陳國(guó)輝，吳 森，潘國(guó)耀

(四川省地質(zhì)工程勘察院, 四川 成都 610072)

0 引言

中國(guó)石油西南管道公司所轄管道途徑滇、黔、桂、川、渝、陜、甘、寧7省1市，是我國(guó)油氣輸送工程的重要組成部分，為確保西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的能源供應(yīng)發(fā)揮了巨大的作用。轄區(qū)內(nèi)管道穿越的滇、黔、陜、甘、寧與四川的東北部等，大部份地區(qū)處于歐亞板塊與印度板塊強(qiáng)烈碰撞、擠壓的地槽區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，沿線有一系列深大斷裂和次生斷裂。區(qū)內(nèi)山高谷深，河流與山脈相間排列，管道蜿蜒于大山大河之間。管道沿線地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，滑坡、崩塌、泥石流、水毀等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，管道面臨地質(zhì)災(zāi)害的危害風(fēng)險(xiǎn)大[1]。

本文以管道沿線的河(溝)道水毀為例，選取其中典型的119處河(溝)道水毀災(zāi)害點(diǎn)作為樣本點(diǎn)，基于貢獻(xiàn)率模型對(duì)河(溝)道水毀的影響因子的敏感性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最終在敏感性中等、敏感性高的因子中篩選部分因子作為管道河(溝)道水毀災(zāi)害的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子。

1 河(溝)道水毀的發(fā)育及危害

管道沿線發(fā)育的河(溝)道水毀災(zāi)害是研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)災(zāi)種。河(溝)道水毀在各條管道沿線均有不同程度的發(fā)育，其中以蘭成渝成品油管道沿線發(fā)育數(shù)量最多，成災(zāi)規(guī)模以一般水毀為主(影響管道長(zhǎng)度≤100 m)，部分段發(fā)育大型水毀(影響管道長(zhǎng)度>100 m)，分散性較強(qiáng)，發(fā)育分布不均衡[1]。

河(溝)道水毀主要發(fā)育在穿越河溝、順河溝敷設(shè)段的河溝床及岸坡地帶。受地表水(洪水)的沖蝕、侵蝕作用影響，根據(jù)破壞機(jī)理的不同，形式主要表現(xiàn)為河床下切、堤岸坍塌和水工保護(hù)設(shè)施破壞等，其中又以堤岸坍塌(圖1)、河床下切(圖2)危害最為嚴(yán)重。

圖1 堤岸坍塌型的河(溝)道水毀Fig.1 The bank-collapse type of washout hazard

河(溝)道水毀對(duì)管道的危害表現(xiàn)形式主要有露管、懸管、漂管，可能影響管道的正常運(yùn)營(yíng)，嚴(yán)重時(shí)可能造成管道破損，導(dǎo)致油、氣泄漏。

圖2 河床下切型河(溝)道水毀Fig.2 The riverbed-incised type of washout hazard

2 河(溝)道水毀的影響因素分析

管道沿線河(溝)道水毀災(zāi)害的形成受內(nèi)因和外因兩方面的條件控制，內(nèi)因是河(溝)道水毀形成的物質(zhì)基礎(chǔ)(地形地貌、地質(zhì)環(huán)境等)，外因是誘發(fā)河(溝)道水毀形成的外在條件(降水、人類工程活動(dòng)等)。

2.1 內(nèi)部因素

2.1.1地形地貌因素

河(溝)道水毀主要是河、溝岸或河、溝底在水流作用下沖刷掏蝕、下切而造成的河(溝)岸坍塌或河(溝)底侵蝕的現(xiàn)象，導(dǎo)致管道淺埋、露管、懸管或漂管[2]。河(溝)道水毀主要由水力作用引起，水力作用的強(qiáng)弱主要取決于地形條件(主要包括岸坡類型、岸坡坡度、河溝縱坡降)。當(dāng)處于特定的河(溝)道部位，同時(shí)具備適當(dāng)?shù)牡匦螚l件，就有可能發(fā)生水毀災(zāi)害。對(duì)于橫穿河流溝谷的管道，主要遭受河(溝)的沖刷下切作用，同等條件下，當(dāng)河(溝)道縱坡降越大，水流速度越快，就越利于河(溝)道的下切；沿河、溝岸敷設(shè)的管道；凹岸坡部位的破壞形式主要表現(xiàn)為淘刷坍岸，對(duì)管道影響大；凸岸坡部位的破壞形式主要表現(xiàn)為淤積，故對(duì)管道影響小[2]。另外，河岸坡度越大，則越利于淘刷坍岸。

例如蘭成原油管道清江河2#水毀，該災(zāi)害位于劍閣縣桅桿村清江河河邊，管道處于凹岸區(qū)，受暴雨和清江河發(fā)洪水影響，河岸沖刷加劇，最終導(dǎo)致坍岸，造成兩段管道懸管，其中一處光纜被沖斷(圖3)。

圖3 蘭成原油管道清江河2#水毀Fig.3 Qingshuihe 2# washout hazard of Lanzhou-Chengdu crude oil pipeline

2.1.2地質(zhì)環(huán)境條件

地質(zhì)環(huán)境條件是河(溝)道水毀形成的重要內(nèi)在因素[3]，主要包括巖土類型、土體狀態(tài)(巖土體密實(shí)度、土體塑性狀態(tài))、河(溝)岸植被覆蓋等。

(1)巖土類型是河(溝)道水毀形成的至關(guān)重要的因素。不同巖土類型產(chǎn)生水毀的難易程度較大，在相同條件下，土體相對(duì)于巖體更容易導(dǎo)致水毀形成；土體中的細(xì)粒土比塊、碎石土等粗粒土的內(nèi)摩擦角較小，更容易遭受水流掏蝕、沖刷。

(2)巖土體密實(shí)度也是導(dǎo)致水毀形成的主要因素。結(jié)構(gòu)松散的巖土體往往物理力學(xué)性質(zhì)較差，更容易被地表水掏蝕、沖刷。

(3)植被和土地利用類型也影響著水毀的發(fā)生，一般裸地地區(qū)缺乏植被的保護(hù)，水土流失嚴(yán)重，更容易導(dǎo)致災(zāi)害的發(fā)生[2,4]。

圖4 蘭成原油管道小峽溝水毀Fig.4 Xiaoxiagou washout hazard of Lanzhou-Chengdu crude oil pipeline

例如蘭成原油管道小峽溝水毀(圖4)，該災(zāi)害點(diǎn)位于廣元市朝天區(qū)羊木鎮(zhèn)五星村小峽溝，蘭成原油管道沿溝道縱穿，溝道整體縱坡降120%，溝道內(nèi)主要為管道開挖形成的碎塊石填土，土體結(jié)構(gòu)松散，2013年6月20日暴雨導(dǎo)致該區(qū)管道露管。露管分兩段，上半段與下半段各20 m，共計(jì)40 m，管道被碎石砸傷20余處。

2.2 外部誘發(fā)因素

導(dǎo)致河溝水毀形成的外部因素較多，主要包括洪水位變幅、流量、流速、降水、人類工程活動(dòng)等[2]。

2.2.1流量及流速

流量與流速直接決定水流對(duì)河溝的沖刷、掏蝕的強(qiáng)弱，水流越大，流速越快，對(duì)岸坡及河床的沖刷與下切作用就越強(qiáng)烈[5]。

2.2.2人類工程活動(dòng)

河道人工采砂活動(dòng)、岸坡開挖與堆載、上游修建水庫(kù)等人類工程活動(dòng)都會(huì)誘發(fā)河(溝)道水毀。

例如蘭成、中貴管道火燒溝水毀(圖5)，該災(zāi)害位于甘肅省康縣白楊鄉(xiāng)，蘭成中貴管道在火燒溝內(nèi)敷設(shè)長(zhǎng)度為13.5 km，采用同溝、同隧道敷設(shè)方式。由于河道蛇曲，管道在溝內(nèi)設(shè)置了11座隧道進(jìn)行取直(進(jìn)出洞口多位于溝道凹岸)，管道開挖導(dǎo)致土體松散，同時(shí)隧道開挖形成的棄碴嚴(yán)重侵占現(xiàn)有溝道，有的地方占用了4/5的河道，2013年6月19日晚21時(shí)至次日12時(shí)康縣境內(nèi)遭遇百年不遇特大暴雨，特大暴雨過后，火燒溝內(nèi)山洪爆發(fā)，洪水位急劇上升了4～5 m，由于洪水的沖刷、侵蝕，導(dǎo)致伴行路多處受損，完全沖毀長(zhǎng)度約1 km，局部路基或路面沖毀約10 km。伴行路沖毀后導(dǎo)致2段管道出露懸空，懸空長(zhǎng)度分別為67 m和120 m；另外有9處穿河段管道暴露在河底，暴露的長(zhǎng)度不同，多數(shù)與河底寬度大致相同，長(zhǎng)度不超過10 m；沖刷后河底下切嚴(yán)重，有些是整個(gè)管道暴露，形成短距離懸空，局部防腐層損壞嚴(yán)重。

圖5 蘭成管道、中貴管道火燒溝水毀Fig.5 The Huoshaogou washout hazard of Zhongwei-Guiyang pipeline and Lanzhou-Chengdu pipeline

3 河(溝)道水毀影響因子敏感性分析

3.1 因子的選取

根據(jù)管道沿線河(溝)道水毀的影響因素分析，河(溝)道水毀災(zāi)害受地形地貌、地質(zhì)環(huán)境、結(jié)構(gòu)特征、變形特征、外部誘發(fā)因素等五大因素影響，結(jié)合管道河(溝)道水毀災(zāi)害的實(shí)際特點(diǎn)，從中選取12個(gè)評(píng)價(jià)因子(岸坡類型(凹岸、凸岸、直岸)、坡高、河岸坡度、流域面積、河(溝)縱坡降、巖土類型、河岸植被覆蓋率、河溝道變形、土體狀態(tài)(巖土體密實(shí)度、土體塑性狀態(tài))、洪水位變幅、流速、人類工程活動(dòng))[6-7]作為備選指標(biāo)因子。

3.2 樣本的選取與統(tǒng)計(jì)

3.2.1樣本的選取

選取119處典型河(溝)道水毀災(zāi)害點(diǎn)作為樣本點(diǎn)，用于災(zāi)害的影響因子敏感性分析。選取的119個(gè)樣本點(diǎn)橫跨西南管道5條管道穿越區(qū)7省1市所有地貌單元，具有良好的代表性。

3.2.2樣本的統(tǒng)計(jì)

各因子根據(jù)其對(duì)河(溝)道水毀災(zāi)害發(fā)生的影響程度，按表1對(duì)其貢獻(xiàn)進(jìn)行賦值[1]。

表1 貢獻(xiàn)賦值參考表

119個(gè)樣本點(diǎn)各因子按表1分別賦值后統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 河(溝)道水毀樣本貢獻(xiàn)賦分統(tǒng)計(jì)表

3.3 敏感性分析

3.3.1因子間敏感性分析

為了客觀的評(píng)價(jià)因子的敏感性，采用貢獻(xiàn)率模型對(duì)管道沿線河(溝)道災(zāi)害影響因子的敏感性進(jìn)行分析，貢獻(xiàn)率模型是指利用每個(gè)評(píng)價(jià)因子的貢獻(xiàn)值來(lái)反映該因子對(duì)災(zāi)害的貢獻(xiàn)情況，然后通過歸一化處理，將貢獻(xiàn)值轉(zhuǎn)換為敏感性值，最終通過歸一化的敏感性值大小表示因子間的敏感性。

該模型的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受地域限制，能客觀地反映出各因子的敏感性大小。該模型是通過統(tǒng)計(jì)分析已發(fā)生119處河(溝)道水毀災(zāi)害對(duì)各因子的貢獻(xiàn)情況，反映出因子的敏感性大小。貢獻(xiàn)率模型如下[8-9]：

(1)

(2)

式中：rij——第j樣本的第i個(gè)因子的分值；

n——災(zāi)害樣本的個(gè)數(shù)，這里取119；

ri——第i個(gè)因子的貢獻(xiàn)總分；

m——地災(zāi)影響因子的個(gè)數(shù)，這里取12；

Si——各因子的敏感性值。

根據(jù)貢獻(xiàn)率模型可以求取各因子的敏感性值，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 河(溝)道水毀影響因子的敏感性值統(tǒng)計(jì)表

3.3.2單因子敏感性分析

在不同地貌單元，不同地質(zhì)環(huán)境條件下，各因子內(nèi)部的敏感性大小是否收斂，就成了其是否能作為評(píng)價(jià)因子的關(guān)鍵。因此還需要對(duì)各因子的內(nèi)部敏感性進(jìn)行分析，分析因子的收斂性，這里以洪水位變幅為例介紹。

通過洪水位變幅對(duì)119個(gè)樣本點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析顯示(表4)，在119個(gè)災(zāi)害點(diǎn)樣本中，有108個(gè)為高貢獻(xiàn)，占總數(shù)的91%；中等貢獻(xiàn)9個(gè)；低貢獻(xiàn)2個(gè)。

分析顯示洪水位變幅對(duì)于河(溝)道水毀的影響敏感性高，通過折線圖可以看出(圖6)，樣本點(diǎn)主要收斂在高貢獻(xiàn)中，因此洪水位變幅(流量)在河(溝)道水毀災(zāi)害中占據(jù)主控地位，是不可或缺的評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過對(duì)各因子內(nèi)部敏感性分析，12個(gè)備選因子均具有較好的收斂性。

表4 洪水位變幅因子貢獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)

圖6 洪水位變幅因子貢獻(xiàn)分析Fig.6 The contribution analysis of flood level fluctuation factors

4 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

按照評(píng)價(jià)因子敏感性大小，將影響因子劃分為高敏感因子、中等敏感因子、低敏感因子[10-11]，劃分標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)果參見表5。

低敏感因子在河(溝)道水毀災(zāi)害中占據(jù)極其次要地位，為了便于評(píng)價(jià)，一般不選作河(溝)道水毀災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于野外調(diào)查中，某些因子狀態(tài)是不可基于調(diào)查手段獲取的，鑒于此，這里將高、中等敏感因子中不可通過野外調(diào)查獲取的因子剔除，最終保留洪水位變幅、巖土類型、土體狀態(tài)、岸坡類型、河溝縱坡降、岸坡與河溝變形、河岸坡度7個(gè)因子構(gòu)建單體管道河(溝)道水毀災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖7)。

表5 影響因子敏感性分級(jí)

圖7 管道河(溝)道水毀災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.7 The assessment index system of washout hazard of pipeline across-river

5 結(jié)論

(1)貢獻(xiàn)率模型能客觀地分析管道沿線河(溝)道水毀災(zāi)害影響因子的敏感性，該模型的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受地域限制，能客觀地反映出各因子的敏感性大小。

(2)對(duì)因子敏感性進(jìn)行排序，最終保留洪水位變幅、巖土類型、土體狀態(tài)、岸坡類型、河溝縱坡降、河溝道變形、河岸坡度7個(gè)因子作為管道河(溝)道水毀危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)因子。

(3)受資料限制，本次僅選取管道沿線119處典型河(溝)道水毀災(zāi)害作為樣本點(diǎn)，樣本數(shù)量不足可能會(huì)造成分析的誤差，下一步應(yīng)增加樣本量，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證與改進(jìn)。