胡晶國 王曉特 許春青

(中國市政工程東北設(shè)計研究總院有限公司 長春130021)

引言

市政管線包括城市范圍內(nèi)的給水、排水、燃氣、熱力、電力、通信、廣播電視、工業(yè)等管線，是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和生命線。伴隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市規(guī)模的擴大，市政管線系統(tǒng)越來越龐大和復(fù)雜，加之市政管線建設(shè)規(guī)模不足、管理水平不高等問題凸顯，一些城市相繼發(fā)生大雨內(nèi)澇、管線泄露爆管、路面塌陷等事故，嚴重影響了人民群眾的生命財產(chǎn)安全和城市的運行秩序。

目前市政管網(wǎng)和管線的風(fēng)險評估方法，是建立在指標(biāo)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上的。采用的模型主要包括指標(biāo)計算模型、可靠性分析模型、劣化分析模型、脆弱性分析模型、模糊綜合評估模型和智能訓(xùn)練模型等，由于選取的評估指標(biāo)不同，導(dǎo)致具體評估準(zhǔn)則也不完全一致，最后缺乏統(tǒng)一的評估標(biāo)準(zhǔn)。為此本文結(jié)合管線的實際情況，提出了半定量的全壽命周期影響因素風(fēng)險評估模型和定量的基于管道設(shè)計理論的風(fēng)險評估模型，試圖達到市政管線風(fēng)險評估技術(shù)的簡單實用、方便操作、容易接受的目的。

1 風(fēng)險評估方法的選擇

風(fēng)險評估是指通過識別風(fēng)險，分析風(fēng)險發(fā)生的概率和可能產(chǎn)生的后果，確定風(fēng)險級別、決定哪些風(fēng)險需要控制及如何控制的過程，包括風(fēng)險識別、風(fēng)險分析和風(fēng)險評價三個階段。目前，用于市政管線風(fēng)險評估的方法有以下四種類型。

1.1 定性風(fēng)險評估方法

當(dāng)完全憑借某些指標(biāo)和數(shù)據(jù)而無法判斷出管線變形風(fēng)險時，可應(yīng)用定性風(fēng)險評估方法。由于受到知識水平制約，使用主觀判斷、經(jīng)驗、直覺以及其他一些不可量化資源等要素，會造成評估結(jié)果的主觀性，一般不推薦采用。定性風(fēng)險評估包括專家打分法、安全檢查表法等。

1.2 半定量風(fēng)險評估方法

確定潛在的影響管線變形因素，并賦予各個因素的分值，然后對管線進行風(fēng)險評估而得到的風(fēng)險等級就是半定量風(fēng)險評估的結(jié)果。其評估的準(zhǔn)確性取決于風(fēng)險因素所起作用與計算權(quán)重的一致性。半定量風(fēng)險評估包括肯特法、風(fēng)險矩陣法、目標(biāo)分解法等。對于既有管線資料的不完全準(zhǔn)確性和部分缺失情況，采用該方法能夠較好地反映既有管線的實際情況。

1.3 定量風(fēng)險評估方法

當(dāng)借助某些指標(biāo)和數(shù)據(jù)能完全判斷出管線變形風(fēng)險的時候，應(yīng)采用定量風(fēng)險評估方法。對于管線的滲漏和爆管事故，其產(chǎn)生的原因是有爭議的，因此評估結(jié)果會帶有模糊的觀點。定量評估包括蒙特卡洛模擬法、模糊綜合評價法等。詳盡的定量風(fēng)險評估方法因其評估結(jié)果可靠性高，常用于市政管線關(guān)鍵部位的風(fēng)險評估。

1.4 人工智能法

利用已經(jīng)發(fā)生的滲漏、爆管事件，在原有管線上通過計算機學(xué)習(xí)，進行模擬、延伸和擴展，最后訓(xùn)練成可以自動評估原有管線或類似管線風(fēng)險的方法。其評估結(jié)果取決于已發(fā)生事件的普遍性。人工智能評估包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、深度學(xué)習(xí)法、隨機森林法等。該方法是一種發(fā)展趨勢，但目前尚不成熟，本文不做討論。

2 風(fēng)險評估流程與模型的確定

2.1 風(fēng)險評估流程

在具體的市政管線風(fēng)險評估過程中，為了提高管線變形風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性，應(yīng)在原有竣工和維護資料基礎(chǔ)上，增加管線周圍水土的檢測報告。其評估流程見圖1。

圖1 市政管線變形風(fēng)險評估流程Fig.1 Deformation risk assessment process of municipal pipelines

2.2 半定量風(fēng)險評估

評估模型中的影響因素具有獨立性、危害性、相關(guān)性、主觀性，每個因素還被賦予不同的權(quán)重。其中獨立性是指分別考慮影響風(fēng)險進程的每一個風(fēng)險因素，即每一個風(fēng)險因素能獨立對風(fēng)險進程產(chǎn)生影響。危害性是指某一個影響因素在風(fēng)險評估中起最終絕對作用，即由這個影響因素可以直接判定管線的風(fēng)險處于最不利的等級。相關(guān)性表示一個管段的得分值與其他管段相比較而言。主觀性反映標(biāo)準(zhǔn)評分表是建立在市政管線行業(yè)經(jīng)驗基礎(chǔ)上的專家意見和專業(yè)管線敷設(shè)安裝經(jīng)驗，也就是反映出該影響因素的權(quán)重。權(quán)重是每個影響因素可能擁有的最大分值，也就是該影響因素的相對重要性。結(jié)合研究成果和市政管線工程全壽命周期設(shè)計理念，建立半定量風(fēng)險評估模型具體考慮以下四方面內(nèi)容。每方面內(nèi)容采用百分制，評估得分100 分時可能性因素不產(chǎn)生風(fēng)險。

1.規(guī)劃可研階段的可能變形因素(評估得分計為S1)：

管線路由的確定，包括埋地、入廊、架空的敷設(shè)方式，穿越河流和道路的情況，以及管線周圍的土質(zhì)類別。采用的施工方式，如開挖、頂管和拖拉管。還有選擇的管材種類。

2.設(shè)計審查階段的可能變形因素(評估得分計為S2)：

對于直埋管線，周圍土體的換填要求，包括種類、密實度和形成反力的能力。以及管線豎向變形的計算結(jié)果分析、管內(nèi)壓力的高低和變化情況。

3.施工驗收階段的可能變形因素(評估得分計為S3)：

對于直埋管線周圍的回填土，其材料和施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計要求并達到驗收規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。

4.運行維護階段的可能變形因素(評估得分計為S4)：

管線兩側(cè)發(fā)生影響其變形的開挖，或上部荷載超過了原設(shè)計的規(guī)定值。

半定量風(fēng)險評估模型如下：

式中：R為變形風(fēng)險評估得分；C為變形后果得分，分值范圍為0～150 分；S為變形可能性因素得分。

2.3 定量風(fēng)險評估模型

市政管線變形風(fēng)險評估的目的，是確保管線在設(shè)計使用年限內(nèi)不發(fā)生或少發(fā)生滲漏、爆管、地面塌陷等事故。因此借助于國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的計算公式，把外界對管線的作用效應(yīng)與管線結(jié)構(gòu)本身的抵抗能力加以比較，并作為市政管線變形的一種定量風(fēng)險評估模型。即核算地面荷載、管內(nèi)負壓和管周圍水土對管線共同作用產(chǎn)生的豎向變形值，再考慮管線的泄漏量，然后確定管線的風(fēng)險程度。根據(jù)研究成果和國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，建立的定量風(fēng)險評估模型分柔性管道和剛性管道。

1.柔性管道評估內(nèi)容

柔性管道的連接分為柔性接口和整體連接兩種形式。其中柔性接口計算環(huán)向應(yīng)力、環(huán)向穩(wěn)定性、抗滑穩(wěn)定性、豎向變形和接口變形；整體連接計算環(huán)向應(yīng)力、縱向應(yīng)力、環(huán)向與縱向的組合折算應(yīng)力、環(huán)向穩(wěn)定性、豎向變形和縱向變形。根據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50332-2002)中的變形與環(huán)向應(yīng)力計算公式，推導(dǎo)出鋼管的豎向變形與環(huán)向應(yīng)力關(guān)系如下：

其中：

式中：σθ為管壁截面環(huán)向應(yīng)力；φ為彎矩折減系數(shù)；γG，sv為豎向土壓力的分項系數(shù)；kvm為豎向土壓力作用下柔性管管壁的最大彎矩系數(shù)；wd，max為管道的最大豎向變形；Dl為變形滯后效應(yīng)系數(shù)；kd為管道變形系數(shù)；Ep為管材彈性模量；IP為管壁的單位長度截面慣性矩Ed為管側(cè)土的綜合變形模量；r0為圓形管道的計算半徑；t0為管壁厚度。

為了研究和比較，給出一組定值參數(shù)：DL＝1，kd＝0.096，φ＝1，γG，sv＝1.27，kmv＝0.157，Ep＝206000MPa，Ed＝5MPa，則k值與管線直徑和壁厚的關(guān)系見表1。

表1 給定參數(shù)值下不同規(guī)格管線的系數(shù)k 值Tab.1 Coefficient k of different specification pipelines under given parameter values

通過簡化后的公式(5)，計算出管線屈服時對應(yīng)的豎向變形量見表2。

表2 給定參數(shù)值下不同管線屈服時的豎向變形量Tab.2 Vertical deformation of different pipelines when yielding under given parameter values

由表2可知，隨著管線直徑的增加，屈服時的豎向變形量增大；在小直徑管線下，豎向變形量不大時環(huán)向應(yīng)力就達到屈服狀態(tài)，其破壞由強度控制；而大直徑管線，變形和強度都有可能在其破壞時起控制作用。

鋼管柔性管線管環(huán)剛度與管側(cè)土彈性抗力的關(guān)系見表3。管側(cè)土的綜合彈性模量Ed＝7MPa。

表3 鋼管管環(huán)剛度與管側(cè)土的彈性抗力Tab.3 Pipe ring stiffness of steel pipe and elastic resistance of pipe side soil

由表3可知，隨著管徑的增大，管環(huán)剛度變小，管環(huán)剛度所占比重越來越小，管側(cè)土彈性抗力比重增大。

2.剛性管道評估內(nèi)容

剛性管線的連接包括柔性接口和剛性接口兩種形式。對于柔性接口應(yīng)計算環(huán)向應(yīng)力、抗滑穩(wěn)定性、環(huán)向開裂度或裂縫寬度、接口變形；對于設(shè)有剛度較大壓環(huán)約束的剛性接口管道應(yīng)計算環(huán)向應(yīng)力、縱向應(yīng)力、環(huán)向開裂度和裂縫寬度、縱向開裂度和裂縫寬度。剛性管線因其自身的剛度大，不計算變形且不考慮管側(cè)土的作用。下面以混凝土管線為例，說明剛性管線管環(huán)剛度與管側(cè)土彈性抗力的關(guān)系，見表4。其中管側(cè)土的綜合彈性模量Ed＝7MPa。

表4 混凝土管管環(huán)剛度與管側(cè)土的彈性抗力Tab.4 Pipe ring stiffness of concrete pipe and elastic resistance of pipe side soil

由表4可知，無論是小直徑還是大直徑混凝土管線，管環(huán)剛度都要遠大于管側(cè)土的彈性抗力。故計算鋼筋混凝土管線豎向變形時，可忽略管側(cè)土彈性抗力的影響。

為了研究混凝土剛性管線豎向變形與其裂縫寬度值的關(guān)系，給出一組產(chǎn)生豎向變形的荷載，分別計算在這組豎向荷載作用下的豎向變形量與最大裂縫寬度值，找出不同裂縫寬度所對應(yīng)的豎向變形量。

以鋼筋混凝土管線 D500×50 為算例，C30混凝土，保護層厚度c＝15mm，配筋φ8@200，基礎(chǔ)支承角 2α＝90°，對比結(jié)果見表5。

表5 混凝土管線裂縫與豎向變形的關(guān)系Tab.5 Relationship between cracks in concrete pipelines and their vertical deformation

由表5可知，對鋼筋混凝土管線，裂縫寬度達到限制0.2mm 時，豎向變形量的相對值為0.000279D0，豎向變形很小，這是由于鋼筋混凝土管線的管環(huán)剛度遠大于柔性管線的管環(huán)剛度。所以鋼筋混凝土管線不必計算豎向變形量。

3.定量風(fēng)險評估模型

通過上面的分析，在市政管線風(fēng)險評估中，鋼管柔性管道可以定量計算環(huán)向變形，剛性混凝土管道可以定量計算環(huán)向裂縫寬度。因此依據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50332-2002)等標(biāo)準(zhǔn)，以管線泄漏量為風(fēng)險后果，結(jié)合管道變形或裂縫帶來的安全性降低，以及管側(cè)土和管線薄弱段的實際情況，建立定量風(fēng)險評估模型如下式：

式中：R為管線風(fēng)險評估計算值；K1為管道變形或裂縫影響系數(shù)；K2為管側(cè)土的類別影響系數(shù)；K3為管線薄弱段增強系數(shù)；Q為管線泄漏量。

2.4 不同風(fēng)險評估適用范圍

半定量中的可能性因素是由專家主觀賦值，特點是可以直接采用已有的資料進行，既可以用于管線的初步風(fēng)險評估，掌握管線的運行情況，也可以為管線資產(chǎn)評估提供依據(jù)。定量評估的可能性因素影響程度是通過計算得到的，需要檢測等手段確定，主要用于管線的維護計劃，以及采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

3 管線變形引起的風(fēng)險

3.1 管節(jié)的破壞

1.變形引起的破壞

由上面計算結(jié)果可以看出，不同管徑的豎向變形對應(yīng)不同的屈服強度，即使在允許的豎向變形范圍內(nèi)，已經(jīng)達到了屈服狀態(tài)而破壞。即小管徑管線由承載能力極限狀態(tài)控制。

2.開裂引起的破壞

混凝土類剛性管的正常使用極限狀態(tài)由開裂度或裂縫寬度控制，當(dāng)管線超過規(guī)定值時會引起鋼筋的銹蝕，通過積累可能造成滲漏或坍塌事故。

3.2 柔性接口的滲漏

當(dāng)管線處于受壓狀態(tài)時，接口處管節(jié)兩端剛度不同，其豎向變形可能不一致，會在接口面產(chǎn)生縫隙，造成接口處止水材料受力不均，嚴重時出現(xiàn)滲漏。

3.3 剛性接口的破壞

管線與構(gòu)筑物連接處，以及管節(jié)與管節(jié)等連接處的約束較大，使管線的計算內(nèi)容發(fā)生變化，可能會出現(xiàn)附加破壞，造成滲漏或爆管。

4 風(fēng)險等級與預(yù)防措施

風(fēng)險評估的最終目的是為政府職能部門或管線運行單位提供一個風(fēng)險管理方法，即根據(jù)風(fēng)險評估等級采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

4.1 風(fēng)險等級的劃分

依據(jù)半定量的全壽命周期影響因素風(fēng)險評估模型和定量的基于管道設(shè)計理論的風(fēng)險評估模型的評估結(jié)果，市政管線的風(fēng)險評估等級可分為無風(fēng)險、低風(fēng)險、中等風(fēng)險、較高風(fēng)險和高風(fēng)險5 級。

其中由半定量風(fēng)險評估得分劃分的風(fēng)險等級如下：

R∈[0，750)時，微風(fēng)險；

R∈[750，3750)時，低風(fēng)險；

R∈[3750，7500)時，中等風(fēng)險；

R∈[7500，11250)時，較高風(fēng)險；

R∈[11250，15000)時，高風(fēng)險。

由定量風(fēng)險評估計算值劃分的風(fēng)險等級如下：

R＜0.05 時，微風(fēng)險；

0.05≤R＜0.25 時，低風(fēng)險；

0.25≤R＜0.60 時，中等風(fēng)險；

0.60≤R＜1.00 時，較高風(fēng)險；

R≥1.00 時，高風(fēng)險。

4.2 風(fēng)險預(yù)防措施

市政管線風(fēng)險評估的目的是采取安全可靠和經(jīng)濟合理的措施，預(yù)防風(fēng)險的發(fā)生。對應(yīng)由微風(fēng)險到高風(fēng)險等級的狀態(tài)或預(yù)防措施分別為正常運行、定期檢測、在線監(jiān)測、預(yù)報和預(yù)警。對于中等風(fēng)險、較高風(fēng)險和高風(fēng)險，需要分析其風(fēng)險可能性的主要來源，給出再評估的周期。

4.3 變形風(fēng)險的再評估

市政管線評估后未采取預(yù)防措施，或市政管線處于變形中等風(fēng)險、較高風(fēng)險和高風(fēng)險狀態(tài)，此時進行再評估是降低風(fēng)險發(fā)生的有效措施，也可以確保管線的安全運行。

5 結(jié)論

1.市政管線變形風(fēng)險評估作為管道規(guī)劃、設(shè)計、施工和維護的延伸或者后評估，可以及時發(fā)現(xiàn)其缺陷和不足，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

2.對于柔性管線的變形，管側(cè)土的綜合變形模量所起的作用隨著管線直徑的增加越來越明顯。管線變形的風(fēng)險將隨著管側(cè)土回填質(zhì)量的提高而降低。

3.混凝土剛性管線的裂縫寬度隨著變形的增加而增大，其風(fēng)險不斷提高。

4.市政管線變形風(fēng)險評估導(dǎo)則的編制，補充和完善了現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)體系。