王珀 嚴(yán)繼發(fā) 尹航 張萌

1中油國(guó)際管道公司

2中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司青海油田分公司

目前，我國(guó)興建了一批輸氣管道工程，如中緬天然氣、中貴天然氣、川氣東送、西氣東輸、中亞天然氣管道工程等，這些管道均具有大管徑、高壓力、高鋼級(jí)的特點(diǎn)。管道沿線多處采用穿跨越方式，沿線水文地質(zhì)情況復(fù)雜，很多區(qū)域內(nèi)伴有坡面水毀、臺(tái)田地水毀、坍塌、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害[1]。據(jù)美國(guó)PHMSA 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，因山體滑坡導(dǎo)致的事故約占自然災(zāi)害的54%，2015 年12 月西氣東輸二線廣深支線因山體滑坡導(dǎo)致管道泄漏，造成73 人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失8.8 億元。為避免滑坡災(zāi)害對(duì)輸氣管道的影響，在設(shè)計(jì)階段通常采取避讓方式，但由于各類原因有些管段必須從已有或潛在的滑坡區(qū)通過(guò)[2]，同時(shí)在建設(shè)和運(yùn)行期間，因人為施工、地震、降雨等活動(dòng)也會(huì)誘發(fā)形成新的滑坡，故滑坡災(zāi)害是一種不可回避的地質(zhì)災(zāi)害[3]。因此，采用客觀公正的方法對(duì)輸氣管道滑坡災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

現(xiàn)階段，滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要集中在失效概率預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)能力分析上。冼國(guó)棟等[4]以西南地區(qū)沿線滑坡災(zāi)害為樣本，建立了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并根據(jù)敏感性進(jìn)行了指標(biāo)篩選，但該方法只考慮了誘災(zāi)環(huán)境，未考慮管道自身或沿線敷設(shè)條件對(duì)滑坡的影響；劉迎春等[5]、鐘威等[6]將滑坡災(zāi)害發(fā)生的可能性劃分為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和管道易損性兩類，通過(guò)層次分析法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，但未考慮監(jiān)測(cè)治理情況對(duì)安全運(yùn)營(yíng)的影響。因此，從孕災(zāi)誘災(zāi)因素、管體承災(zāi)屬性和監(jiān)測(cè)治理措施三方面入手，建立多層次滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，基于突變模型，采用改進(jìn)的突變級(jí)數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)滑坡風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，識(shí)別導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的主要原因，以期為該類管道完整性提供理論依據(jù)和實(shí)際參考。

1 原理和方法

1.1 突變?cè)?/h3>

20 世紀(jì)60 年代，法國(guó)數(shù)學(xué)家THOM 創(chuàng)立了突變理論，該方法綜合了拓?fù)鋵W(xué)、奇點(diǎn)理論和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等手段，對(duì)自然界中的突變行為進(jìn)行了研究。突變級(jí)數(shù)評(píng)價(jià)法注重各指標(biāo)之間的相對(duì)重要度，無(wú)需對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值，避免了主觀判斷對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，在石油化工、水利水電、礦場(chǎng)普查等方面廣泛應(yīng)用。

通常采用勢(shì)函數(shù)表征系統(tǒng)狀態(tài)變量和控制變量的關(guān)系，反映系統(tǒng)的突變性質(zhì)，假設(shè)勢(shì)函數(shù)為f(x)，通過(guò)對(duì)勢(shì)函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)得到臨界點(diǎn)集，對(duì)臨界點(diǎn)集再求一階導(dǎo)數(shù)得到奇點(diǎn)集，將臨界點(diǎn)集和奇點(diǎn)集函數(shù)聯(lián)立消除x得到分歧點(diǎn)方程，由分歧點(diǎn)方程可導(dǎo)出歸一化公式。根據(jù)基本突變模型不超過(guò)5 個(gè)控制變量的要求選擇突變模型，突變模型及歸一化公式見(jiàn)表1。

表1 突變模型及歸一化公式Tab.1 Catastrophic model and normalization formula

1.2 建模步驟

（1）構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)分析評(píng)價(jià)對(duì)象內(nèi)部作用機(jī)理，將難以量化的評(píng)價(jià)對(duì)象逐級(jí)向下分解為底層指標(biāo)。

（2）對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱處理，由于評(píng)價(jià)指標(biāo)的單位和取值范圍均不同，且有些指標(biāo)為定性分析，需要將其轉(zhuǎn)為[0，1]區(qū)間的數(shù)值，分別采用正向指標(biāo)（取值越大越好）、反向指標(biāo)（取值越小越好）和適度指標(biāo)（取值接近某個(gè)值）進(jìn)行計(jì)算，其中適度指標(biāo)采用貢獻(xiàn)率分析法。

正向指標(biāo)：

反向指標(biāo)：

式中：xj為原始數(shù)據(jù)；為無(wú)量綱化后的數(shù)據(jù)；xmin(j)和xmax(j)分別為隸屬函數(shù)的邊界值。

（3）將無(wú)量綱處理的評(píng)價(jià)指標(biāo)代入歸一化公式，計(jì)算得到各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的突變隸屬函數(shù)值，當(dāng)各控制變量之間不存在相互作用時(shí)，取各突變隸屬函數(shù)值的最小值，如燕尾突變類型：x=min[xa，xb，xc]；當(dāng)各控制變量之間存在相互作用時(shí)，取各突變隸屬函數(shù)值的算術(shù)平均值，如燕尾突變類型：。

（4）通過(guò)分析各層控制變量的隸屬函數(shù)值和評(píng)價(jià)體系總的隸屬函數(shù)值，對(duì)應(yīng)失效等級(jí)可能性區(qū)間，得到失效可能性等級(jí)，判斷系統(tǒng)的突變情況。

1.3 改進(jìn)的突變模型

由于歸一化公式的聚焦特性會(huì)導(dǎo)致隸屬函數(shù)值偏高，大部分函數(shù)值接近1 且間距過(guò)小，不利于對(duì)結(jié)果的分類判斷。在此，對(duì)突變模型進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，定義指標(biāo)層的隸屬度值均為xi，根據(jù)前文的建模步驟計(jì)算系統(tǒng)總的隸屬函數(shù)值yi，采用Origin 對(duì)兩者進(jìn)行擬合，通過(guò)擬合公式將計(jì)算得到隸屬函數(shù)值轉(zhuǎn)為yi，同時(shí)失效可能性區(qū)間也相應(yīng)調(diào)整。

1.4 貢獻(xiàn)率法

貢獻(xiàn)率法是計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)各種指標(biāo)對(duì)滑坡發(fā)育的作用大小，比較各類指標(biāo)對(duì)滑坡發(fā)育的貢獻(xiàn)程度，可為滑坡危險(xiǎn)性分析提供可靠依據(jù)。步驟如下：

（1）計(jì)算某指標(biāo)在各評(píng)價(jià)區(qū)間內(nèi)的面積貢獻(xiàn)G1、數(shù)量貢獻(xiàn)G2和規(guī)模貢獻(xiàn)G3，公式為

式中：ai(s)、ai(n)、ai(υ)分別為某指標(biāo)在各區(qū)間內(nèi)的滑坡面積、數(shù)量和體積；S、N、V分別為某指標(biāo)在所有區(qū)間內(nèi)的滑坡面積、數(shù)量和體積。

（2）將公式（3）～（5）的計(jì)算結(jié)果從高到低排序并依次賦值，賦值范圍5 到1，賦值間隔為1，采用求算術(shù)平均值的方法將G1、G2和G3在同一區(qū)間內(nèi)的數(shù)值疊加，計(jì)算不同區(qū)間內(nèi)的綜合貢獻(xiàn)指數(shù)G(ai)，公式為

式中：n為貢獻(xiàn)類型數(shù)量，n=3；G(a)i為不同貢獻(xiàn)類型的數(shù)值。

（3）計(jì)算得到某指標(biāo)對(duì)滑坡發(fā)育的綜合貢獻(xiàn)率G0(ai)，公式為

式中：m為評(píng)價(jià)區(qū)間個(gè)數(shù)。

2 實(shí)例計(jì)算

中緬天然氣管道起點(diǎn)位于緬甸西海岸皎漂地區(qū)，途經(jīng)西海岸濱海低地、若開(kāi)山區(qū)、伊江盆地、撣邦高原、緬北山區(qū)等地貌單元后由瑞麗進(jìn)入中國(guó)，在中國(guó)穿越云南、貴州、廣西、重慶等多個(gè)地區(qū)，全長(zhǎng)1 100 km，設(shè)計(jì)壓力為8～14.5 MPa，外壁采用3PE 防護(hù)層，全線采用密閉輸送工藝。中國(guó)段管道經(jīng)過(guò)橫斷山脈、無(wú)量山脈、喀斯特地貌等復(fù)雜地形，其中云貴地區(qū)地形變化大、坡高谷深、巖層破碎，屬于高地震烈度、高地應(yīng)力、高地?zé)岬摹叭摺被顒?dòng)區(qū)域，加之熱帶季風(fēng)汛期帶來(lái)強(qiáng)降雨甚至極端降雨，常導(dǎo)致滑坡、泥石流等自然災(zāi)害的發(fā)生。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估資料，云貴段共有滑坡及不穩(wěn)定斜坡195 處，泥石流25 處，坍塌18 處，其中滑坡災(zāi)害對(duì)管道安全運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)最大，在此以中緬天然氣管道云貴部分管段為例進(jìn)行管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

2.1 構(gòu)建指標(biāo)體系

通過(guò)對(duì)已有滑坡災(zāi)害的事故統(tǒng)計(jì)和調(diào)研分析，輸氣管道主要受孕災(zāi)誘災(zāi)因素、管體承災(zāi)屬性和監(jiān)測(cè)治理措施三方面影響。孕災(zāi)誘災(zāi)因素是指誘發(fā)坡體發(fā)生滑坡的影響因素，不同地形地貌、地層巖石下發(fā)生滑坡的概率不同，即使同樣環(huán)境因素條件下，受降水量和人類活動(dòng)的影響，滑坡發(fā)生的概率也不同，因此將其細(xì)分為環(huán)境因素和誘發(fā)因素兩種[7-8]；管體承災(zāi)屬性是指可以承受的滑坡體施加應(yīng)力的能力，主要與敷設(shè)情況及材料和運(yùn)行情況有關(guān)；監(jiān)測(cè)治理情況是指采用地表位移、GIS 等相關(guān)技術(shù)，測(cè)試管道應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，判斷管道安全運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)排水保護(hù)、風(fēng)化防護(hù)、抗滑加固等措施進(jìn)行修復(fù)處理，可分為監(jiān)測(cè)情況和治理情況兩種?；聻?zāi)害失效可能性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示，分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層，其中指標(biāo)層共包含22 個(gè)指標(biāo)。當(dāng)滑坡災(zāi)害可能性較大時(shí)，可通過(guò)調(diào)整管體承載敏感性來(lái)降低滑坡造成的危害；對(duì)于已建成管道，孕災(zāi)誘災(zāi)因素和管體承災(zāi)屬性均以固定，此時(shí)可通過(guò)對(duì)管道或坡體采取相應(yīng)措施，以降低滑坡發(fā)生的可能性或提高管體承載屬性[9-10]。此外，評(píng)價(jià)管段均為埋地敷設(shè)且埋深較淺（一般在2 m 左右），具有薄殼、線性和內(nèi)含高壓有毒介質(zhì)等特點(diǎn)，決定了沿線地質(zhì)災(zāi)害對(duì)管道危害的特殊性，即較小的地質(zhì)災(zāi)害也會(huì)造成較大的后果。因此，災(zāi)害體與管體屬性和監(jiān)測(cè)治理措施遵循互補(bǔ)原則，各控制變量存在相互作用。用“+”號(hào)表示下一層指標(biāo)遵循互補(bǔ)原則，用“-”號(hào)表示下一層指標(biāo)不遵循互補(bǔ)原則。

圖1 滑坡災(zāi)害失效可能性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of failure probability of landslide disaster

由圖1 可知，評(píng)價(jià)指標(biāo)存在定量和定性指標(biāo)，定量指標(biāo)依據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行等級(jí)劃分，定性指標(biāo)依據(jù)規(guī)范和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等級(jí)劃分，將失效可能性劃分為低、較低、中、較高、高5 種，定性指標(biāo)的分級(jí)判定準(zhǔn)則見(jiàn)表2。其中滑坡寬度采用Workbench進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)有限元結(jié)果測(cè)算特定災(zāi)害點(diǎn)位置的最大Mises 應(yīng)力.根據(jù)應(yīng)力失效準(zhǔn)則，當(dāng)最大Mises 應(yīng)力超過(guò)管道屈服強(qiáng)度時(shí)管道失效，在此定義滑坡寬度系數(shù)μ評(píng)價(jià)滑坡寬度穩(wěn)定性，公式為

式中：L為實(shí)際滑坡寬度，m；Lmax為管道屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的極限滑坡寬度，m。

2.2 確定擬合公式

由圖1 構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在指標(biāo)層隸屬度值xi取值為0～1、步長(zhǎng)0.05 時(shí)，計(jì)算系統(tǒng)總的隸屬函數(shù)值yi分別為0、0.705 2、0.761 5、0.797 6、0.825 6、0.846 7、0.867 4、0.880 5、0.896 2、0.901 4、0.918 8、0.929 5、0.936 2、0.948 5、0.957 1、0.965 9、0.970 1、0.980 6、0.9896、0.993 7、1，用Origin 進(jìn)行擬合，如圖2 所示，兩者呈冪函數(shù)，相關(guān)系數(shù)R=0.999 1，函數(shù)關(guān)系為

表2 定性指標(biāo)分級(jí)判定準(zhǔn)則Tab.2 Classification criteria for qualitative indicators

圖2 指標(biāo)層隸屬度值與系統(tǒng)隸屬度值的關(guān)系Fig.2 Relationship between the membership value of the index layer and the membership value of the system

2.3 數(shù)據(jù)無(wú)量綱處理與歸一化計(jì)算

對(duì)C3、C8、C9、C13、C14、C15、C16 采用正向指標(biāo)計(jì)算；C2、C6 采用反向指標(biāo)計(jì)算；C4、C5采用適度指標(biāo)貢獻(xiàn)率計(jì)算；C1、C7、C10、C11、C12、C17、C18、C19、C20、C21、C22 為定性指標(biāo)，采用人為賦值方法，對(duì)應(yīng)失效可能性等級(jí)的分值分別為0、0.125、0.375、0.625、0.875、1。對(duì)于定量指標(biāo)，C2、C3、C4、C5、C6、C8、C9 結(jié)合國(guó)家測(cè)繪局提供的DEM、DRE 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和Arcgis 軟件獲得，C13～C16 根據(jù)管道投產(chǎn)、運(yùn)行、維搶修等長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得，得到滑坡在各評(píng)價(jià)區(qū)間的綜合貢獻(xiàn)率，按照極差轉(zhuǎn)換法將最大綜合貢獻(xiàn)率轉(zhuǎn)為1（表3）。分別對(duì)QAF205-QAF209 號(hào)樁范家寨滑坡（1 號(hào)滑坡）、QAF197-QAF199 號(hào)樁江家山不穩(wěn)定滑坡（2 號(hào)滑坡）、QAF200-QAF201 號(hào)樁爛包頭滑坡（3 號(hào)滑坡）、QAE104-QAE105 號(hào)樁老白墳不穩(wěn)定斜坡（4 號(hào)滑坡）、QAF200-QAF202 號(hào)樁馬家山滑坡（5 號(hào)滑坡）、QAF101-QAF104 號(hào)樁漂亮河滑坡（6 號(hào)滑坡）、QAF202-QAF204 號(hào)樁秦家屋滑坡（7 號(hào)滑坡）、QAF198-QAF200 號(hào)樁高山滑坡（8 號(hào)滑坡）、QAF162-QAF163 號(hào)樁沙子鎮(zhèn)滑坡（9 號(hào)滑坡）等9 個(gè)滑坡的指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理（表4）。

表3 適度指標(biāo)區(qū)間綜合貢獻(xiàn)率Tab.3 Comprehensive contribution rate of moderate index interval

根據(jù)表1 結(jié)果，采用歸一化公式逐級(jí)向上進(jìn)行量化遞歸計(jì)算，以1 號(hào)滑坡為例，孕災(zāi)誘災(zāi)因素中的環(huán)境因素有C1、C2、C3、C4、C5 等5 個(gè)指標(biāo)，屬棚屋突變且遵循互補(bǔ)原則。

孕災(zāi)誘災(zāi)因素中的誘發(fā)因素有C6、C7、C8、C9、C10 等5 個(gè)指標(biāo)，屬棚屋突變且遵循互補(bǔ)原則。

逐層向上，孕災(zāi)誘災(zāi)因素屬尖點(diǎn)突變且遵循非互補(bǔ)原則。

表4 指標(biāo)層數(shù)據(jù)無(wú)量綱處理結(jié)果Tab.4 Dimensionless processing results of index layer data

表5 1 號(hào)滑坡突變隸屬函數(shù)值Tab.5 Catastrophic membership function values of No.1 landslide

同理，求出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中剩余部分的突變隸屬函數(shù)值（表5），系統(tǒng)總的隸屬函數(shù)值為0.872，根據(jù)公式（10）轉(zhuǎn)換后得0.354。

依照上述步驟對(duì)其余8 個(gè)滑坡的總隸屬函數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)公式（10）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，改進(jìn)前后的滑坡分級(jí)判定準(zhǔn)則見(jiàn)表6，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 改進(jìn)前后滑坡判定準(zhǔn)則Tab.6 Judgment criteria for landslide before and after improvement

表7 滑坡評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculation results of landslide evaluation

由表7 可知，對(duì)比前后計(jì)算結(jié)果，改進(jìn)前隸屬函數(shù)值較大且貼近1，難以區(qū)分評(píng)價(jià)結(jié)果的優(yōu)劣，改進(jìn)后隸屬函數(shù)值均勻分布在[0，1]區(qū)間，且未造成信息失真，數(shù)據(jù)分辨率更高。以1 號(hào)滑坡為例，孕災(zāi)誘災(zāi)因素、管體承災(zāi)屬性和監(jiān)測(cè)治理措施隸屬函數(shù)值對(duì)應(yīng)的失效可能性等級(jí)分別為低、較低、中，總的隸屬函數(shù)值對(duì)應(yīng)的失效可能性等級(jí)為較低，可見(jiàn)1 號(hào)滑坡中監(jiān)測(cè)治理措施是影響管道失效的主要因素。根據(jù)有限元分析，1 號(hào)滑坡的最大Mises 應(yīng)力為258.7 MPa，X70 管線鋼最小屈服強(qiáng)度為485 MPa，說(shuō)明該處管道暫時(shí)不會(huì)超過(guò)屈服應(yīng)力而斷裂，可在管道中心及滑動(dòng)與非滑動(dòng)的過(guò)渡區(qū)域設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)和位移裝置掌握管道變化，進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。

9 處滑坡中2 號(hào)、3 號(hào)較高風(fēng)險(xiǎn)滑坡隸屬函數(shù)值位于較高等級(jí)上限，說(shuō)明當(dāng)某些指標(biāo)發(fā)生變化時(shí)，容易從較高風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)為高風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注；5 號(hào)、7 號(hào)、8 號(hào)、9 號(hào)滑坡雖然目前處于中等風(fēng)險(xiǎn)，但隸屬函數(shù)值在較低風(fēng)險(xiǎn)與中等風(fēng)險(xiǎn)之間，可采取正確的治理措施，如清除滑坡體，完善災(zāi)害影響區(qū)域內(nèi)的排水措施，截流地表和地下水流，將水體引出坡體范圍，對(duì)斜坡采取減壓反重措施，對(duì)坡腳加抗滑樁，對(duì)坡體采用錨固等方式，降低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間，提升滑坡穩(wěn)定性。僅有1 處現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果與評(píng)價(jià)結(jié)果不相符，但9 處滑坡的失效可能性總體趨勢(shì)與實(shí)際勘察結(jié)果相符。

3 結(jié)論

（1）考慮孕災(zāi)誘災(zāi)因素、管體承災(zāi)屬性和監(jiān)測(cè)治理措施三方面的影響，建立了滑坡災(zāi)害失效可能性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)中緬天然氣管道云貴地區(qū)部分管段的9 處滑坡進(jìn)行失效可能性評(píng)價(jià)。

（2）利用改進(jìn)的突變模型確定隸屬函數(shù)值之間的擬合關(guān)系，無(wú)需確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，減少了主觀影響，結(jié)合貢獻(xiàn)率法對(duì)適度指標(biāo)進(jìn)行賦值，改進(jìn)后隸屬函數(shù)值均勻地分布在[0，1]區(qū)間，可避免信息的丟失、扭曲和失真，更符合工程實(shí)際。

（3）由于影響滑坡穩(wěn)定的因素較多，造成滑坡失穩(wěn)的機(jī)理研究尚淺，且部分定性指標(biāo)采用人工賦值，故該方法還需進(jìn)一步完善更新。