張偉明, 梁海濱, 李 琦, 伍 穎

(1.中石油昆侖燃?xì)庥邢薰救細(xì)饧夹g(shù)研究院,黑龍江哈爾濱150000;2.西南石油大學(xué) 土木工程與測(cè)繪學(xué)院,四川成都610500)

1 概述

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿雷鳛閲?guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活保障的資源和能源大動(dòng)脈,具有城市生命線(xiàn)的重要地位[1]。我國(guó)是地震頻發(fā)國(guó)家,隨著城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)密度以及規(guī)模不斷擴(kuò)大,面對(duì)地震這種隨機(jī)性、毀壞力強(qiáng)的自然災(zāi)害,單靠震后被動(dòng)治理不能有效地降低地震帶來(lái)的損害,需提高抗震應(yīng)急處理水平和震后搶險(xiǎn)能力。地震波傳播引起的地面變形,會(huì)直接對(duì)管道造成破壞,而地震造成的液化、滑坡和地面破壞,可能間接導(dǎo)致燃?xì)夤芫W(wǎng)受損而失效[2]。城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)遭到地震破壞后,可能出現(xiàn)燃?xì)庑孤?引發(fā)爆炸、火災(zāi)等一系列嚴(yán)重后果,對(duì)城鎮(zhèn)居民的生命、財(cái)產(chǎn)安全造成巨大影響。目前國(guó)內(nèi)外已發(fā)生多起地震造成的燃?xì)夤艿勒鸷κ鹿省?008年汶川地震造成燃?xì)夤芫W(wǎng)嚴(yán)重破壞,建筑較多區(qū)域的燃?xì)夤艿辣粴牡某潭容^為嚴(yán)重[3]。美國(guó)的加利福尼亞、意大利、希臘、土耳其、日本和新西蘭,這些地區(qū)的震害記錄表明,埋地管道很容易受到地震的影響[4]。目前,國(guó)內(nèi)尚未建立城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系。本文旨在通過(guò)構(gòu)建城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)震害故障樹(shù),建立城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系,可根據(jù)管網(wǎng)的地震易損性評(píng)估結(jié)果,優(yōu)化區(qū)域安全管理措施,減小管道震害風(fēng)險(xiǎn),提高城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的整體安全管理水平。

2 定義

地震易損性最初是在土木工程領(lǐng)域提出的,指地震作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的概率[5]。在本文中,地震作用下的結(jié)構(gòu)指的是城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng),由于城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的復(fù)雜性,無(wú)法定量描述結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的概率,故將地震易損性原本的定量描述修改為定性描述,即采用破壞程度刻畫(huà)地震作用下的城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的抗震性能。

結(jié)合地震易損性定義,可將城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性定義為:在不同強(qiáng)度地震作用下城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)發(fā)生各種破壞狀態(tài)的程度。

災(zāi)害易損性分析是一種評(píng)估災(zāi)害影響下結(jié)構(gòu)損傷程度的有效手段,反映承災(zāi)體受到災(zāi)害攻擊時(shí),目標(biāo)易受損傷的程度[6]。對(duì)于一個(gè)待分析的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng),首先必須存在風(fēng)險(xiǎn)源(本文指地震);其次,必須有風(fēng)險(xiǎn)承受體,即人類(lèi)社會(huì)或其他具體實(shí)物(本文指管道),可見(jiàn)災(zāi)害易損性是由災(zāi)害的危險(xiǎn)性和承災(zāi)體的易損性共同決定。

3 指標(biāo)體系建立

從地震危險(xiǎn)性與管道基礎(chǔ)條件兩個(gè)一級(jí)指標(biāo)出發(fā),進(jìn)行次級(jí)指標(biāo)梳理。地震危險(xiǎn)性與管道基礎(chǔ)條件分別對(duì)應(yīng)地震災(zāi)害的危險(xiǎn)性與管道承災(zāi)體的易損性,符合災(zāi)害易損性以及城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性的定義。

在本文中,定義城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性值V計(jì)算式為:

V=ef

(1)

式中V——城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性值

e——地震危險(xiǎn)性評(píng)分值

f——管道基礎(chǔ)條件評(píng)分值

根據(jù)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性定義,將城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系分為目標(biāo)層與指標(biāo)層。目標(biāo)層即為城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性。將城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系的一級(jí)指標(biāo)劃分為地震危險(xiǎn)性與管道基礎(chǔ)條件,其余指標(biāo)層即為需要進(jìn)行地震易損性評(píng)估的指標(biāo)。城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系指標(biāo)層級(jí)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系指標(biāo)層級(jí)構(gòu)成

已知一級(jí)指標(biāo)與二者之間的關(guān)系,需要對(duì)影響管道震害情況下運(yùn)行穩(wěn)定性的因素追根溯源,探究引發(fā)管道震害安全事故的原因。因此,采用故障樹(shù)對(duì)管網(wǎng)震害事故之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

3.1 故障樹(shù)建立

① 故障樹(shù)分析法

故障樹(shù)分析法(Fault Tree Analysis,簡(jiǎn)稱(chēng)FTA)作為一種邏輯演繹分析工具,通過(guò)事故及聯(lián)合順序組合的圖示,描述頂事件與基本事件的內(nèi)在聯(lián)系。通過(guò)構(gòu)建故障樹(shù),可以清晰地表達(dá)故障事件和故障原因之間的因果關(guān)系,幫助理解系統(tǒng)中潛在的故障演化路徑。故障樹(shù)的頂事件(T)是不希望發(fā)生的事件,它指系統(tǒng)的故障,中間事件(M)是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的故障或事件,故障樹(shù)的底部事件是基本事件(X)[7]。

② 故障樹(shù)邏輯符號(hào)

故障樹(shù)分析法適用于本文城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性影響因素的識(shí)別。故障樹(shù)中常見(jiàn)的邏輯關(guān)系有“與”“或”“異或”,故障樹(shù)邏輯符號(hào)見(jiàn)圖2。“與”表示僅當(dāng)所有輸入事件發(fā)生時(shí),輸出事件才發(fā)生,符號(hào)如圖2a所示;“或”表示至少一個(gè)輸入事件發(fā)生時(shí),輸出事件就發(fā)生,符號(hào)如圖2b所示;“異或”表示只有當(dāng)單個(gè)輸入事件發(fā)生時(shí),輸出事件才發(fā)生,符號(hào)如圖2c所示。篩選故障樹(shù)中的基本事件,可作為城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系中的指標(biāo)來(lái)源。

圖2 故障樹(shù)邏輯符號(hào)

③ 失效事件故障樹(shù)

為探究城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)震害失效的潛在原因,依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、大量文獻(xiàn)調(diào)研與專(zhuān)家意見(jiàn),結(jié)合城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等方面的震害特點(diǎn),建立了地震影響失效、管道腐蝕或老化失效、管道設(shè)計(jì)失效、管道施工失效、第三方損傷失效、誤操作失效6個(gè)故障樹(shù)(見(jiàn)圖3～8),根據(jù)故障樹(shù)可梳理出失效事件之間的邏輯性。圖6a中監(jiān)檢一般指政府監(jiān)督檢查部門(mén)的監(jiān)督、調(diào)查、處置等。故障樹(shù)分析可以幫助確定引起管道震害事故的根本原因或次要原因,因此,根據(jù)故障樹(shù)中基本事件,進(jìn)行城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)選取。

3.2 指標(biāo)體系

3.2.1指標(biāo)確定

① 地震危險(xiǎn)性下的二級(jí)指標(biāo)確定

以地震危險(xiǎn)性下的二級(jí)指標(biāo)確定為例進(jìn)行說(shuō)明。根據(jù)故障樹(shù)的震害基本事件梳理,確定以地震動(dòng)破壞、建筑抗震設(shè)防、地震地質(zhì)災(zāi)害為地震危險(xiǎn)性下的二級(jí)指標(biāo)。具體如下。

圖3 地震影響失效故障樹(shù)

a.地震動(dòng)破壞

地震動(dòng)破壞需采用量化指標(biāo)來(lái)反映其強(qiáng)度,同時(shí),需要考慮影響地震動(dòng)破壞強(qiáng)度的外因素。斷層與地震峰值加速度用于反映地震動(dòng)破壞的頻率強(qiáng)度,屬于影響地震動(dòng)破壞的內(nèi)因素,場(chǎng)地類(lèi)型與場(chǎng)地土類(lèi)型交界是反映影響地震動(dòng)破壞的外因素。

b.建筑抗震設(shè)防

建構(gòu)筑物倒塌是地震影響下最為顯著的城鎮(zhèn)遭受自然災(zāi)害破壞的特征,建構(gòu)筑物的坍塌可能造成地下管網(wǎng)的承壓環(huán)境改變,又或是造成跨越、穿隧道管道的直接失效。建筑抗震設(shè)防影響地震下建筑倒塌對(duì)管道的二次影響。

c.地震地質(zhì)災(zāi)害

滑坡、地面沉降、斷層錯(cuò)動(dòng)、砂土液化等這類(lèi)地震地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)制相似,對(duì)管道造成的失效影響也類(lèi)似,即因地震引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,導(dǎo)致土體對(duì)管道進(jìn)行加載,使得管道因承受巨大拖拽力而發(fā)生彎曲變形、拉裂甚至整體斷裂。為了簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)過(guò)程,將地震地質(zhì)災(zāi)害作為地震危險(xiǎn)性下的二級(jí)指標(biāo),不再詳細(xì)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的劃分。

同理,通過(guò)分析確定管道腐蝕、管道老化、管道設(shè)計(jì)、管道施工、第三方損傷、誤操作為管道基礎(chǔ)條件下的二級(jí)指標(biāo)。

a.管道腐蝕或老化失效部分故障樹(shù)

圖4 管道腐蝕或老化失效故障樹(shù)

圖5 管道設(shè)計(jì)失效故障樹(shù)

② 地震動(dòng)破壞下的三級(jí)指標(biāo)確定

以確定地震動(dòng)破壞下的三級(jí)指標(biāo)為例進(jìn)行說(shuō)明。

a.斷層

斷層是地震動(dòng)的主要類(lèi)型,是反映地殼運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的一種破壞現(xiàn)象,斷層的累積可造成地震的發(fā)生,因此可采用斷層對(duì)地震發(fā)生頻率進(jìn)行劃分。

b.地震峰值加速度

地震動(dòng)破壞的強(qiáng)度由地震震級(jí)決定,目前相關(guān)地震研究工作以地震峰值加速度進(jìn)行地震震級(jí)的刻畫(huà),因此以地震峰值加速度對(duì)地震動(dòng)破壞的強(qiáng)度進(jìn)行劃分[8-9]。

c.場(chǎng)地類(lèi)型、場(chǎng)地土類(lèi)型交界

不同場(chǎng)地條件下地震動(dòng)破壞的綜合放大效應(yīng)不同,且在場(chǎng)地土交界處管道受力不一致,更容易發(fā)生破壞,因此,以場(chǎng)地類(lèi)型、場(chǎng)地土類(lèi)型交界對(duì)地震動(dòng)破壞的綜合放大效應(yīng)進(jìn)行刻畫(huà)。

綜上,以斷層、地震峰值加速度、場(chǎng)地類(lèi)型、場(chǎng)地土類(lèi)型交界作為地震動(dòng)破壞下的三級(jí)指標(biāo)。

通過(guò)以上分析,失效事件不能直接作為指標(biāo),可考慮指標(biāo)選取的完整性、科學(xué)性、可運(yùn)算性、相互獨(dú)立性、簡(jiǎn)約性、定量和定性相結(jié)合原則,進(jìn)行故障樹(shù)失效事件的篩選,確定城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系中的其余各層級(jí)指標(biāo)。

③ 鋼管和PE管地震易損性評(píng)估說(shuō)明

需說(shuō)明的是,本文對(duì)鋼管和PE管兩種管材類(lèi)型的城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)開(kāi)展地震易損性評(píng)估。

a.兩種管材震害風(fēng)險(xiǎn)上表現(xiàn)一致

指標(biāo)設(shè)置上,針對(duì)兩種管材類(lèi)型在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)震害風(fēng)險(xiǎn)上表現(xiàn)一致的指標(biāo),采用同一指標(biāo)、同一風(fēng)險(xiǎn)劃分的方式進(jìn)行評(píng)估。

b.兩種管材震害風(fēng)險(xiǎn)上表現(xiàn)不一致

針對(duì)兩種管材類(lèi)型在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)震害風(fēng)險(xiǎn)上表現(xiàn)不一致的指標(biāo),采用同一指標(biāo)、不同風(fēng)險(xiǎn)劃分的方式進(jìn)行評(píng)估。

c.兩種管材震害風(fēng)險(xiǎn)完全不交叉

針對(duì)兩種管材類(lèi)型在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)震害風(fēng)險(xiǎn)上完全不交叉的評(píng)估指標(biāo),如管道腐蝕和管道老化分別發(fā)生在鋼管和PE管,根據(jù)“異或”邏輯關(guān)系,實(shí)際地震易損性評(píng)估中二選一進(jìn)行評(píng)估。

3.2.2序關(guān)系法

采用序關(guān)系法確定城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重。序關(guān)系法不需要構(gòu)建判斷矩陣,且無(wú)一致性檢查,可操作性強(qiáng)[10]。

根據(jù)上面分析方法,得到城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系各級(jí)指標(biāo)及權(quán)重,見(jiàn)表1(表中空白表示無(wú)此項(xiàng),“—”表示權(quán)重不參與計(jì)算)。

4 地震易損性確定

4.1 地震易損性

根據(jù)故障樹(shù)邏輯關(guān)系建立的城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系,城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性值為地震危險(xiǎn)性評(píng)分值與管道基礎(chǔ)條件評(píng)分值的乘積。在指標(biāo)體系中,往往存在多個(gè)具有下一層級(jí)指標(biāo)的復(fù)合指標(biāo),定義各個(gè)底層指標(biāo)的評(píng)分值為0～5分。

圖6 管道施工失效故障樹(shù)

圖7 第三方損傷失效故障樹(shù)

圖8 誤操作失效故障樹(shù)

表1 城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系各級(jí)指標(biāo)及權(quán)重

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

在故障樹(shù)分析中,已分析到影響管道震害失效的因素之間存在“與”“或”“異或”關(guān)系。由于城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系中的各級(jí)指標(biāo)來(lái)源于故障樹(shù),因此指標(biāo)之間也存在“與”“或”“異或”關(guān)系。

在已建立的指標(biāo)體系表1中,只有“H2S和CO2含量”與“凝析水含量”、“土壤腐蝕性物質(zhì)”與“土壤含水量”、“拉應(yīng)力腐蝕”與“交變應(yīng)力腐蝕”是“與”關(guān)系。“異或”關(guān)系指標(biāo)只存在于同一層級(jí),二者不同時(shí)發(fā)生。在指標(biāo)體系中,由于城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)常用的管材有鋼管和PE管,鋼管和PE管的相關(guān)指標(biāo)二選一進(jìn)行評(píng)價(jià),這類(lèi)指標(biāo)有“管道腐蝕(鋼管)”與“管道老化(PE管)”、“鋼管連接”與“PE管連接”、“埋地鋼管探測(cè)”與“PE管道示蹤系統(tǒng)完整性”,它們之間的關(guān)系便是“異或”關(guān)系。除此以外的其他指標(biāo)之間均為“或”關(guān)系。

為方便計(jì)算,將待計(jì)算的指標(biāo)稱(chēng)為計(jì)算級(jí)指標(biāo)。計(jì)算級(jí)指標(biāo)是一級(jí)指標(biāo)、二級(jí)指標(biāo)、三級(jí)指標(biāo)、四級(jí)指標(biāo)之一。

“或”關(guān)系的計(jì)算級(jí)指標(biāo)計(jì)算式為:

(2)

式中H——計(jì)算級(jí)指標(biāo)評(píng)分值

n——計(jì)算級(jí)指標(biāo)的下級(jí)指標(biāo)數(shù)量

wk——計(jì)算級(jí)指標(biāo)的下級(jí)指標(biāo)權(quán)重

Ik——計(jì)算級(jí)指標(biāo)的下級(jí)指標(biāo)評(píng)分值

“與”關(guān)系的計(jì)算級(jí)指標(biāo)計(jì)算式為:

(3)

對(duì)于存在“異或”關(guān)系的兩個(gè)指標(biāo),由于“異或”關(guān)系指標(biāo)只存在于同一層級(jí),二者不同時(shí)發(fā)生,因此二選一進(jìn)行評(píng)價(jià)即可。“異或”關(guān)系的指標(biāo)分值計(jì)算不同于邏輯“與”“或”,在二選一后,保留下的指標(biāo)與同一層級(jí)指標(biāo)計(jì)算分值。

4.2 地震易損性等級(jí)

SY/T 6828—2017《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》中,將管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分為高、較高、中、較低、低等級(jí)。因此,可參考該規(guī)范,將城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性分為低易損性、較低易損性、中易損性、較高易損性、高易損性等級(jí)。

地震易損性值最小值記為Vmin,最大值記為Vmax。此處需要強(qiáng)調(diào)的是,由于指標(biāo)體系中部分指標(biāo)存在“異或”關(guān)系,如“管道腐蝕”與“管道老化”不同時(shí)發(fā)生,在評(píng)價(jià)時(shí),根據(jù)實(shí)際情況,Vmax可能出現(xiàn)不一樣的情況,需結(jié)合所評(píng)價(jià)的城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)情況計(jì)算Vmax。

借鑒英國(guó)焊接學(xué)會(huì)的矩陣風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)3∶3∶7∶8∶4的比例對(duì)地震易損性進(jìn)行區(qū)間劃分[11],記Vmin+VmaxVmin的值為Vl,可得城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震相對(duì)易損性值區(qū)間,等級(jí)劃分見(jiàn)表2。

完成城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性值的計(jì)算后,結(jié)合表2中的相對(duì)易損性值區(qū)間,來(lái)評(píng)定城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性等級(jí)。

城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系能夠?qū)Ω鱾€(gè)地區(qū)的城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行地震易損性等級(jí)評(píng)估,得到不同地區(qū)的城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性等級(jí),以進(jìn)一步完善管網(wǎng)震害應(yīng)急預(yù)案與處置等措施[12]。

表2 城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性等級(jí)劃分

5 結(jié)論

① 提出城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性的定義,根據(jù)定義從地震危險(xiǎn)性和管道基礎(chǔ)條件兩個(gè)方面分析影響地震下管道運(yùn)行安全的原因,作為城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系的兩個(gè)一級(jí)指標(biāo)。

② 構(gòu)建城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)震害故障樹(shù),由故障樹(shù)自上而下分析震害事故之間的邏輯關(guān)系,分析地震下影響管網(wǎng)運(yùn)行可靠性的原因,得到城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)。

③ 基于故障樹(shù)中的頂事件、中間事件以及基本事件,篩選符合城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)特點(diǎn)的地震易損性指標(biāo),采用序關(guān)系法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重,建立了一個(gè)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性評(píng)估指標(biāo)體系。

④ 給出城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性值計(jì)算方法,結(jié)合相對(duì)易損性值區(qū)間,評(píng)定城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)地震易損性等級(jí)。