摘要：對洪水的風險因素評價是跨越管橋風險評價的重要內(nèi)容。為此，針對跨越管橋相對于埋地管道的特殊性，采用基于層次分析的綜合指數(shù)法對管橋洪水災害的風險因素進行有效識別、評判，并確定出各風險因子的權(quán)重，對跨越管橋災害進行了危險性綜合評價分級并提出相應的預防維護措施。利用該方法對走馬臺北側(cè)90m跨越工程和靖咸線AK19-AK19′跨越工程項目進行了風險分析，分析結(jié)果與實際情況吻合較好。表明該方法可以為跨越管橋洪水風險的預測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；風險評價；權(quán)重；分級；預防
由于特殊的地理條件和自然環(huán)境，跨越工程在整個集輸工程中仍占有相當大的比例。以長慶油田的集輸管道為例，據(jù)不完全統(tǒng)計，平均每公里集輸管道中，就有1處約80m的跨越工程，其投資占整個集輸工程造價的8.96%。但是近年來，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)受到嚴重影響，經(jīng)濟損失達數(shù)億元[1～3]。
在針對跨越管橋的風險評價中，洪水的風險因素評價是十分重要的，如何對事故進行有效的預防、控制、預警和決策，已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。而解決這一問題的關(guān)鍵就在于是否能夠正確地預測風險、分析風險以及處理風險[4～5]。
1 風險分析法原理
層次分析法(the analytic hierarchy process，AHP)是美國運籌學專家在20世紀70年代提出的，將復雜的決策系統(tǒng)層次化，通過對影響目標因素的逐層分析，兩兩比較，最終得到各個基本因素對目標影響強弱的一個排序。目前該方法已經(jīng)在各行各業(yè)的復雜系統(tǒng)多方案、多目標決策分析中得到廣泛應用[6～7]。管橋系統(tǒng)比較復雜時，其中各因素對失效后果評判結(jié)果所起作用(因素權(quán)重)往往難以確定。采用層次分析法，通過建立多層次結(jié)構(gòu)，對各因素進行逐個比對，構(gòu)建成對比較矩陣，檢驗矩陣的一致性，對矩陣進行運算得到最終評判的因素權(quán)重，從而定性定量反應各因素的重要程度，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)分解為幾個子系統(tǒng)，對各子系統(tǒng)分別選取有代表性的評價項目(評價因子)，并將其表現(xiàn)程度進行等級劃分，給出歸一化指標，將同一子系統(tǒng)內(nèi)各評價項目的指標值按權(quán)重進行疊加，得出一個子系統(tǒng)評價總指標，再將各子系統(tǒng)評價總指標按權(quán)重疊加，得出每個評價單元總系統(tǒng)的質(zhì)量指數(shù)，然后綜合分析各單元的指數(shù)情況，進行整體質(zhì)量的總體評價[8～10]。
2 危險預測因素選擇及判別矩陣
跨越管橋洪水風險的危險預測因素包括洪水的大小(直接因素)、管橋本身、滑坡風險和其他影響因素。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、風化因素等對滑坡穩(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，在一個不太大的區(qū)域內(nèi)差別不大，是不確定因子，很難在一個具體地方確定其作用程度和指標，可以作為一個重要的外部條件。因此，在管橋結(jié)構(gòu)危險度預測中，應選擇與危險度產(chǎn)生直接關(guān)系的危險預測因素，排除那些次要的或與預測關(guān)系不大的共同因素[11～12]。據(jù)研究資料，可選擇10個因素作為洪水危險度的預測因素[11～12]，如圖1所示。
在進行各因素影響比對時，利用1～9標度表示各因素的影響強弱，詳見表1。
表1 1～9標度的意義表
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意義
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ai相對aj的重要性
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同等
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同等-稍微
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稍微
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稍微-明顯
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明顯
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明顯-強烈
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強烈
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強烈-極端
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極端
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相反
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標度aij
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1
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2
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3
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4
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5
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6
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7
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8
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9
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倒數(shù)
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根據(jù)表1所示1～9標度法，逐項就任意2個評價指標進行比較，同時參考專家意見，確定它們的相對重要性并賦以相應的分值[13]，得到洪水危險判斷矩陣對應的元素值，詳見表2。
可以算出λmax=10.55，歸一化的特征向量，詳見表2：
W=(0.2404，0.1462，0.0634，0.0868，0.0503，0.178，0.0286，0.071，0.108，0.0272)T。
為驗證因素權(quán)重的有效性，需要對于判斷矩陣A=[aij]n×n進行一致性檢驗。由Ci=(λmax-n)/(n-1)=(10.55-10)/(10-1)=0.061，查表得隨機一致性指標Ri=1.45[14]，CR=Ci/Ri=0.061/1.45=0.042，CR＜O.1時，判斷矩陣有效，滿足一致性要求。
表2 洪水危險判斷矩陣對應的元素值表
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評價指標
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F1
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F2
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F3
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F4
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F5
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F6
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F7
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F8
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F9
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F10
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權(quán)重值
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0.2404
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0.1462
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0.0634
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0.0868
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0.0503
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0.178
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0.0286
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0.071
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0.108
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0.0272
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采用層次分析法得到洪水危險評價指標權(quán)重值表如表3，可以看出F1、F2、F6權(quán)重值較大，累計權(quán)重達表3洪水危險評價指標權(quán)重值表0.564，在風險預防中應格外予以重視。
3 建立評價模型
作用指數(shù)表示各因子在洪水危險度判別中的作用大小，是一個相對比較的數(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，有主要原因(因子)、次要原因(因子)。利用黃金分割法，對主要、次要原因進行數(shù)學分割，避免分配因子作用指數(shù)的隨意性。筆者對洪災的判別因子采用“黃金分割”原理來確定因子三個等級的作用指數(shù)工，即危險性大的作用指數(shù)I取為1，危險性中等的作用指數(shù)I取0.618，危險性小的作用指數(shù)I取0.382。危險判別因子分級情況見表4。
危險性評價的量化指標，是通過危險性作用指數(shù)的計算來獲取，其風險計算模型為
。式中：R為風險度；ωi為判別因子的權(quán)向量；Ii為判別因子的作用指數(shù)。
。式中：R為風險度；ωi為判別因子的權(quán)向量；Ii為判別因子的作用指數(shù)。 為了對跨越管橋洪水危險度進行定量和半定量的研究，通常將其分為3個等級：危險性小、危險性中等和危險性大，詳見表5。危險性小的情況不需再做防治工程，危險性中等時，在其他不利因素的作用下也能產(chǎn)生危害，因此應采取一些輕型的加固措施或防護工程；危險性大時必須視具體情況進行防治工程設計，以確保線路安全。
表5 跨越管橋洪水危險度判別表
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危險度判別指數(shù)
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危險性評價
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結(jié)構(gòu)狀況
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措施方案
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R＜0.50
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小
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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
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制訂、采取預防措施，防止變形擴大，控制破壞的速度和規(guī)模
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0.50≤R≤0.70
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中等
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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)開始不穩(wěn)定
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實施工程防治措施，穩(wěn)定斜坡，避免其加速破壞加固基礎(chǔ)
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R＞0.70
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高
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管橋受到洪水沖擊，嚴重變形，易發(fā)生倒塌、斷裂，基礎(chǔ)加速向滑動發(fā)展，處于臨滑階段
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提前預防，提高管橋高度，增大行洪空間，對河岸及基礎(chǔ)進行水土保護加固。對滑體上的居民實施搬遷，建立觀測系統(tǒng)，加強現(xiàn)場觀測，建立預警預報系統(tǒng)，避免人員傷亡和財產(chǎn)損失
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4 應用示例
對走馬臺北側(cè)90m跨越和靖咸線AK19-AK19′兩處跨越進行分析。走馬臺跨越一側(cè)河岸較陡，超過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。按圖紙和實際檢測獲得的數(shù)據(jù)，依據(jù)表3，將兩處跨越的風險因素判別因子評級列表如表6。
表6 判別因子評級表
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跨越管橋
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評價指標作用指數(shù)
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F1
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F2
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F3
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F4
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F5
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F6
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F7
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F8
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F9
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F10
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走馬臺北側(cè)跨越
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Ⅲ
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Ⅱ
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Ⅲ
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Ⅲ
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Ⅱ
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Ⅲ
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Ⅰ
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Ⅲ
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Ⅱ
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Ⅱ
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靖咸線AK19-AK19′
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Ⅱ
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Ⅰ
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Ⅲ
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Ⅱ
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Ⅱ
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Ⅲ
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Ⅱ
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Ⅱ
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Ⅰ
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Ⅱ
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計算得到走馬臺跨越的風險度R為0.855 552，屬于高危險度，與當時事故狀態(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一遇洪水時風險值為0.64341，100a一遇洪水時風險值為0.73534，分別為中等和高危險度，為保障結(jié)構(gòu)安全，應進行相應的加固措施，降低因子的風險作用指數(shù)。
5 結(jié)論與建議
1) 采用基于AHP的綜合指數(shù)法對跨越管橋進行針對洪水的危險性評估，方法簡便可靠，易于掌握，也可應用于其他的具體危險性評估，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險因素，以專家評分為基礎(chǔ)，用層次分析法確定評價因素權(quán)重，通過判別基本指標所處的風險狀況來推導總風險，較好地克服了確定評價因子權(quán)重的主觀性，評判結(jié)果更符合實際情況。
3) 該方法將跨越管段總風險以3種級別表示，能夠有效實施管段的風險分級管理；同時能夠計算出所有基本指標的風險狀況以及所有下級指標對管道總風險的權(quán)重，NNN以找出影響權(quán)重較大的指標從而對管道實施有針對性的維護管理。
4) 加強管橋的管理，定期對管橋的整體進行檢測和安全評估，確保管橋處于一個安全的運行狀態(tài)。對危險度影響較大的因素主要有洪水大小、管線標高和行洪空間及河床巖性，累計權(quán)重達0.564，這也與統(tǒng)計資料中90%左右的跨越工程因行洪空間不夠，基礎(chǔ)被沖垮導致破壞相吻合。應著重在這方面進行優(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) 通過實例計算了走馬臺北側(cè)跨越和靖咸線AK19-AK19′兩處跨越的危險性指數(shù)，評估結(jié)果和實際結(jié)果吻合較好。另外，管道風險的風險因素、層次結(jié)構(gòu)、權(quán)重確定還需隨著工程實踐經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的積累而不斷改進，以使模型更為準確。
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(本文作者：高建1 何仁洋2 王德國1 1.中國石油大學(北京)；2.中國特種設備檢測研究院)
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