软土区域埋地管道风险评价方法

李亚平,史振龙,齐 峰

(国家管网集团东部原油储运有限公司，江苏 徐州 221008)

0 引言

对于长输油管道来说穿越软土区域几乎难以避免，也有一些原本土质稳定的区域在经历暴雨或者水淹之后转变成软土区域。软土具有一定的流动性，导致其易在外力作用下发生变形。而软土的变形则很有可能引起其内部埋设管道的变形，甚至破坏(见图1)。因此，了解软土变形的诱发因素，分析管道因软土变形而失效的概率，并综合考虑已有的风险防控措施，建立科学的风险评价模型，评价软土区域内敷设管道的风险性，对管道的运营和维护都有着重要的意义。

对于管道地质灾害的风险评价工作，已有不少研究者开展过相关工作。如：早在1996年Muhlbauer[1]就提出了一个管道风险评分指标体系法，但该方法仅从管道本身出发进行考虑并不完善；赵忠刚等[2]对长输管道地质灾害的类型、防控措施和预测方法进行了总结，为后续风险评价方法的研究打下了基础；林铭玉等[3]对国际通用管道风险评价方法进行了改进，修正模型更加深入地考虑了地质灾害的特点。王其磊[4]对长输油管道可能遇见的常见地质灾害(如滑坡、崩塌、泥石流、湿陷等)的影响因素进行了分析，建立了一个风险评价模型。该模型能够对大部分常见的地质灾害进行风险评价，但作者只进行了滑坡灾害评价的验证；刘迎春等[5]提出了基于指标评分法的单体管道地质灾害风险评价方法，该方法主要适用于土质滑坡的风险评价；王珀等[6]对长输管道地质灾害定量风险评价技术进行了研究，但该研究非常浅显并未给出有效的评价方案；林冬[7]、冼国栋等[8]分别发展了管道滑坡灾害风险评价模型；陈杏子[9]以网络神经算法结合大数据对长输管道线域地质灾害进行评价预测，但该方案需要大量的数据作为支撑，以当前的数据量很难获得准确可靠的预测结果。荆宏远等[10]提出了一种管道地质灾害风险的半定量评价方法，并与实际灾害点的案例进行了对比。此外，国外一些研究者也对管道的风险评价进行了研究，如：Sumer等[11]对管道水毁的风险性进行了研究。Jamshidi等[12]以模糊评价法为基础提出了一种管道风险评价方案。Skogdalen等[13]则以事故调查资料为基础，分析风险发生原因，并以此建立了管道风险评价方案。Vianello等[14]基于欧洲管线的失效数据，建立了风险评估方法。Cunha等[15]则以数据拟合的形式给出了管道参数与失效之间的联系。Brissaud等[16]则以环境、设计、使用情况为变量，建立了管道失效风险评价模型。

很明显，当前风险评价模型考虑得相对单一，虽然很多都以管道失效数据为基础进行分析，但并未综合考虑管道失效原因以及管道防护措施。同时，当前对于地质灾害引起的管道风险评价研究还非常缺乏，且现有相关研究还主要集中在管道滑坡灾害的风险性评价方面，对于软土区域管道风险性评价的研究还尚未见报道。本文针对软土区域管道风险性评价展开研究，建立了一个考虑软土地质灾害发生概率、前期防控措施、管道失效概率、已有管道防护措施以及管道失效后果的油气管道风险评价模型。采用本文所提出的风险量化评价模型对软土灾害点进行了量化评价，并与野外勘察成果对比，两者的评价结果基本一致，从而验证了本文所提模型的准确性。

1 软土区域管道风险性评价模型

当前主流的管道风险评价模型的基本框架为：

(1)

其中，R1为量化的风险指标；Ir为管道泄漏的风险指标；Ii为管道泄漏的影响系数。

考虑到灾害风险和防治效果是一个竞争关系，因此，本文的模型框架为：

R2=Ir-Ip

(2)

其中，R2为量化的风险指标；Ir为可能导致管道泄漏的风险指标的和，包括软土地质灾害发生风险指标以及管道失效指标；Ip为防护效果指标，包括灾害体的治理以及管道的防护。可见R2的值越大软土区域管道风险性越大，同时，良好的防护措施可以降低该风险性。

Ir=Irp+Irs

(3)

其中，Irp为管道失效指标；Irs为软土地质灾害发生风险指标。

Ip=Ipp+Ips

(4)

其中，Ipp为管道防护指标；Ips为软土防护指标。

各指标的具体数值为：

(5)

其中，S为Irp,Irs,Ipp,Ips各指标中的子指标的分值(范围在0～1之间)；W为各子指标的权重，各指标内的子指标权重和为1；n为各指标内子指标的数量。

同时，对于管道失效后果，也可参考式(5)进行计算：

(6)

其中，Rfc为管道失效后果指标；Sfc为管道失效后果指标的子指标；Wfc为各子指标的权重；j为子指标的数量。

那么以R2为横坐标;Rfc为纵坐标，可以获得一个封闭的风险坐标系，将风险坐标系内的区域进行风险等级划分，即可用于评价软土地质灾害下管道的风险性。

2 模型验证

2.1 指标及权重的获取

通过分析管道沿线软土灾害的影响因素可知，软土区域形成的主要诱发因素(如表1所示)包括[17]：土层性质、地貌特征、降雨强度；软土地区管道失效的主要影响因素(如表2所示)包括[18]：管道与软土层相对位置关系、管道的埋深、管道周边人类工程活动强度、地质灾害的影响；软土防护措施(如表3所示)有多种[19]，包括土体补强、材料加筑、土体置换、夯实、挤密等，以及排水截水从源头上改善软土区域，因此，可以将软土加固分为两类考虑：土层加固和排水截水；管道变形防护措施(如表3所示)[20]包括：套管防护和盖板防护。管道失效后果主要(如表4所示)考虑：生命安全、环境安全和财产安全。

表1 软土区域形成的概率指标

表2 软土地区管道失效的概率指标

表3 管道软土区域防护措施

表4 管道失效后果

采用传统专家打分法，邀请了5位相关领域的专家对各指标内元素的权重进行了打分，根据专家打分得到各元素权重表，见表5。

表5 指标内各元素的权重

2.2 风险坐标系

评价管道软土灾害的风险性需要从两个维度来进行，即管道失效的概率和管道失效后的后果。从这两个维度将管道风险划分为5个等级，即：极低风险、较低风险、较高风险和高风险，见图2。

其中极低风险区域毋须采取任何措施；较低风险区域属于可接受风险，可采取巡检措施来观察发展；较高风险区，属于有条件接受的风险，需要提高观察频率，必要时可以采取防控措施；高风险区域则属于不可接受风险，需要在规定时间内采取防控措施降低风险，如采取工程措施加固土体、更换受损管道，必要时可绕过软土风险区。

3 模型验证

以2018年仪扬线南京夹江东北侧化工大道旁管道软土事故案例进行分析。根据资料显示，该处土体为软塑～流塑状态的淤泥土具有强湿陷性(软土区形成的概率指标分值：1)，管道位置地形平坦(软土区形成的概率指标分值：0)，降水量丰富(南京市年均降水量大于1 000 mm)(软土区形成的概率指标分值：1)；管道穿过大面积软土中心(软土区管道失效概率指标分值：1)，埋深5 m～6 m(软土区管道失效概率指标分值：0)，管道左侧载荷常年大于右侧(等同于近距离、中等质量堆载)(软土区管道失效概率指标分值：0.75)，地形条件良好不受地质灾害影响(软土区管道失效概率指标分值：0)；除了在埋设时对管道土层进行加固外并未进行其他防护措施(管道软土区域防护措施分值：0.5)。根据式(2)～式(5)，结合表1～表3，表5中提供的分值，计算得到管道失效风险概率为：

Rfc=1×0.44+0×0.26+1×0.3+1×0.27+0.75×0.21+0×0.27-0.44×0.5=0.947 5。

若管道内容物泄漏可能引发如下后果：1)由于管道地处主干道旁(见图1)，泄漏如果引发大火可能导致人员伤亡(管道失效后果分值：0.75)。2)周围环境价值一般，如果泄漏不会对环境造成不可逆的损失(管道失效后果分值：0.75)。3)如果泄漏可能导致的财产损失一般(管道失效后果分值：0.5)。根据式(6)，结合表4,表5提供的分值，计算管道失效后果指标为：

R2=0.75×0.6+0.75×0.3+0.5×0.1=0.725。

根据上述描述，使用本模型对管道风险进行评价，可以得出：管道失效的概率指标为0.947 5和管道失效后的后果指标为0.725，对应图2可以看出，该区域为较高风险区域。

实际上，管道管理方于2018年8月管道经内检测发现管道变形超限，随后对该区域13 m范围内的管道进行开挖后发现管道中部出现了向下较大的弯曲变形，管道上部表面发生了变形褶皱，但尚未发生泄漏(见图3)。经对比模型预测与实际案例，可以看出模型预测结论比较准确。

4 结论

本文基于目前软土地区埋地管道风险评价工作存在的一些不足，通过综合考虑土地质灾害发生概率、前期防控措施、管道失效概率、已有管道防护措施以及管道失效后果的油气管道风险评价模型,得出以下结论：

1)本文通过综合将软土地区管道风险概率分为两部分,即管道失效指标及管道防护指标，通过评价二者相互作用，综合计算管道风险指标。所提模型具有简单明了，能客观、全面地反映各因素对管道软土地质灾害影响的特点。

2)本文纳入专家打分法，客观评价每种因子的权重，增强管道风险评价模型的合理性与可靠性。

3)以实际软土地质灾害案例为例，对比模型预测结果与实际勘察结果，可以看出该模型预测较为准确。