張海磊，唐茂，湯明高，張維科

(1. 國家管網(wǎng)西南管道蘭成渝輸油分公司，成都610036；2. 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，成都610059；3. 四川省川建勘察設(shè)計院有限公司，成都 610049)

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及工業(yè)化水平提高，我國對石油、天然氣的需求量逐步增大，中國長輸油氣管道擁有量有了大幅增長。根據(jù)我國《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年全國油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到24×104km，其中很大一部分穿越于地形地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)，管道遭受滑坡災(zāi)害威脅的風(fēng)險越來越大[1]。在施工建設(shè)或運(yùn)營階段有些管道可能會受到滑坡災(zāi)害影響，威脅油氣管道正常工作，產(chǎn)生極高的安全隱患[2]。例如2013年8月13日，陜西延長石油管輸公司某輸油管道因山體滑坡致輸油管線破裂，管道停輸，大量原油外泄，400多名工作人員連夜搶險[3]；2016年6月30日，重慶市某一輸油管道因連日暴雨引發(fā)滑坡進(jìn)而導(dǎo)致管道被拉裂，18.5 t柴油流入河流；2017年7月2日，貴州晴隆沙子段因持續(xù)的強(qiáng)降雨，導(dǎo)致滑坡側(cè)滑擠斷輸氣管道，引發(fā)泄漏爆炸，造成8人死亡，35人受傷[4]。因此為了減少在役油氣管道遭受滑坡災(zāi)害，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，有必要準(zhǔn)確地對滑坡區(qū)油氣管道進(jìn)行風(fēng)險評估，這也是油氣管道完整性管理的重要環(huán)節(jié)[5]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對滑坡作用下油氣管道的力學(xué)行為及變形特點(diǎn)方面的研究較為成熟，如Eugenio et al.通過分析管道受滑坡災(zāi)害的影響，并提出了一種埋地管道變形破壞方法[6]；王金安從管土相互作用的力學(xué)響應(yīng)出發(fā)，以小尺度理論推導(dǎo)出滑坡滑動階段管道彈性部分受力表達(dá)式[7]。由于這類方法需要通過對災(zāi)害點(diǎn)和油氣管道布置精密的監(jiān)測儀器來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行理論分析與數(shù)值計算，在線性工程中地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量多且分布廣，該類方法的運(yùn)用和推廣上有很大的局限性。而針對滑坡區(qū)油氣管道安全風(fēng)險評估的方法研究偏少。冼國棟等[8]根據(jù)中國石油西南管道沿線60余處典型滑坡為例，按照敏感性大小將影響因子構(gòu)成了3級評估指標(biāo)體系；劉迎春等[9]以土質(zhì)滑坡為例，利用規(guī)范推薦的方法對管道滑坡進(jìn)行半定量的風(fēng)險評估；姚安林等[10]基于改進(jìn)二元語義評估滑坡誘發(fā)管道失效的可能性；杜曼等[11]以可拓學(xué)為核心，通過多級評估，獲得了各級指標(biāo)的危險性等級。上述方法雖然取得了一定的效果，但一方面受資料限制，樣本數(shù)量不足可能會導(dǎo)致評估誤差偏大，另一方面各影響因素的主次關(guān)系不明確，因而其評估結(jié)果會有一定的局限性。因此迫切需要探尋一種準(zhǔn)確方便的滑坡區(qū)油氣管道風(fēng)險評估方法，來綜合分析影響因素所起的作用。

基于上述分析，同時結(jié)合前人研究的成果[12,13]，將改進(jìn)層次分析法(IAHP)和逼近理想解排序法(TOPSIS)相結(jié)合應(yīng)用于滑坡區(qū)油氣管道風(fēng)險評估中。TOPSIS法可以對多個評估指標(biāo)與理想化目標(biāo)的貼近度進(jìn)行排序，綜合考慮滑坡區(qū)油氣管道風(fēng)險評估的10多種指標(biāo)，但在分析多個指標(biāo)時，指標(biāo)權(quán)重的求取難度較大，而IAHP法能很好地解決這一問題，客觀地確定各評估指標(biāo)的權(quán)重。

1 油氣管道滑坡風(fēng)險評估模型

1.1 評估技術(shù)流程

提出基于IAHP與TOPSIS相結(jié)合的方法，既可體現(xiàn)結(jié)構(gòu)性分析思路，使指標(biāo)的權(quán)值得到量化，又可以減少評估時的主觀性。評估技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 風(fēng)險評估流程概略圖

1.2 IAHP確定權(quán)重

風(fēng)險指標(biāo)賦權(quán)過程中采用改進(jìn)層次分析法，相對比于常規(guī)的層次分析法，通過構(gòu)造擬優(yōu)一致矩陣可省略一致性檢驗，同時還可以提高計算精度。其確定指標(biāo)權(quán)重的詳細(xì)步驟如下：

(1) 構(gòu)建比較矩陣A。采用1～9標(biāo)度法，根據(jù)野外現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，并結(jié)合專家意見建立對應(yīng)的比較矩陣A：

(1)

(2) 構(gòu)造判斷矩陣C，其元素Cij。表達(dá)式如下:

(2)

(3)

式中Vi為重要性排序指數(shù)，表達(dá)式如下:

(4)

Vmax=max{Vi}

(5)

Vmin=min{Vi}

(6)

kn=Vmax/Vmin

(7)

(8)

其中,dij為最優(yōu)傳遞系數(shù)，可表示為：

(9)

式中,Tij為傳遞系數(shù)，可表示為：

Tij=lgCij, (i,j=1,2, …,n)

(10)

(4) 通過和積法求擬優(yōu)一致矩陣C′的特征向量，并通過疊乘法計算得到評估指標(biāo)的總權(quán)重W。

1.3 TOPSIS綜合評估模型

TOPSIS法是通過計算評估對象至理想化目標(biāo)的貼近度來排序，對現(xiàn)有對象進(jìn)行相對優(yōu)劣的評估。其具體計算步驟如下：

(1) 構(gòu)建滑坡區(qū)油氣管道風(fēng)險評估的初始評估矩陣S:

(11)

其中,i表示第i個方案，共有m個方案i∈(1,m)；j表示某個方案的第j個指標(biāo)，共有n個指標(biāo)，j∈(1,n)。故矩陣中Sij表示第i個方案的第j個評判指標(biāo)。

(2) 生成滑坡區(qū)油氣管道風(fēng)險評估的標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣E，其計算公式：

對于效益型指標(biāo)，值越大越好

(12)

對于消耗性指標(biāo)，值越小越好

(13)

(3) 確定滑坡區(qū)油氣管道風(fēng)險評估的加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣R

(14)

(4) 貼進(jìn)度分析，最小/大值為指標(biāo)的正/負(fù)理想解

R+=(minwnemn)

(15)

R-=(maxwnemn)

(16)

式中,R+與R-分別為正/負(fù)理想解。

風(fēng)險評估的評估對象與理想解的距離為：

(17)

(18)

式中，Pi+/Pi-分別為風(fēng)險評估的評估對象與正/負(fù)理想解的距離：rj+與rj-分別為R+與R-相對應(yīng)的元素。

貼進(jìn)度分析的計算公式為：

(19)

當(dāng)風(fēng)險評估的評估對象為正理想解時;Ni+=1；當(dāng)風(fēng)險評估的評估對象為負(fù)理想解時，Ni+=0；一般情況下評估對象貼進(jìn)度Ni+取值為(0，1)。

評估對象綜合評估結(jié)果向量Q為：

Q=W×N

(20)

式中，W為IAHP法求取到的準(zhǔn)則層權(quán)重;N為風(fēng)險評估的評估對象與正理想解的貼近度形成的評估矩陣。

2 指標(biāo)體系與賦權(quán)

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

在前人研究的基礎(chǔ)上[14]，結(jié)合滑坡成因機(jī)制以及野外現(xiàn)場勘查的災(zāi)點(diǎn)情況，從防治措施、滑坡和管道3個方面，分析滑坡引發(fā)長輸油氣管道事故的風(fēng)險。

(1) 防治措施。在山區(qū)油氣管道運(yùn)營過程中,管道附近的巖土體穩(wěn)定性會受堆土、施工等第三方活動的影響，進(jìn)而誘發(fā)斜坡失穩(wěn)。坡體上的植被能起到坡面防護(hù)、加固的作用，增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性[15]。斜坡的抗滑加固措施作為滑坡防治研究的基礎(chǔ)，可以提高其安全穩(wěn)定性；截排水工程可以消除地下水的影響，提高滑動帶土體抗剪強(qiáng)度，減小滑動帶孔隙水壓力[16]。

(2) 滑坡。往往斜坡變形跡象越明顯，其越容易發(fā)生滑動；坡度對滑坡的孕育具有較為明顯的促進(jìn)作用，坡度不僅為斜坡失穩(wěn)提供了地形條件，也在一定程度上決定了斜坡變形破壞的機(jī)制和形式；滑坡前、后緣的高差可為其啟動提供能量條件；地震是誘發(fā)斜坡失穩(wěn)的一個重要因素，一般采用基本烈度作為刻畫指標(biāo)[17]。不同坡面形態(tài)的坡體，在滑坡失穩(wěn)時其內(nèi)部的應(yīng)力和變形破壞特征也不相同[14]。不同特征的滑體，形成的滑坡規(guī)模和破壞模式也不同[11]。由于高密實(shí)度的土體內(nèi)部土顆粒間排列緊密，對雨水的入滲具有一定抑制作用，故在同等條件下較高密實(shí)度的土體形成的斜坡更穩(wěn)定[18]。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，雨水入滲導(dǎo)致巖土體的抗剪強(qiáng)度降低，進(jìn)而誘發(fā)斜坡失穩(wěn)。

(3) 管道。管道的破壞模式主要取決于管道的受力效果，而管道的受力效果受管道敷設(shè)條件的影響。管道的敷設(shè)條件主要包括管道位置、埋深及回填土等。管道位置，即管道與滑動面的相對位置，若管道敷設(shè)在滑動面之上，則滑坡啟動時，在水平方向的滑坡推力作用下管道容易遭受變形而破壞；若管道敷設(shè)在滑動面之下，那么滑坡發(fā)生滑動后所形成的管道上方堆積體則會對管道產(chǎn)生較大壓力[15]。增加管道埋置深度，能夠提高管道在外荷載作用下抵抗變形的能力，故合理設(shè)置管道埋深，有利于減少管道事故的發(fā)生[15]。合理地控制埋地管道溝槽內(nèi)的回填土壓實(shí)度，能夠改善管道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，減少管道結(jié)構(gòu)的豎向變形，提高管道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[19]。綜上所述，管道位置、管道埋深及管道回填共同構(gòu)成了管道的易損性指標(biāo)。

綜上所述，滑坡區(qū)油氣管道風(fēng)險評估的指標(biāo)包括定量和定性的，不同類型的指標(biāo)會在不同程度上影響風(fēng)險評估的結(jié)果，權(quán)重的求取是否正確、合理會嚴(yán)重影響風(fēng)險評估結(jié)果的精確性。因此，結(jié)合改進(jìn)層次分析法，選取了14個二級指標(biāo)建立了滑坡區(qū)油氣管道風(fēng)險評估指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖2 滑坡區(qū)油氣管道安全風(fēng)險評估組織體系圖

2.2 權(quán)重分配

對評估指標(biāo)進(jìn)行重要度評估，構(gòu)造滑坡區(qū)油氣管道風(fēng)險評估的準(zhǔn)則層和指標(biāo)層各因素的比較矩陣。A-B、B1-C、B2-C以及B3-C比較矩陣分別如表1～4所示。

根據(jù)表1所示的比較矩陣通過式(2)～(10)并經(jīng)過和積法求取特征向量，可得到準(zhǔn)則層的權(quán)重值W=[0.212，0.460，0.328]。

同理可得：

B1-C矩陣：W=[0.614，0.230，0.156]。

B2-C矩陣：W=[0.299，0.289，0.117，0.107，0.082，0.043，0.033，0.03]。

B3-C矩陣：W=[0.622，0.233，0.145]。

層次總排序結(jié)果表，如表5所示。

表1 A-B比較矩陣

表2 B1-C比較矩陣

表3 B2-C比較矩陣

表4 B3-C比較矩陣

表5 層次總排序結(jié)果

2.3 評估等級判據(jù)

為了能和行業(yè)規(guī)范推薦法[20]的結(jié)果相對應(yīng)，本文將滑坡區(qū)油氣管道風(fēng)險等級定性地分為低風(fēng)險、較低風(fēng)險、中風(fēng)險、較高風(fēng)險和高風(fēng)險，如圖2所示。并結(jié)合中緬油氣管道沿線滑坡發(fā)育特征，對各評估因子進(jìn)行累計數(shù)量統(tǒng)計分析，取線段明顯拐點(diǎn)值作為區(qū)間閾值，其評估指標(biāo)分級，如表6所示(注：其中定性指標(biāo)由專家打分量化界定)。

表6 評估指標(biāo)分級表

3 應(yīng)用及驗證

本文選取中緬油氣管道某一典型滑坡災(zāi)害點(diǎn)作為評估對象[21]，驗證本文提出的滑坡區(qū)油氣管道安全風(fēng)險評估模型的準(zhǔn)確性，研究區(qū)斜坡滑移方向為NE方向，現(xiàn)場分布如圖3所示。通過現(xiàn)場勘查，該災(zāi)害點(diǎn)位于低山丘陵地區(qū)，局部變形發(fā)生在后緣排水溝處，且張拉裂縫較明顯；滑坡坡度為30°，滑坡前、后緣高差大約為58 m，滑體為3～5 m厚度的碎石土，且有部分基巖出露；現(xiàn)已修建治理工程，在滑坡前緣處修建長度約為40 m、高度為5 m的擋土墻，且在滑坡后緣處修建有截排水溝；管道斜穿滑坡，管道的走向為150°，埋深為2.5 m，管道回填土達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 中緬油氣管道某典型滑坡現(xiàn)場

3.1 綜合評估

(1) 防止措施貼近度評估。根據(jù)表2可得防治措施的初始判斷矩陣：

防治措施指標(biāo)都屬于消耗性指標(biāo)，值越小油氣管道所處環(huán)境越安全。

由式(13)、(14)計算加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣：

根據(jù)式(15)～(19)計算可得到滑坡區(qū)油氣管道各風(fēng)險等級基于防治措施的貼近度。經(jīng)計算得正理想解與負(fù)理想解分別為：

R+={0，0，0}

R—={0.130，0.049，0.033}

則各風(fēng)險等級與正理想解的貼近度分別為N11+=0，N12+=0.204，N13+=0.401，N14+=0.603，N15+=0.802，N16+=1，N17+=0.184。

(2) 滑坡貼近度評估。同理可得，滑坡的貼近度為N21+=0，N22+=0.195，N23+=0.366，N24+=0.535，N25+=0.691，N26+=1，N27+=0.476。

(3) 管道貼近度評估。同理可得，管道的貼近度為N31+=0，N32+=0.205，N33+=0.283，N34+=0.373，N35+=0.471，N36+=1，〗N37+=0.295。

3.2 風(fēng)險等級預(yù)測

由2.2章節(jié)中IAHP法計算得到的準(zhǔn)則層各評估指標(biāo)的權(quán)重為：

W=[0.212，0.460，0.328]

根據(jù)3.1章節(jié)中TOPSIS法得各評估指標(biāo)貼近度構(gòu)造的評估矩陣為：

將W與N代入式(20)可得：

Q=W×N

=[0 0.2 0.346 0.496 0.642 1 0.355]

由此可得各風(fēng)險等級的綜合評估結(jié)果分級與待測管道的風(fēng)險等級，如表7所示。

計算得到待測管道的風(fēng)險值為0.355，查閱表7可知，該待測管道屬于中風(fēng)險，與文獻(xiàn)[21]的風(fēng)險等級相符。驗證了本文提出的油氣管道安全風(fēng)險評估模型的合理性。

表7 滑坡區(qū)油氣管道風(fēng)險等級量化標(biāo)準(zhǔn)

4 討論及結(jié)論

(1) 基于IAHP法的基本原理構(gòu)建了滑坡區(qū)油氣管道預(yù)測綜合評估指標(biāo)體系。從防治措施、滑坡與管道3個方面確定了滑坡區(qū)油氣管道風(fēng)險等級影響因素的14個評估指標(biāo)，并對各結(jié)構(gòu)層次評估指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行科學(xué)分配，不僅提高了計算速度，還得出了合理的權(quán)重值。

(2) 運(yùn)用TOPSIS方法，建立了評估分析模型。分析了防治措施、滑坡與管道的貼近度，并形成評估矩陣。

(3)以中緬油氣管道某一典型滑坡災(zāi)害為例，應(yīng)用驗證了IAHP-TOPSIS評估模型的有效性，其計算結(jié)果與實(shí)際情況相吻合。

(4) 研究表明基于上述兩種方法的山區(qū)油氣管道滑坡災(zāi)害風(fēng)險評估方法，可以合理有效地評估滑坡區(qū)油氣管道風(fēng)險等級，可用于指導(dǎo)山區(qū)油氣管道的滑坡災(zāi)害風(fēng)險評估和管理工作。