用層次分析法評(píng)價(jià)跨越管橋的洪水風(fēng)險(xiǎn)_安全運(yùn)行

摘要

摘要：對(duì)洪水的風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)是跨越管橋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。為此，針對(duì)跨越管橋相對(duì)于埋地管道的特殊性，采用基于層次分析的綜合指數(shù)法對(duì)管橋洪水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行有效識(shí)別、評(píng)

摘要：對(duì)洪水的風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)是跨越管橋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。為此，針對(duì)跨越管橋相對(duì)于埋地管道的特殊性，采用基于層次分析的綜合指數(shù)法對(duì)管橋洪水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行有效識(shí)別、評(píng)判，并確定出各風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重，對(duì)跨越管橋?yàn)?zāi)害進(jìn)行了危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)分級(jí)并提出相應(yīng)的預(yù)防維護(hù)措施。利用該方法對(duì)走馬臺(tái)北側(cè)90m跨越工程和靖咸線AK19-AK19′跨越工程項(xiàng)目進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，分析結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好。表明該方法可以為跨越管橋洪水風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)與防治提供可靠的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：跨越管橋；洪水；層次分析；綜合指數(shù)法；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；權(quán)重；分級(jí)；預(yù)防

由于特殊的地理?xiàng)l件和自然環(huán)境，跨越工程在整個(gè)集輸工程中仍占有相當(dāng)大的比例。以長(zhǎng)慶油田的集輸管道為例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，平均每公里集輸管道中，就有1處約80m的跨越工程，其投資占整個(gè)集輸工程造價(jià)的8.96%。但是近年來(lái)，幾條主要輸油(氣)干線都遭受了特大洪水的多次沖擊破壞，使油田生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元^[1～3]。

在針對(duì)跨越管橋的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，洪水的風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)是十分重要的，如何對(duì)事故進(jìn)行有效的預(yù)防、控制、預(yù)警和決策，已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。而解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵就在于是否能夠正確地預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)、分析風(fēng)險(xiǎn)以及處理風(fēng)險(xiǎn)^[4～5]。

1 風(fēng)險(xiǎn)分析法原理

層次分析法(the analytic hierarchy process，AHP)是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)專家在20世紀(jì)70年代提出的，將復(fù)雜的決策系統(tǒng)層次化，通過(guò)對(duì)影響目標(biāo)因素的逐層分析，兩兩比較，最終得到各個(gè)基本因素對(duì)目標(biāo)影響強(qiáng)弱的一個(gè)排序。目前該方法已經(jīng)在各行各業(yè)的復(fù)雜系統(tǒng)多方案、多目標(biāo)決策分析中得到廣泛應(yīng)用^[6～7]。管橋系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，其中各因素對(duì)失效后果評(píng)判結(jié)果所起作用(因素權(quán)重)往往難以確定。采用層次分析法，通過(guò)建立多層次結(jié)構(gòu)，對(duì)各因素進(jìn)行逐個(gè)比對(duì)，構(gòu)建成對(duì)比較矩陣，檢驗(yàn)矩陣的一致性，對(duì)矩陣進(jìn)行運(yùn)算得到最終評(píng)判的因素權(quán)重，從而定性定量反應(yīng)各因素的重要程度，為下一步綜合指數(shù)法打下基礎(chǔ)。

綜合指數(shù)法是將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分解為幾個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)各子系統(tǒng)分別選取有代表性的評(píng)價(jià)項(xiàng)目(評(píng)價(jià)因子)，并將其表現(xiàn)程度進(jìn)行等級(jí)劃分，給出歸一化指標(biāo)，將同一子系統(tǒng)內(nèi)各評(píng)價(jià)項(xiàng)目的指標(biāo)值按權(quán)重進(jìn)行疊加，得出一個(gè)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)總指標(biāo)，再將各子系統(tǒng)評(píng)價(jià)總指標(biāo)按權(quán)重疊加，得出每個(gè)評(píng)價(jià)單元總系統(tǒng)的質(zhì)量指數(shù)，然后綜合分析各單元的指數(shù)情況，進(jìn)行整體質(zhì)量的總體評(píng)價(jià)^[8～10]。

2 危險(xiǎn)預(yù)測(cè)因素選擇及判別矩陣

跨越管橋洪水風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)預(yù)測(cè)因素包括洪水的大小(直接因素)、管橋本身、滑坡風(fēng)險(xiǎn)和其他影響因素。河床滑坡的影響因素主要有地形地貌、地層巖性、斜坡結(jié)構(gòu)構(gòu)造形態(tài)類型、水文地質(zhì)條件和人為因素等，此外地震地質(zhì)環(huán)境因素、氣候因素、風(fēng)化因素等對(duì)滑坡穩(wěn)定性、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)都有影響，但這些因素的影響程度不是等同的，有些因素是相互關(guān)聯(lián)的，在一個(gè)不太大的區(qū)域內(nèi)差別不大，是不確定因子，很難在一個(gè)具體地方確定其作用程度和指標(biāo)，可以作為一個(gè)重要的外部條件。因此，在管橋結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)度預(yù)測(cè)中，應(yīng)選擇與危險(xiǎn)度產(chǎn)生直接關(guān)系的危險(xiǎn)預(yù)測(cè)因素，排除那些次要的或與預(yù)測(cè)關(guān)系不大的共同因素^[11～12]。據(jù)研究資料，可選擇10個(gè)因素作為洪水危險(xiǎn)度的預(yù)測(cè)因素^[11～12]，如圖1所示。

在進(jìn)行各因素影響比對(duì)時(shí)，利用1～9標(biāo)度表示各因素的影響強(qiáng)弱，詳見(jiàn)表1。

表1 1～9標(biāo)度的意義表

意義	a_i相對(duì)a_j的重要性
意義	同等	同等-稍微	稍微	稍微-明顯	明顯	明顯-強(qiáng)烈	強(qiáng)烈	強(qiáng)烈-極端	極端	相反
標(biāo)度a_ij	1	2	3	4	5	6	7	8	9	倒數(shù)

根據(jù)表1所示1～9標(biāo)度法，逐項(xiàng)就任意2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較，同時(shí)參考專家意見(jiàn)，確定它們的相對(duì)重要性并賦以相應(yīng)的分值^[13]，得到洪水危險(xiǎn)判斷矩陣對(duì)應(yīng)的元素值，詳見(jiàn)表2。

可以算出λ_max=10.55，歸一化的特征向量，詳見(jiàn)表2：

W=(0.2404，0.1462，0.0634，0.0868，0.0503，0.178，0.0286，0.071，0.108，0.0272)^T。

為驗(yàn)證因素權(quán)重的有效性，需要對(duì)于判斷矩陣A=[a_ij]_n_×n進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。由C_i=(λ_max-n)/(n-1)=(10.55-10)/(10-1)=0.061，查表得隨機(jī)一致性指標(biāo)R_i=1.45^[14]，CR=C_i/R_i=0.061/1.45=0.042，CR＜O.1時(shí)，判斷矩陣有效，滿足一致性要求。

表2 洪水危險(xiǎn)判斷矩陣對(duì)應(yīng)的元素值表

評(píng)價(jià)指標(biāo)	F1	F2	F3	F4	F5	F6	F7	F8	F9	F10
權(quán)重值	0.2404	0.1462	0.0634	0.0868	0.0503	0.178	0.0286	0.071	0.108	0.0272

采用層次分析法得到洪水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值表如表3，可以看出F1、F2、F6權(quán)重值較大，累計(jì)權(quán)重達(dá)表3洪水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值表0.564，在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防中應(yīng)格外予以重視。

3 建立評(píng)價(jià)模型

作用指數(shù)表示各因子在洪水危險(xiǎn)度判別中的作用大小，是一個(gè)相對(duì)比較的數(shù)，是定性分析的定量表示。在分析某一自然現(xiàn)象的形成時(shí)，有主要原因(因子)、次要原因(因子)。利用黃金分割法，對(duì)主要、次要原因進(jìn)行數(shù)學(xué)分割，避免分配因子作用指數(shù)的隨意性。筆者對(duì)洪災(zāi)的判別因子采用“黃金分割”原理來(lái)確定因子三個(gè)等級(jí)的作用指數(shù)工，即危險(xiǎn)性大的作用指數(shù)I取為1，危險(xiǎn)性中等的作用指數(shù)I取0.618，危險(xiǎn)性小的作用指數(shù)I取0.382。危險(xiǎn)判別因子分級(jí)情況見(jiàn)表4。

危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的量化指標(biāo)，是通過(guò)危險(xiǎn)性作用指數(shù)的計(jì)算來(lái)獲取，其風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型為

。式中：R為風(fēng)險(xiǎn)度；ω_i為判別因子的權(quán)向量；I_i為判別因子的作用指數(shù)。

為了對(duì)跨越管橋洪水危險(xiǎn)度進(jìn)行定量和半定量的研究，通常將其分為3個(gè)等級(jí)：危險(xiǎn)性小、危險(xiǎn)性中等和危險(xiǎn)性大，詳見(jiàn)表5。危險(xiǎn)性小的情況不需再做防治工程，危險(xiǎn)性中等時(shí)，在其他不利因素的作用下也能產(chǎn)生危害，因此應(yīng)采取一些輕型的加固措施或防護(hù)工程；危險(xiǎn)性大時(shí)必須視具體情況進(jìn)行防治工程設(shè)計(jì)，以確保線路安全。

表5 跨越管橋洪水危險(xiǎn)度判別表

危險(xiǎn)度判別指數(shù)	危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)	結(jié)構(gòu)狀況	措施方案
R＜0.50	小	系統(tǒng)較為穩(wěn)定，河床斜坡內(nèi)部處于局部蠕滑階段，塔架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)未受到?jīng)_刷侵蝕	制訂、采取預(yù)防措施，防止變形擴(kuò)大，控制破壞的速度和規(guī)模
0.50≤R≤0.70	中等	結(jié)構(gòu)受到一定破壞，出現(xiàn)變形，破壞處于緩慢發(fā)展階段，并逐漸形成破壞，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)開(kāi)始不穩(wěn)定	實(shí)施工程防治措施，穩(wěn)定斜坡，避免其加速破壞加固基礎(chǔ)
R＞0.70	高	管橋受到洪水沖擊，嚴(yán)重變形，易發(fā)生倒塌、斷裂，基礎(chǔ)加速向滑動(dòng)發(fā)展，處于臨滑階段	提前預(yù)防，提高管橋高度，增大行洪空間，對(duì)河岸及基礎(chǔ)進(jìn)行水土保護(hù)加固。對(duì)滑體上的居民實(shí)施搬遷，建立觀測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，建立預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失

4 應(yīng)用示例

對(duì)走馬臺(tái)北側(cè)90m跨越和靖咸線AK19-AK19′兩處跨越進(jìn)行分析。走馬臺(tái)跨越一側(cè)河岸較陡，超過(guò)50°，土質(zhì)為黃土，1994年洛河流域突發(fā)百年一遇特大洪水，資料表明流量達(dá)8100m³/s。AK19-AK19′跨度108m，河岸坡度較小，基礎(chǔ)埋深最淺處為740mm，有少量水沖溝。按圖紙和實(shí)際檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，依據(jù)表3，將兩處跨越的風(fēng)險(xiǎn)因素判別因子評(píng)級(jí)列表如表6。

表6 判別因子評(píng)級(jí)表

跨越管橋	評(píng)價(jià)指標(biāo)作用指數(shù)
跨越管橋	F1	F2	F3	F4	F5	F6	F7	F8	F9	F10
走馬臺(tái)北側(cè)跨越	Ⅲ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅲ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅰ	Ⅲ	Ⅱ	Ⅱ
靖咸線AK19-AK19′	Ⅱ	Ⅰ	Ⅲ	Ⅱ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅱ	Ⅱ	Ⅰ	Ⅱ

計(jì)算得到走馬臺(tái)跨越的風(fēng)險(xiǎn)度R為0.855 552，屬于高危險(xiǎn)度，與當(dāng)時(shí)事故狀態(tài)相符：河岸坍塌，支架基礎(chǔ)被沖毀，支架被沖走，主鋼索及管線被拉斷。而目前在役的AK19-AK19′跨越在50a一遇洪水時(shí)風(fēng)險(xiǎn)值為0.64341，100a一遇洪水時(shí)風(fēng)險(xiǎn)值為0.73534，分別為中等和高危險(xiǎn)度，為保障結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的加固措施，降低因子的風(fēng)險(xiǎn)作用指數(shù)。

5 結(jié)論與建議

1) 采用基于AHP的綜合指數(shù)法對(duì)跨越管橋進(jìn)行針對(duì)洪水的危險(xiǎn)性評(píng)估，方法簡(jiǎn)便可靠，易于掌握，也可應(yīng)用于其他的具體危險(xiǎn)性評(píng)估，值得推廣。

2) 根據(jù)記錄資料，找到跨越管橋在洪水情況下的風(fēng)險(xiǎn)因素，以專家評(píng)分為基礎(chǔ)，用層次分析法確定評(píng)價(jià)因素權(quán)重，通過(guò)判別基本指標(biāo)所處的風(fēng)險(xiǎn)狀況來(lái)推導(dǎo)總風(fēng)險(xiǎn)，較好地克服了確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重的主觀性，評(píng)判結(jié)果更符合實(shí)際情況。

3) 該方法將跨越管段總風(fēng)險(xiǎn)以3種級(jí)別表示，能夠有效實(shí)施管段的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管理；同時(shí)能夠計(jì)算出所有基本指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)狀況以及所有下級(jí)指標(biāo)對(duì)管道總風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重，NNN以找出影響權(quán)重較大的指標(biāo)從而對(duì)管道實(shí)施有針對(duì)性的維護(hù)管理。

4) 加強(qiáng)管橋的管理，定期對(duì)管橋的整體進(jìn)行檢測(cè)和安全評(píng)估，確保管橋處于一個(gè)安全的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)危險(xiǎn)度影響較大的因素主要有洪水大小、管線標(biāo)高和行洪空間及河床巖性，累計(jì)權(quán)重達(dá)0.564，這也與統(tǒng)計(jì)資料中90%左右的跨越工程因行洪空間不夠，基礎(chǔ)被沖垮導(dǎo)致破壞相吻合。應(yīng)著重在這方面進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)、加固基礎(chǔ)，將管橋的失效可能性降到最低。

5) 通過(guò)實(shí)例計(jì)算了走馬臺(tái)北側(cè)跨越和靖咸線AK19-AK19′兩處跨越的危險(xiǎn)性指數(shù)，評(píng)估結(jié)果和實(shí)際結(jié)果吻合較好。另外，管道風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)因素、層次結(jié)構(gòu)、權(quán)重確定還需隨著工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的積累而不斷改進(jìn)，以使模型更為準(zhǔn)確。

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(本文作者：高建¹ 何仁洋² 王德國(guó)¹ 1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院)