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        基于能量轉(zhuǎn)移模型的豐城電廠坍塌事故演化分析

        2021-05-11 08:53:02張永成吳明慶胡靈芝鐘波濤
        關(guān)鍵詞:能量轉(zhuǎn)移豐城電廠

        張永成, 吳明慶,2, 胡靈芝, 鐘波濤, 楊 柳

        (1. 淮陰工學(xué)院 a. 管理工程學(xué)院; b. 江蘇省智能工廠工程研究中心, 江蘇 淮安 223003; 2. 南京工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 江蘇 南京 211800; 3. 華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 4. 湖北省國土測(cè)繪院, 湖北 武漢 430034)

        建筑業(yè)是危險(xiǎn)性最高的行業(yè)之一,與其他行業(yè)相比,建筑業(yè)具有事故規(guī)模大、概率高、頻率大、危險(xiǎn)源多樣等特點(diǎn)[1]。根據(jù)住建部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),我國近兩年發(fā)生1426起事故,主要事故類型有:基坑坍塌、升降電梯墜落、化學(xué)物爆炸等,建筑施工過程中發(fā)生的死亡傷亡的人數(shù)較多[2]。如:2018年“2·7”廣東佛山軌道交通工程重大透水坍塌事故,造成11人死亡,1人失蹤,8人受傷;2019年“4·25”日河北衡水建筑工地施工升降機(jī)轎廂墜落重大事故,造成11人死亡,2人受傷;此類頻發(fā)的工程事故給社會(huì)發(fā)展和人民生命安全帶來了巨大影響和威脅。

        為開展此類事故控制,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了相關(guān)研究,主要針對(duì)重特大安全事故發(fā)生機(jī)理和防范控制研究,何芳東等[3]基于模板支撐體系防坍塌的理論機(jī)理開展事故規(guī)律研究并提出針對(duì)性措施。徐吉釗等[4]基于能量轉(zhuǎn)移理論并結(jié)合案例研究火災(zāi)致因因素發(fā)現(xiàn)致災(zāi)過程中均伴隨著能量的交換和傳遞。Zhou等[5]通過構(gòu)建事故能量釋放模型和網(wǎng)絡(luò)理論集成框架揭示杭州地鐵坍塌事故的全部復(fù)雜性。可以看出,基于能量理論剖析事故致因因素的文獻(xiàn)較少。事故致因分析是理解重大安全事故發(fā)生的主要方法[6],江西豐城電廠平臺(tái)坍塌事故涉及多參與方多層次承包分包下多層管理特點(diǎn)[7],事故致險(xiǎn)因素復(fù)雜,多風(fēng)險(xiǎn)因素耦合后導(dǎo)致事故發(fā)生[8,9]。

        為此,本文運(yùn)用能量轉(zhuǎn)移模型方法,以江西豐城電廠施工平臺(tái)坍塌特別重大事故為案例,剖析事故的致因因素及其導(dǎo)致事故發(fā)生的過程,從事故中危險(xiǎn)能量轉(zhuǎn)移的視角來理解多線性事故發(fā)生復(fù)雜機(jī)理[10]。期望本研究為重大工程安全管理提供借鑒,防范重大工程事故發(fā)生。

        1 豐城電廠平臺(tái)坍塌事故背景

        江西豐城電廠三期擴(kuò)建工程屬于江西省電力建設(shè)重點(diǎn)工程,總投資額為76.7億元。事發(fā)7#冷卻塔設(shè)計(jì)塔高165 m,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。筒壁施工采用懸掛式腳手架翻模工藝,塔內(nèi)布置1臺(tái)液壓頂升平橋。該塔于2016年4月11日開工建設(shè),至事故發(fā)生時(shí),已澆筑完成第52節(jié)筒壁混凝土,高度為76.7 m,工程總體情況如圖1所示。

        圖1 7#冷卻塔工程總體情況

        豐城電廠平臺(tái)坍塌事故以事故調(diào)查報(bào)告為主要信息來源,事故經(jīng)過包括施工情況和事故情況兩部分如圖2所示。2016年11月24日,早晨6時(shí),7#冷卻塔施工混凝土班組、鋼筋班組先后完成該塔第52節(jié)混凝土澆筑和第53節(jié)鋼筋綁扎作業(yè),離開作業(yè)面。隨后,木工組70人分布在筒壁四周施工平臺(tái)上,拆除第50節(jié)并安裝第53節(jié)模板。此外,與施工平臺(tái)連接的平橋上有3名作業(yè)人員,冷卻塔底部有19名工人正在作業(yè)。早晨7時(shí)33分,7#冷卻塔第50節(jié)筒壁混凝土從后期澆筑完成部位開始沿圓周向兩側(cè)傾塌墜落,施工平臺(tái)及平橋上的作業(yè)人員隨筒壁混凝土及模架體系一起墜落。期間,墜落物砸中平橋附著拉鎖,導(dǎo)致平橋晃動(dòng)、倒塌,事故持續(xù)24 s。

        圖2 豐城電廠平臺(tái)坍塌事故發(fā)生過程

        2 能量轉(zhuǎn)移模型和網(wǎng)絡(luò)理論方法

        事故因果模型或理論被廣泛應(yīng)用于解釋事故過程和分析相應(yīng)的因果因素。典型的事故分析理論有:事故傾向性理論[11]、多米諾骨牌理論[12]、瑞士奶酪模型理論以及社會(huì)技術(shù)因果關(guān)系模型理論[13]。相關(guān)的事故致因模型理論為事故理解與控制提供了有效的理論基礎(chǔ)。其中,Gibson等[14,15]提出了能量轉(zhuǎn)移理論,認(rèn)為安全事故是一種非正常的能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致事故傷害發(fā)生。能量轉(zhuǎn)移理論從物理學(xué)、工程學(xué)與管理學(xué)交叉的視角,討論工程中因能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的事故發(fā)生機(jī)理,從能量轉(zhuǎn)移角度分析事故,改變能量的傳遞方式或者方向就會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生或阻斷(如:基坑坍塌,重力勢(shì)能釋放),事故的發(fā)生往往都是能量控制不好的結(jié)果[16]。

        與傳統(tǒng)的線性事故因果模型相比,能量轉(zhuǎn)移模型能有效地識(shí)別復(fù)雜施工環(huán)境下的安全隱患,分析事故發(fā)生的詳細(xì)過程,該模型將事故視為控制問題,有利于對(duì)事故因果分析和能量傳遞控制。運(yùn)用能量轉(zhuǎn)移模型可以更好地解釋該平臺(tái)坍塌過程中安全隱患的影響。豐城電廠平臺(tái)坍塌事故是一次綜合性事故,多個(gè)不同類型的風(fēng)險(xiǎn)事件之間存在著多重聯(lián)系[5],構(gòu)成了事故過程中的事故網(wǎng)絡(luò)。雖然能量轉(zhuǎn)移模型易于把握事故的本質(zhì)并分析其因果關(guān)系,但仍然無法全面解釋風(fēng)險(xiǎn)事件之間的關(guān)聯(lián)性。為了更好的理解事故的動(dòng)態(tài)過程,網(wǎng)絡(luò)理論方法可用來建立子風(fēng)險(xiǎn)事件之間的網(wǎng)絡(luò)[5],通過計(jì)算其拓?fù)鋮?shù),如頂點(diǎn)的度、聚類系數(shù)等,能有效解釋能量轉(zhuǎn)移節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系?;谀芰哭D(zhuǎn)移模型和網(wǎng)絡(luò)分析框架如圖3,步驟如下:

        步驟1:基于能量轉(zhuǎn)移模型開展能量識(shí)別、能量約束失效的原因分析、能量轉(zhuǎn)移分析,構(gòu)建因果模型和能量轉(zhuǎn)移變化模型;

        圖3 基于能量轉(zhuǎn)移模型的豐城電廠平臺(tái)坍塌事故分析框架

        步驟2:基于網(wǎng)絡(luò)理論方法建立完整風(fēng)險(xiǎn)事件網(wǎng)絡(luò),揭示事故的發(fā)生過程中風(fēng)險(xiǎn)事件的動(dòng)態(tài)影響關(guān)系及復(fù)雜性。

        3 豐城電廠平臺(tái)坍塌事故形成及演化過程

        3.1 施工平臺(tái)坍塌事故能量轉(zhuǎn)移分析

        3.1.1 危險(xiǎn)能量識(shí)別分析

        首先,需要開展事故中危險(xiǎn)能量的產(chǎn)生及來源分析與識(shí)別。能量可以是一件設(shè)備或一種具有休眠能量的材料情況,這種休眠能量具有受傷、死亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境破壞的風(fēng)險(xiǎn),如機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部分、爆炸性材料和行駛的車輛,不同類型事故中危險(xiǎn)能量來源往往是不同的。以表1中江西豐城電廠生產(chǎn)過程中的7個(gè)分項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)事件為基礎(chǔ),對(duì)工程中危險(xiǎn)能量來源及類型判別,見表2??梢钥闯?,工程材料和工程負(fù)荷是主要的能量源,重力勢(shì)能和化學(xué)能是主要的危險(xiǎn)能量。

        3.1.2 能量約束失效原因分析

        基于上述危險(xiǎn)能量的分析與識(shí)別,可從直接事故因素、形成階段因素和根源影響因素三個(gè)方面分析能量約束失效的原因,并建立豐城電廠平臺(tái)坍塌事故因果演化模型如圖4所示。

        直接事故因素層次中的因素是直接的,主要為人、材料、機(jī)械和環(huán)境。根據(jù)事故調(diào)查報(bào)告,人為因素涉及臨時(shí)工人的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)有限、缺乏對(duì)工人培訓(xùn)、疲勞施工、降低施工費(fèi)用、盲目壓縮工期、對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)存在僥幸心理等。材料因素包括支板安裝不正確、焊接接頭薄弱、拉鎖間連接不牢固、支護(hù)結(jié)構(gòu)不完善等。環(huán)境因素包括氣溫驟降、雨水天氣較多等。

        表1 施工中階段性風(fēng)險(xiǎn)事件分析

        表2 施工中危險(xiǎn)能量來源與類型判別

        圖4 豐城電廠平臺(tái)坍塌事故因果演化過程

        形成階段因素作為中間層因素,與管理相關(guān)并對(duì)直接事故情況產(chǎn)生影響。根據(jù)事故調(diào)查報(bào)告,這里的形成因素包括被發(fā)現(xiàn)的危險(xiǎn)或險(xiǎn)情被忽視、逃生路徑不完善、安全措施不完善、安全培訓(xùn)無效、分包方式過于隨便、進(jìn)出庫登記制度不完善、應(yīng)急預(yù)案不足、工作時(shí)間過長等。

        根源影響因素是事故最根源層面的因素,對(duì)形成階段因素有著直接影響。根據(jù)事故調(diào)查報(bào)告,該事故在這里產(chǎn)生的影響包括:多層承包、政府監(jiān)管失靈、建設(shè)單位提出“大干100天”的策劃。

        3.1.3 能量轉(zhuǎn)移變化過程分析

        危險(xiǎn)能量轉(zhuǎn)移變化是導(dǎo)致事故發(fā)生的根本原因,約束危險(xiǎn)能量轉(zhuǎn)移傳遞是遏制事故發(fā)生的最有效途徑。因此,筆者從風(fēng)險(xiǎn)事件、初始能量、能量約束失效、能量變化、能量轉(zhuǎn)移過程這些角度橫向分析能量轉(zhuǎn)移變化詳細(xì)過程如圖5所示。豐城電廠平臺(tái)坍塌事故包含7個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件,其詳細(xì)能量分析過程如下:因氣溫驟降,自然界的熱能轉(zhuǎn)換為筒外壁化學(xué)能;由于筒外壁和模板本身存在重力勢(shì)能,導(dǎo)致能量儲(chǔ)存迅速增加;事故發(fā)生后,轉(zhuǎn)化為混凝土的動(dòng)能;在此動(dòng)能的基礎(chǔ)上加上腳手架的重力勢(shì)能,導(dǎo)致動(dòng)能繼續(xù)大幅度增加;由于墜落物體的增加(混凝土、模架體系、平臺(tái)、作業(yè)人員),導(dǎo)致重力勢(shì)能增加,最后都轉(zhuǎn)移為墜落物體的動(dòng)能,事故發(fā)生。

        3.2 施工平臺(tái)坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)事件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

        豐城電廠平臺(tái)坍塌事故并不是孤立發(fā)生的,它是7種不同類型風(fēng)險(xiǎn)事件的綜合,包括氣溫驟降D1、筒外壁施工D2、混凝土強(qiáng)度不足D3、木工組拆模D4、混凝土和模架墜落D5、墜落物沖擊連接拉鎖D6、平橋整體坍塌D7。其中,一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件既可能是前事件的結(jié)果, 也可能是后事件的原因,這與能量轉(zhuǎn)移變化的方向一致。例如,混凝土強(qiáng)度不足是由于氣溫驟降造成的,同時(shí)也會(huì)引起混凝土和模架體系墜落;混凝土和模架墜落是由違規(guī)拆模造成的,同時(shí)也會(huì)引起墜落物沖擊連接拉鎖和平橋整體坍塌,因此它們之間構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。從能量的角度看,混凝土化學(xué)能由自然界熱能轉(zhuǎn)移而來,同時(shí)將混凝土化學(xué)能轉(zhuǎn)換為混凝土、模板和腳手架的動(dòng)能,它們之間的多重關(guān)系構(gòu)成了事故鏈?;赑ajek軟件繪制的江西豐城電廠事故網(wǎng)絡(luò)圖,如圖6所示,其中,頂點(diǎn)表示風(fēng)險(xiǎn)事件,邊表示從一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件到另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的關(guān)系,該圖形網(wǎng)絡(luò)有7個(gè)頂點(diǎn)和14條邊。該網(wǎng)絡(luò)不僅表達(dá)了各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件之間多重影響關(guān)系[17],也反映了能量轉(zhuǎn)移變化的方向過程。

        圖5 豐城電廠平臺(tái)坍塌事故能量轉(zhuǎn)移變化過程

        圖6 豐城電廠平臺(tái)坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)事件網(wǎng)絡(luò)

        根據(jù)江西豐城電廠坍塌事故調(diào)查報(bào)告和圖6坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)事件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)中的混凝土強(qiáng)度不足是被關(guān)聯(lián)次數(shù)最多的風(fēng)險(xiǎn)事件,因此它也是整個(gè)事故網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵要素。由于氣溫驟降,導(dǎo)致混凝土沒有在正常時(shí)間內(nèi)滿足規(guī)范強(qiáng)度,施工人員違規(guī)拆模加劇了事故的發(fā)酵,導(dǎo)致混凝土模架體系墜落,緊接著墜落物沖擊連接拉鎖,最終導(dǎo)致平橋整體坍塌,在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中形成了幾個(gè)閉環(huán)。通過計(jì)算探索網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比視覺檢查更簡潔和精確[18]。運(yùn)用拓?fù)鋮?shù)計(jì)算分析事故的擴(kuò)散情況,充分反映事故網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性如表3所示。

        表3 風(fēng)險(xiǎn)事件網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)計(jì)算

        頂點(diǎn)的度、聚類系數(shù)和介數(shù)中心性是反映網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)[19]。根據(jù)計(jì)算得到,該事故網(wǎng)絡(luò)的平均程度為5,其中輸出度最大的是混凝土強(qiáng)度不足,這表明混凝土強(qiáng)度不足是該事故網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),同時(shí)也說明重力勢(shì)能和化學(xué)能是危險(xiǎn)性較大的能量。該事故聚集系數(shù)為0.538,表明該網(wǎng)絡(luò)具有小世界特征,一個(gè)小世界的網(wǎng)絡(luò)通常比一個(gè)普通網(wǎng)絡(luò)的傳播速度快得多,這一特點(diǎn)給控制風(fēng)險(xiǎn)事件的傳播帶來了挑戰(zhàn)。該事故網(wǎng)絡(luò)中混凝土強(qiáng)度不足的介數(shù)中心性最大,為0.211,說明從所有風(fēng)險(xiǎn)事件到其他風(fēng)險(xiǎn)事件的最短路徑中,通過混凝土強(qiáng)度不足的最短路徑最多,有效控制施工規(guī)范作業(yè)程度,可有效降低事故網(wǎng)絡(luò)中次事故擴(kuò)散的效率。

        3.3 案例事故發(fā)生分析與討論

        基于能量轉(zhuǎn)移模型有效地從能量約束失效及控制的微觀視角分析事故發(fā)生機(jī)理過程。分析表明,豐城電廠平臺(tái)坍塌事故是系列能量約束失效導(dǎo)致危險(xiǎn)能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的一場(chǎng)特大工程事故。通過分析梳理出了7個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的能量來源、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移等,分析出重力勢(shì)能、化學(xué)能是事故發(fā)生中的主要危險(xiǎn)能量,約束失效后導(dǎo)致重力勢(shì)能、化學(xué)能向動(dòng)能能量類型的轉(zhuǎn)移且動(dòng)能能量約束失效是坍塌事故發(fā)生的直接方面。其次,能量約束失效的主要因素包括直接因素、形成因素和根源因素三個(gè)方面;如果施工中各單位按照國家規(guī)范要求安全施工,嚴(yán)格遵守施工順序,且施工管理有效,事故發(fā)生或許可以避免。

        為進(jìn)一步簡單有效地控制重特大安全生產(chǎn)事故的發(fā)生,本研究從宏觀的角度去理解該施工平臺(tái)坍塌事故中風(fēng)險(xiǎn)事件之間的多重影響關(guān)系,針對(duì)上述的7種風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析。分析表明:混凝土強(qiáng)度不足是該事故網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和核心因素,只有有效的切斷其他風(fēng)險(xiǎn)事件與該風(fēng)險(xiǎn)事件之間的聯(lián)系,才能控制事故的發(fā)生。通過計(jì)算相應(yīng)的拓?fù)鋮?shù),如輸入度、輸出度、所有度、聚類系數(shù)、介數(shù)中心性等,可準(zhǔn)確識(shí)別關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)事件,從而提前對(duì)該風(fēng)險(xiǎn)事件加強(qiáng)管控,提出有效的防控措施,以降低事故網(wǎng)絡(luò)的連通性,進(jìn)而有效降低事故傳播的效率,遏制該類工程事故發(fā)生的概率與嚴(yán)重程度。

        4 結(jié) 語

        本研究以豐城電廠施工平臺(tái)坍塌事故為案例,從能量轉(zhuǎn)移模型視角,開展事故中危險(xiǎn)能量與風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生過程分析。研究發(fā)現(xiàn):多層致險(xiǎn)因素導(dǎo)致了風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生,且呈現(xiàn)復(fù)雜連接關(guān)系;進(jìn)而又傳導(dǎo)至物理實(shí)體,發(fā)生危險(xiǎn)能量轉(zhuǎn)移同時(shí)能量約束體系失效,是該復(fù)雜事故發(fā)生并演化的過程機(jī)理。其中,事故中風(fēng)險(xiǎn)事件之間的多重影響關(guān)系,構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)事件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析,進(jìn)一步對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件所產(chǎn)生的危險(xiǎn)能量轉(zhuǎn)移分析,反映出危險(xiǎn)能量是重特大安全生產(chǎn)事故把控的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。期望本案例分析能為工程事故發(fā)生過程理解提供有益借鑒與參考,為重特大事故防范及安全管理提供有效管理思路。

        本研究主要從技術(shù)層面因素進(jìn)行分析,管理層面因素尚未展開詳細(xì)討論,后續(xù)可以深入探究管理因素所導(dǎo)致的事故發(fā)生耦合作用關(guān)系。

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