)特點(diǎn)

管道敷設(shè)特點(diǎn)直接影響管道的受力狀態(tài)，決定管道的承載形式及破壞模式。根據(jù)管道是否通過滑體，可將滑坡分為靠近滑坡前緣、靠近滑坡后緣、位于滑坡側(cè)方等幾類，不同類型具有不同的受力形式[2]。管道埋深的不同關(guān)系到管道是處于滑帶之上還是滑帶之下。滑帶之上的管道受到的滑體下滑的作用力很大，極易產(chǎn)生變形破壞。管道與坡體不同的空間位置也造成了管道不同的受力形式[8]。管道走向與主滑方向垂直（橫穿）時(shí)管體主要承受管徑方向推力，在滑坡邊緣還受到剪切作用；管道走向與主滑方向平行（縱穿）時(shí)滑坡下滑力使管道外壁受到軸向摩擦，在坡頂和坡腳管道兩端分別形成拉、壓作用，在滑坡邊緣處，管道還受到剪切作用；管道走向與主滑方向呈一定夾角（斜穿）時(shí)，管道受力可分解為垂直和平行管道兩個(gè)方向，滑坡體對(duì)管道既有推擠又有拉壓，同時(shí)在滑坡邊緣也存在剪切。

2.4 其他誘發(fā)因素

斜坡在一定的條件下形成可能發(fā)生滑坡的條件，但最終形成滑坡往往需要一定的誘發(fā)因素觸動(dòng)。自然誘發(fā)因素包括降雨、河岸沖刷、地質(zhì)活動(dòng)等，人工誘發(fā)因素主要有坡腳開挖、堆渣、采礦、爆破震動(dòng)、植被破壞等。這些誘發(fā)因素促使滑坡形成的機(jī)制，都是由于外界破壞了原來雖有滑坡形成條件但還保持著力學(xué)平衡的坡體。

2.5 管道保護(hù)狀況

處于滑坡區(qū)域的管道受到來自土體移動(dòng)的影響，容易產(chǎn)生彎曲變形、管壁屈曲、破裂、防腐層剝離等損壞，管道自身的保護(hù)狀況也是考察管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。采取加裝保護(hù)層等防護(hù)措施，可以有效降低管道受滑坡災(zāi)害的影響。

3 基于層次分析法的油氣管道滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 層次分析法的基本理論

層次分析法（analytic hierarchy process，簡(jiǎn)稱AHP）是美國(guó)著名運(yùn)籌學(xué)家T.L.Satty等人在20世紀(jì)70年代提出的一種定性與定量分析相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法。該方法的特點(diǎn)是，在對(duì)復(fù)雜決策問題的本質(zhì)、影響因素以及內(nèi)在聯(lián)系等進(jìn)行深入分析后，構(gòu)建一個(gè)層次結(jié)構(gòu)模型，然后利用較少的定量信息，把決策的思維過程數(shù)學(xué)化，從而為求解多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供一種簡(jiǎn)便的決策方法[9]。其基本原理是，比較n個(gè)因素對(duì)決策目標(biāo)z的影響，對(duì)n個(gè)因素兩兩比較。全部比較結(jié)果用成對(duì)比較矩陣表示，求成對(duì)比較矩陣的最大特征值λmax、相應(yīng)于λmax標(biāo)準(zhǔn)化的特征向量ω（又稱權(quán)重向量）及一致性指標(biāo)CI，根據(jù)CI與隨機(jī)性指標(biāo)CR值之比，對(duì)CI/CR值和權(quán)重向量ω進(jìn)行分析，將分析結(jié)果用于判斷和決策[10]。

層次分析法的基本步驟為：

（1）明確分析目標(biāo)，建立層次結(jié)構(gòu)。在全面分析問題的基礎(chǔ)上，明確分析總目標(biāo)A，確定影響決策目標(biāo)的多個(gè)因素Bi（i=1，2，……，n）及下一層級(jí)的指標(biāo) Ci（i=1，2，……，n）等。 將分析系統(tǒng)分為幾個(gè)等級(jí)的層次，如目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層等，形成因素從屬關(guān)系，建立層次結(jié)構(gòu)模型。

（2）建立判斷矩陣。對(duì)各層元素兩兩比較，根據(jù)1～9及其倒數(shù)的標(biāo)度方法，表示出元素之間的相對(duì)重要性，建立起判斷矩陣。

（3）層次單排序并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。對(duì)應(yīng)于判斷矩陣最大特征根λmax的特征向量，經(jīng)歸一化（使向量中各元素之和等于1）記為W。W的元素為同一層次因素對(duì)于上一層次某因素相對(duì)重要性的排序權(quán)值，這一過程為層次單排序。層次單排序能否確立還需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一致性不好則表示各因素的判斷存在邏輯矛盾。使用式（1）

衡量判斷舉證是否具有 “滿意一致性”，還需引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。RI對(duì)應(yīng)1～9階判斷矩陣分別為0、0、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41和1.45[3]。當(dāng)階數(shù)大于2時(shí)，判斷矩陣的CI與RI之比稱為隨機(jī)一致性比率CR，當(dāng)CR小于0.1則認(rèn)為矩陣具有滿意的一致性，視為通過一致性檢驗(yàn)。

（4）層次總排序。計(jì)算某一層次所有因素對(duì)于最高層（總目標(biāo)）相對(duì)重要性的權(quán)值，稱為層次總排序。排序從最高層次到最低層次逐層進(jìn)行。

3.2 建立層次結(jié)構(gòu)

通過前文所述，油氣管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)影響因素主要有地形地貌、坡體特征、管道敷設(shè)特點(diǎn)、其他誘發(fā)因素、管道保護(hù)狀況幾個(gè)方面。據(jù)此可建立油氣管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。該模型分為目標(biāo)、一級(jí)指標(biāo)、二級(jí)指標(biāo)3個(gè)層次，分別對(duì)應(yīng)了油氣管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的目標(biāo)、5項(xiàng)評(píng)價(jià)一級(jí)指標(biāo)及13項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)。

3.3 建立判斷矩陣并做一致性檢驗(yàn)

建立層次結(jié)構(gòu)模型后，根據(jù)表1所示判斷矩陣標(biāo)度，在各層元素中進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造出比較判斷矩陣，見表2至表7。在判斷矩陣建立的基礎(chǔ)上，為了不致出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，對(duì)各矩陣做一致性檢驗(yàn)，其結(jié)果標(biāo)于各表注釋中。各判斷矩陣隨機(jī)一致性比率CR小于0.1，說明各矩陣所做判斷未出現(xiàn)矛盾結(jié)果。

3.4 層次單排序和總排序

由各判斷矩陣可求得層次單排序?yàn)椋鹤鳛槎攘颗袛嗑仃嚻x一致性的指標(biāo)。CI越大，表明判斷矩陣偏離完全一致性的程度越大，CI越小，表形判斷矩陣的一致性越好。當(dāng)判斷矩陣具有完全一致性時(shí)，CI=0；CI接近于0，表示矩陣具有滿意的一致性；CI越大，矩陣不一致性越嚴(yán)重。

圖2 油氣管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)

表1 判斷矩陣標(biāo)度

表2 判斷矩陣A－B

表3 判斷矩陣B1－C

表4 判斷矩陣B2－C

表5 判斷矩陣B3－C

表6 判斷矩陣B4－C

表7 判斷矩陣B5－C

在圖1結(jié)構(gòu)中，計(jì)算13個(gè)二級(jí)指標(biāo)（C）相對(duì)總目標(biāo)“油氣管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)”的合成權(quán)重即層次總排序，結(jié)果如下：

3.5 油氣管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)及各指標(biāo)權(quán)重，可以建立油氣管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表8。從表8可以看出，在5個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，地形地貌權(quán)重最大，而權(quán)重占比最大的三個(gè)二級(jí)指標(biāo)依次是地形坡度、地面裂縫等跡象、坡頂堆渣與坡腳開挖。

表8 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)及風(fēng)險(xiǎn)防控體系

4 結(jié)束語(yǔ)

評(píng)價(jià)油氣管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)主要可從地形地貌、坡體特征、管道敷設(shè)特點(diǎn)、其他誘發(fā)因素、管道保護(hù)狀況幾個(gè)方面考慮。通過對(duì)其進(jìn)行層次分析可知，地形地貌對(duì)管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)影響最大，影響油氣管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)最重要的三個(gè)二級(jí)指標(biāo)依次是地形坡度、地面裂縫等跡象、坡頂堆渣與坡腳開挖。利用層次分析法建立的油氣管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系能夠指出不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性權(quán)重，便于現(xiàn)場(chǎng)管理人員對(duì)管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行快速評(píng)價(jià)。

[1]馮慶善，陳健峰，艾慕陽(yáng)，等.管道完整性管理在應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害中的應(yīng)用[J].石油學(xué)報(bào)，2010，31（1）：139-143.

[2]蔣仕章，蒲家寧.滑坡地區(qū)埋地鋼質(zhì)管線的風(fēng)險(xiǎn)因素和管理[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2000（3）：6-7.

[3]KOLOSKI J W，MILLER J A.Landslides present risks to buried steel pipelines[J].Pipeline&Gas Journal，1999，226（1）：53-54.

[4]PITTARD M T，EVANS R P，MAYNES R D，et al.Experimental and numerical analysis of soil-pipe interaction[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2004，130（12）：1292-1299.

[5]TRAUTMANN C H，O’ROURKE T D.Lateral force-displacement response of buried pipe[J].Journal of Geotechnical Engineering，1985，111（9）：1077-1092.

[6]MA Q W,WANG C H,KONG J M.Dynamical mechanisms of effects of landslides on long distance oil and gas pipelines[J].Wuhan University Journal of Natural Sciences，2006，11（4）：820-824.

[7]林冬，許可方，黃潤(rùn)秋，等.油氣管道滑坡的分類[J].焊管，2009，32（12）：66-68.

[8]林冬，許可方，黃潤(rùn)秋，等.油氣輸送管道沿線滑坡災(zāi)害的防治[J].焊管，2010，33（9）：57-60．

[9]杜棟.現(xiàn)代綜合評(píng)價(jià)方法與案例精選[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2008．

[10]胡勇志.基于層次分析法的變電站安全風(fēng)險(xiǎn)管理研究[J]．工業(yè)安全與環(huán)保，2011，37（12）：63-64．

Establishment of Risk Assessment Index System for Oil and Gas Pipeline Landslide

LIN Dong1,ZHANG Jintao2
（1.Institute of Safety,Environment Protection and Technical Supervision,Petrochina Southwest Oil and Gas field Company,Chengdu 610041,China;2.Petrochina Southwest Oil and Gas field Company,Chengdu 610041,China）

TE88

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.001

2016-10-18

編輯：黃蔚莉

林 冬（1977—），男，2007年畢業(yè)于四川大學(xué)，工學(xué)博士，高級(jí)工程師/副科長(zhǎng)，主要從事油氣管道檢測(cè)評(píng)價(jià)及完整性管理研究、科研管理工作。