高建何仁洋王德國

1.中國石油大學(xué)(北京) 2.中國特種設(shè)備檢測研究院

用層次分析法評價跨越管橋的洪水風(fēng)險

高建1何仁洋2王德國1

1.中國石油大學(xué)(北京) 2.中國特種設(shè)備檢測研究院

高建等.用層次分析法評價跨越管橋的洪水風(fēng)險.天然氣工業(yè),2010,30(2):106-109.

對洪水的風(fēng)險因素評價是跨越管橋風(fēng)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(zāi)害的風(fēng)險因素進(jìn)行有效識別、評判,并確定出各風(fēng)險因子的權(quán)重,對跨越管橋災(zāi)害進(jìn)行了危險性綜合評價分級并提出相應(yīng)的預(yù)防維護(hù)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(jìn)行了風(fēng)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(fēng)險的預(yù)測與防治提供可靠的技術(shù)支持。

跨越管橋 洪水 層次分析 綜合指數(shù)法 風(fēng)險評價 權(quán)重 分級 預(yù)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(dāng)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(yán)重影響,經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元[1-3]。

在針對跨越管橋的風(fēng)險評價中,洪水的風(fēng)險因素評價是十分重要的,如何對事故進(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(yù)測風(fēng)險、分析風(fēng)險以及處理風(fēng)險[4-5]。

1 風(fēng)險分析法原理

層次分析法(the analytic hierarchy process, A HP)是美國運(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,通過對影響目標(biāo)因素的逐層分析,兩兩比較,最終得到各個基本因素對目標(biāo)影響強(qiáng)弱的一個排序。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,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(jìn)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(jìn)行運(yùn)算得到最終評判的因素權(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(jìn)行等級劃分,給出歸一化指標(biāo),將同一子系統(tǒng)內(nèi)各評價項目的指標(biāo)值按權(quán)重進(jìn)行疊加,得出一個子系統(tǒng)評價總指標(biāo),再將各子系統(tǒng)評價總指標(biāo)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(jìn)行整體質(zhì)量的總體評價[8-10]。

2 危險預(yù)測因素選擇及判別矩陣

跨越管橋洪水風(fēng)險的危險預(yù)測因素包括洪水的大小(直接因素)、管橋本身、滑坡風(fēng)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(fēng)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(biāo),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(yù)測中,應(yīng)選擇與危險度產(chǎn)生直接關(guān)系的危險預(yù)測因素,排除那些次要的或與預(yù)測關(guān)系不大的共同因素 。據(jù)研究資料,可選擇10個因素作為洪水危險度的預(yù)測因素[11-12],如圖1所示。

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

圖1 洪水危險預(yù)測因素結(jié)構(gòu)示意圖

表1 1～9標(biāo)度的意義表

根據(jù)表1所示1～9標(biāo)度法,逐項就任意2個評價指標(biāo)進(jìn)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(yīng)的分值[13],得到洪水危險判斷矩陣對應(yīng)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(jìn)行一致性檢驗。由 Ci=(λmax-n)/(n-1) =(10.55-10)/(10-1)=0.061,查表得隨機(jī)一致性指標(biāo) Ri=1.45[14],CR=Ci/Ri=0.061/1.45=0.042, CR<0.1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(yīng)的元素值表

表3 洪水危險評價指標(biāo)權(quán)重值表

采用層次分析法得到洪水危險評價指標(biāo)權(quán)重值表如表3,可以看出F1、F2、F6權(quán)重值較大,累計權(quán)重達(dá)0.564,在風(fēng)險預(yù)防中應(yīng)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(jìn)行數(shù)學(xué)分割,避免分配因子作用指數(shù)的隨意性。筆者對洪災(zāi)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) I,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。

表4 危險判別因子分級表

危險性評價的量化指標(biāo),是通過危險性作用指數(shù)的計算來獲取,其風(fēng)險計算模型為式中:R為風(fēng)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(jìn)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(yīng)采取一些輕型的加固措施或防護(hù)工程;危險性大時必須視具體情況進(jìn)行防治工程設(shè)計,以確保線路安全。

表5 跨越管橋洪水危險度判別表

4 應(yīng)用示例

對走馬臺北側(cè)90m跨越和靖咸線A K19-A K19′兩處跨越進(jìn)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(dá)8100m3/s。A K19-A K19′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(fēng)險因素判別因子評級列表如表6。

表6 判別因子評級表

計算得到走馬臺跨越的風(fēng)險度 R為0.855552,屬于高危險度,與當(dāng)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A K19-A K19′跨越在50a一遇洪水時風(fēng)險值為0.64341,100a一遇洪水時風(fēng)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(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的加固措施,降低因子的風(fēng)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(jìn)行針對洪水的危險性評估,方法簡便可靠,易于掌握,也可應(yīng)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(fēng)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(biāo)所處的風(fēng)險狀況來推導(dǎo)總風(fēng)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(fēng)險以3種級別表示,能夠有效實施管段的風(fēng)險分級管理;同時能夠計算出所有基本指標(biāo)的風(fēng)險狀況以及所有下級指標(biāo)對管道總風(fēng)險的權(quán)重,因而可以找出影響權(quán)重較大的指標(biāo)從而對管道實施有針對性的維護(hù)管理。

4)加強(qiáng)管橋的管理,定期對管橋的整體進(jìn)行檢測和安全評估,確保管橋處于一個安全的運(yùn)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(biāo)高和行洪空間及河床巖性,累計權(quán)重達(dá)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(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)通過實例計算了走馬臺北側(cè)跨越和靖咸線A K19-A K19′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(fēng)險的風(fēng)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(jìn),以使模型更為準(zhǔn)確。

[1]高俊凱,戴家齊.國內(nèi)外油氣管道穿跨越工程資料匯編[M].北京:石油工業(yè)出版社,1999.

[2]王黎明,孟興業(yè),胡西峰.長慶油田管道穿跨越工程防洪問題[J].石油工程建設(shè),1995,21(4):8-10.

[3]羅小蘭,向啟貴,銀小兵,等.關(guān)于天然氣管道環(huán)境風(fēng)險評價的認(rèn)識[J].石油與天然氣化工,2008,37(6):532-534.

[4]馬劍林,陳利瓊,張鵬,等.油氣管道定量風(fēng)險評價體系研究[J].油氣儲運(yùn),2006,25(12):24-26.

[5]王進(jìn)香,喬蓓.隧道施工危險性分析及安全對策措施初探[J].石油與天然氣化工,2008,37(2):174-176.

[6]THOMAS L SAATY.The analytic hierarchy process[M]. NewYork:McGraw-Hill,1980.

[7]LI BAIZHAN.Assessing the influence of indoor environment on productivity in offices[D].U K:University of Reading,1998.

[8]蘭繼斌.關(guān)于層次分析法優(yōu)先權(quán)重及模糊多屬性決策問題研究[D].成都:西南交通大學(xué),2002:18-33.

[9]黃小美,李百戰(zhàn),彭世尼,等.基于層次分析和模糊綜合評判的管道風(fēng)險評價[J].煤氣與熱力,2008,28(2).

[10]KENT MUHLBAUER W.Pipeline risk management manual[M].2nd ed.Houston:Gulf Publishing Company,1996.

[11]易云兵,姚安林,姚林,等.油氣管道風(fēng)險評價技術(shù)概述[J].天然氣與石油,2005,23(3):16-19.

[12]劉慶剛,沈士明.層次分析法在管橋失效后果評判中的應(yīng)用[J].油氣儲運(yùn),2008,27(3):12-14.

[13]向望,華明,白志勇.基于層次分析的綜合指數(shù)法對滑坡危險性評價[J].路基工程,2008(5):197-198.

[14]黃貫虹,方剛.系統(tǒng)工程方法與應(yīng)用[M].廣州:暨南大學(xué)出版社,2005.

(修改回稿日期 2009-11-20 編輯 何 明)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.028

G ao Jian,born in1982,is studying for a Ph.D degree,being engaged in oil and gas surface engineering works.

Add:B620,No.2,Xiyuan,Heping Street,Beijing100013,P.R.China

Mobile:+86-13810614721 E-mail:gaoj6666@163.com

Flood risk assessment on pipeline bridge based on the analytic hierarchy process(AHP)

Gao Jian1,He Renyang2,Wang Deguo1
(1.China University ofPetroleum,Beijing102249,China;2.China S pecial Equipment Inspection and Research Institute,Beijing100013,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE2,pp.106-109,2/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

The risk factor assessment on flood is important for pipeline bridges.In view of the particularity of pipeline bridges when compared with the buried pipelines,the paper discusses how to effectively identify and judge the risk factors of flood by means of the synthetical index method(SIM)based on the analytic hierarchy process(AHP).It figures out the weighing of various risk factors. Besides,it performs integrative risk assessment and classification on the pipeline bridge disasters.With this method,we conducted a risk analysis on the90m pipeline bridge which is located north of Zoumatai and the AK19-AK19’pipeline bridge of Jingbian-Xianyang Pipeline.The result is just in line with the reality.It shows that the method can provide reliable technical supports to the risk prediction and prevention of pipeline bridges.

pipeline bridge,flood,analytic hierarchy process(AHP),synthetical index method(SIM),risk assessment,weighing, classification,prevention

book=106,ebook=167

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.028

國家科技支撐計劃“生命線工程安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號:2006BAK02B01)。

高建,1982年生,博士研究生;主要從事油氣田地面工程研究工作。地址:(100013)北京市和平街西苑2號B620。電話:13810614721。E-mail:gaoj6666@163.com