江新 趙力 張騰飛
摘要:強涌潮區(qū)的水域環(huán)境復雜多變,這極大增加了管袋圍堰施工安全管理的難度。為確定強涌潮區(qū)管袋圍堰施工從清基到維護階段的安全管控重點,首先利用系統理論過程分析法(STPA)對施工安全風險因素進行定性分析,從人員、物資、管理、技術、環(huán)境5個維度構建了強涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風險指標體系;然后建立系統動力學(SD)演化模型,并運用網絡層次分析法(ANP)確定各指標權重;最后結合工程實例進行模擬仿真。結果表明:隨著工程推進以及對安全投入的逐步增加,管袋圍堰施工安全風險水平呈現出先大幅上升,后逐步下降,最終趨于平緩的趨勢;人員、物資是清基和吹填期影響施工安全的主要因素,而在排水和維護期,環(huán)境、管理是主要影響因素;人員、管理和環(huán)境這三因素對安全投入變化更為敏感。建議在施工過程中重視不同階段之間的管控重點差異,及時轉換管理策略并采取針對性措施以有效降低施工安全風險。
關 鍵 詞:施工安全風險;管袋圍堰;強涌潮區(qū);系統理論過程分析(STPA);系統動力學(SD)
中圖法分類號:TV513
文獻標志碼:A
DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.022
0 引 言
中國長三角地區(qū)正處于一體化高質量發(fā)展階段,然而沿海大多數灣區(qū)現有的防洪御潮能力尚且不足,還存在工程設防標準偏低,工程結構存在安全隱患[1]等問題。為此,各種防洪御潮和岸線保護工程正在逐步興建,相應的圍堰工程也都在同步建設。相比傳統土石圍堰,管袋圍堰因其低碳節(jié)能、工藝簡單、技術可靠、節(jié)省造價[2]等特點正逐步被廣泛應用。然而灣區(qū)強涌潮水域環(huán)境復雜多變,工程區(qū)域受潮水沖刷嚴重,導致施工現場更容易發(fā)生管袋破損、圍堰滲漏[3]等危險,使人員傷亡、機械損壞等事故發(fā)生概率增大。因此,有必要對強涌潮區(qū)管袋圍堰施工的安全風險進行研究,以提高施工現場的風險防控能力。
近年來,圍堰施工風險的相關問題一直備受學者關注。吳杰良[4]結合WBS-RBS、LEC、風險矩陣法,對鋼套箱圍堰施工風險進行了定級評估。常運超等[5]以南寧市邕寧水利樞紐工程為例,針對不過水圍堰多時段施工導流風險問題,提出了基于Monte-Carlo方法和Copula函數的施工導流水文風險計算模型,并利用TOPSIS決策模型進行了方案決策。 劉沐宇等[6]基于模糊故障樹理論,以武漢鸚鵡洲長江大橋雙壁鋼圍堰為研究對象,提出了雙壁鋼圍堰水中墩施工風險模糊故障樹評價方法。馬小鋒等[7]通過工程事故、地域特性調查來對施工作業(yè)進行分解,以鋼圍堰施工為例進行了LEC定級評估。上述研究將風險矩陣法、TOPSIS決策模型、層次分析法、模糊故障樹理論等應用到圍堰施工風險評價中,且均取得了一定成果,但未反映施工中潛在風險的動態(tài)特性。而且目前學者對強涌潮區(qū)管袋圍堰的研究主要集中在圍堰自身的防滲[8-9]、穩(wěn)定性[10-11]上,與施工過程相適應的風險動態(tài)研究尤為不足。
考慮到強涌潮區(qū)管袋圍堰施工風險因素眾多,且不同風險因素對整個施工過程影響程度不同,因此本文擬利用STPA方法對管袋圍堰在不同施工階段的風險影響因素以及這些因素間的交互關系進行系統定性分析[12],并構建強涌潮區(qū)管袋圍堰施工的安全風險指標體系。同時,結合系統動力學模型來彌補STPA方法只能進行靜態(tài)結構分析的缺陷,構建定量的動態(tài)強涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風險演化模型,進一步剖析風險隨時間的變化特性,明確施工過程中的關鍵風險因素。
1 強涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風險STPA分析
1.1 STPA方法基本原理
STPA方法是一種基于系統理論的事故因果關系模型[13]。在分析過程中,STPA法不僅考慮了組件間故障,還考慮了其相互作用導致的事故,并結合主動安全控制行為和風險管理策略來解決復雜系統問題。
1.2 系統級事故和風險確定
(1)系統級事故確定。系統級事故是一種導致系統產生意外損失的事件[14]。依據對事故報告的梳理分析,管袋圍堰施工系統級事故主要包括:因施工造成的人員傷亡(A-1),施工過程中堰體坍塌(A-2),施工過程中設備、材料損壞(A-3)。
(2)系統級危險確定。系統級危險是指系統在特定不利狀態(tài)或條件影響下可能會導致事故的發(fā)生[14]。根據文獻梳理,管袋圍堰施工中主要的系統級危險如表1所列。
1.3 控制結構構建
結合管袋圍堰實際施工情況,建立包含控制器、執(zhí)行器、控制過程和傳感器的控制結構,如圖1所示。
1.4 不安全控制行為及致因分析
1.4.1 不安全控制行為識別
在STPA法實施過程中,主要識別以下4種不安全控制行為(UCA):① 未提供控制行為;② 提供危險控制行為;③ 提供控制行為時機有誤;④ 控制行為結束過早或作用時間太長[13]。在強涌潮區(qū)管袋圍堰施工過程中,主要控制行為包括清基、圍堰吹填、圍堰排水、圍堰維護。通過研究圍堰施工的事故報告和相關文獻資料,對管袋圍堰在強涌潮區(qū)施工的不安全控制行為和潛在危險展開了詳細分析,見表2。
1.4.2 不安全控制行為致因分析
在識別出潛在的不安全控制行為后,結合系統級事故和風險確定的因素,根據管袋圍堰施工過程的控制結構,按照施工階段進行全面分析。
(1) 圍堰清基階段。頻繁的潮位變化會造成河床塊石散布,如果作業(yè)人員因疏忽未對施工現場進行全面清理,會導致塊石、拋石等硬物對管袋表面施加應力,加上頂部荷載的作用,易引起管袋破裂。此外,這也會使圍堰整體無法坐落在穩(wěn)定的土體上,增大圍堰滑移[15]的風險。
(2) 圍堰吹填階段。在準備充填時,已加工土工袋運至施工現場時需妥善放置,否則可能會造成破損和老化。在使用泥漿泵進行底袋充填時,要考慮充填壓力,壓力過大會導致頂袋最大拉力變大[16],從而增加管袋被拉壞的風險。此外,高強度使用泥漿泵吹填會導致設備負荷和人員疲勞程度增大,從而影響施工效率。強涌潮水域常有大風[17]、濃霧出現,在進行高層管袋鋪設時,大風可能導致大型機械設備傾覆、吊物大幅度擺動,增大物體打擊的風險。濃霧天氣會嚴重影響工人視野,且若無警示標識提醒,施工人員在工作面受限的高層管袋作業(yè)會很容易發(fā)生墜落事故。同時,整個吹填過程還需進行錯縫施工并控制層間吹填時間間隔[2],以確保沒有通縫,否則會增大圍堰滑移、坍塌的風險。
(3) 圍堰排水階段。越浪、地下滲水、大氣降水量[18]等因素是積水的主要來源,亦是選擇適配型號抽水泵的重要參考依據。若忽視對氣候、地質環(huán)境的實時觀測,將會難以及時調整排水速度,從而導致河床淤積[19],加大基底失穩(wěn)的風險。
(4) 圍堰維護階段。施工現場位于強涌潮水域,潮流每日兩漲兩落[20],涌潮水流作用于涉水建筑物基礎時,水位和流速都在某一瞬間突然變化,而且水流湍急,流速和壓力瞬時變化的脈動性較強[21]。若未安排專人定期巡查和實時觀測沉降位移,處于這種復雜水域中的管袋破裂、越浪[10]等隱患將無法及時被發(fā)現,從而增加事故發(fā)生的可能性。
施工各階段主要涉及的風險因素歸納如圖2所示。
1.5 安全風險因素指標構建
基于1.4節(jié)的致因分析結果,從人員、物資、管理、技術、環(huán)境5個維度總結提取出管袋圍堰施工安全風險的影響因素,對已確定的因素進行問卷調查分析并進行信效度檢驗,確保其合理性,最后構建強涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風險指標體系,如圖3所示。
2 強涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風險SD模型構建
2.1 模型邊界確定與基本假設
在STPA的驅動下,從施工安全事故發(fā)生過程的角度出發(fā),以強涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風險為系統對象,確定人員、物資、管理、技術、環(huán)境5個子系統作為模型邊界來提高模型有效性,并提出以下假設。
(1)假設1:僅考慮5個子系統中各風險因素相互作用導致的管袋圍堰施工安全風險,其他變量作為影響力過小的外生變量不在模型中考慮。
(2)假設2:不考慮政治、地震等會導致系統分析失效的突變因素。
(3)假設3:管理者對管袋圍堰施工的風險管控能力有限,不能完全消除風險帶來的不良影響。
2.2 因果關系圖建立
以1.3節(jié)的控制反饋結構、1.4節(jié)不安全控制行為致因和建立的指標體系為基礎,結合安全投入的管控來構建總體因果關系圖,如圖4所示。
2.3 存量流量圖構建
為進一步分析管袋圍堰安全風險的演化趨勢和風險特征,以因果關系分析的結果為基礎,將強涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風險5個子系統進行整合,并應用Vensim DSS進行建模,最終得到存量流量圖模型,該模型包括6個水平變量、12個速率變量和28個常量等因子,如圖5所示。
3 實例仿真
本次研究以海寧市百里錢塘綜合整治提升工程一期(鹽倉段)的外江圍堰工程2號低丁壩段為案例進行分析。該圍堰處于強涌潮水域,平行于標準塘布置,總長約0.6 km,兩側采用土工管袋灌土,鋼管加固,中間采用吹填土,圍堰頂寬7 m,上、下游平均坡比1∶1.5,初定工期約為16周。
3.1 演化模型參數確定
3.1.1 確定安全風險指標權重
強涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風險的存在并非單一因素所致,而是由多個因素交互作用引發(fā)。其安全風險因素網絡結構如圖6所示。
為確保權重的合理性,邀請從事圍堰施工的技術專家、安全評估專家、項目管理人員等參與評估和權重計算工作。利用Super Decisions軟件計算未加權、加權和極限的超矩陣,得出各級安全風險指標權重,如表3所列。
3.1.2 確定常量參數初值
為確保參數具有可比性和可計算性,使用1~9標度法對強涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風險影響程度進行分析。在這個范圍內,1代表該因素對管袋圍堰施工影響甚微,而9代表該因素對其有極大影響。以工程基礎資料和施工試驗期間收集到的項目監(jiān)測報告為依據,請專家對構筑的底層指標進行三點估值法打分,取其算術平均值作為各底層施工安全風險程度初值(表4)。
3.1.3 主要變量的系統方程式確定
根據建立的指標體系,結合存量流量圖并以各因素的權重為系數,參考相關SD模型文獻[22-23],確定管袋圍堰施工風險的SD模型變量方程,主要變量方程式如表5所列。
3.2 風險仿真分析及防控措施
將3.1節(jié)中的安全風險指標權重以及常量參數初值根據方程式導入模型中,模型時間范圍設置為0~16,單位為周,以0.031 25為時間步長對安全風險進行模擬。
3.2.1 整體風險仿真分析
根據仿真結果(圖7)得知,在清基和吹填開始的前4周,由于材料、設備入場以及施工人員剛進入作業(yè)狀態(tài),除此之外還受強涌潮區(qū)固有的大風、濃霧、涌潮沖刷等環(huán)境因素影響,施工安全風險增長速率持續(xù)上升;在吹填過程中的4~7周,由于施工人員對作業(yè)逐漸熟練、下層管袋的穩(wěn)固定型等原因,施工安全風險增長速率逐漸減小,直至第7周到達峰值時,增長速率趨于0;在第7周之后,實施安全風險管控措施達到一定程度,如加強對管袋的錨固、機械設備及時維護保養(yǎng)等,施工安全風險增長速率轉為負值,施工安全風險水平持續(xù)下降。在第14周之后,管袋圍堰施工進入維護階段,此時人員、機械逐步退場,各項安全監(jiān)測數據僅受強涌潮環(huán)境影響在小幅度內變化,表明此時風險基本處于可控狀態(tài)。
3.2.2 各子系統仿真結果分析
對各子系統分別進行分析,演化結果見圖8。在施工準備階段,受惡劣的強涌潮水域環(huán)境影響,環(huán)境風險水平會有一定的初始累積量。隨著前中期清基和管袋吹填工作的開展,人員和物資風險水平迅速上升達到峰值,剩余風險增速大小排序為環(huán)境>管理>技術。隨著時間推進,工程進行到排水維護階段,伴隨安全投入的增加,各項安全風險均處于下降趨勢,其中人員風險大幅度下降,技術、物資、環(huán)境、管理安全風險緩慢下降。且環(huán)境、管理安全風險整體上高于其他3個子系統。
3.2.3 各子系統敏感性分析
為了進一步確定影響管袋圍堰施工的重要影響因素,以上文仿真結果為依據開展敏感性分析。在敏感圖中,主要以帶寬作為敏感性的參考指標,當帶寬較大時,表示系統對變化更為敏感,反之相反[24]。由圖9~13的敏感性模擬結果可知,在各子系統的底層因素初始值變化幅度為±10%時,人員、物資、管理、技術、環(huán)境的安全風險水平敏感性帶寬分別約為0.67,0.27,0.42,0.28,0.50。故它們的敏感性大小排序為:人員>環(huán)境>管理>技術>物資。
3.2.4 防控措施
強涌潮區(qū)管袋圍堰施工是一個長期過程,在不同施工階段的安全風險都是呈動態(tài)變化的。因此,根據上文仿真結果可針對性地提出以下建議:
(1) 清基、吹填期應重點關注對人員、物資的管控。為降低人員安全風險,應加強安全知識培訓以提高工人安全意識,從而減少違規(guī)作業(yè)行為發(fā)生;合理安排工作時長,使人員工作疲勞程度降低。對于物資安全風險,需要選擇適合強涌潮水域施工的機械,并配置專業(yè)維修隊伍,儲備一定數量零部件,以保證各種機械設備能夠及時更換和保養(yǎng)。管袋和吹填土的供應應嚴格按照采購合同進行控制,加強材料進場檢測,保證進場材料均滿足施工要求。
(2) 排水、維護期應著重針對環(huán)境、管理進行安全投入。為應對環(huán)境安全風險,應及時關注氣象臺發(fā)布的強降雨、臺風預報信息,并加強對管袋垂直沉降和水平位移的變形監(jiān)測,以便能及時排查出風險隱患,提前實施預防或撤離措施。對于管理安全風險,應重點加強對圍堰現場的巡視,以便在發(fā)現管袋破損、管涌滲漏時能第一時間進行補填封堵;及時完善坍塌、物體打擊等事故的應急預案,以便在發(fā)生事故時能及時響應,盡可能將損失降低。
4 結 論
(1) 本文以STPA法為驅動,構建了強涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風險指標體系,并結合SD方法,加入安全投入管控因子,構建強涌潮區(qū)管袋圍堰施工安全風險SD模型,得到了安全風險隨時間變化的趨勢,演化過程與案例實際情況基本相符,驗證了所建立模型的合理性與科學性,可為類似工程的風險管控提供參考。
(2) 由各子系統的風險仿真趨勢得知,在清基吹填階段,人員、物資安全風險水平增速最快;在排水維護階段,環(huán)境、管理安全風險水平居高不下。因此可在不同施工階段提前對安全風險因素進行針對性地管控,可避免施工安全生產事故的發(fā)生。
(3) 敏感性模擬結果顯示,各子系統中人員、管理、環(huán)境對各個風險因素初值變化更為敏感,而技術、物資相對不太敏感。故對人員、管理、環(huán)境應進行更多的安全投入,成效會更顯著。
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(編輯:胡旭東)
Simulation on safety risk of pipe bag cofferdam contruction in strong tidal bore area
JIANG Xin,ZHAO Li,ZHANG Tengfei
(College of Hydraulic & Environmental Engineering,China Three Gorges University,Yichang 443002,China)
Abstract:The water environment in strong tidal areas is complex and changeable,which greatly increases the difficulty of safety management of pipe bag cofferdam construction.In order to determine the key points of management and control of bag cofferdams construction from foundation clearance to maintenance in strong tidal areas,system theory process analysis (STPA)was first used to conduct a qualitative analysis of construction safety risk factors from the five major aspects of personnel,materials,management,technology,and environment.Then a system dynamics (SD)evolution model was established,and the Analytical Network Hierarchy Process (ANP)was used to determine the weight of each indicator.Finally simulations were conducted based on engineering examples.The results showed that with the advancement of the project and the gradual increase in safety investment,the safety risk level of pipe bag cofferdam construction showed a trend of first rising sharply,then gradually declining,and finally leveling off.Personnel and materials were the main influencing factors during the foundation clearing and filling period,while environment and management were the main influencing factors during the drainage and maintenance period.In addition,personnel,management and the environment were more sensitive to safety investment variation.Therefore,during the construction process,it is necessary to pay attention to the differences in management and control priorities between different periods,promptly switch management strategies and take targeted measures to effectively reduce construction safety risks.
Key words:construction safety risk;pipe bag cofferdam;strong tidal bore;system theory process analysis (STPA);system dynamics (SD)