基于AHP法的大口徑PCCP管道斷絲安全風險管理

駱建軍，姚宣德

(1.北京交通大學 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044；2. 北京市水利規(guī)劃設計研究院，北京，100048)

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基于AHP法的大口徑PCCP管道斷絲安全風險管理

駱建軍1，姚宣德2

(1.北京交通大學 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044；2. 北京市水利規(guī)劃設計研究院，北京，100048)

摘要：如何有效地對大口徑PCCP管道斷絲后管道結構的安全進行合理地評價，以便采取積極有效的維修措施，是減少南水北調大口徑PCCP管道運營期間斷絲安全風險的有效途徑。提出利用層次分析方法(AHP)建立PCCP管道安全風險層次分析數學評價模型，對影響南水北調地下大口徑PCCP管道斷絲的各種可能因素進行專家打分，同時，通過數值模擬計算，建立PCCP管道安全失效的判斷準則及判斷標準，實現大口徑PCCP管道安全風險評價的定量化。在此基礎上，開發(fā)出一款專門針對南水北調中線PCCP管道工程安全運行風險實時監(jiān)測的管理軟件。該軟件系統(tǒng)采用自動化實時監(jiān)測技術和基于Web-GIS的風險管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能完成監(jiān)測數據的實時采集、數據檔案的電子化管理以及安全風險的動態(tài)評估與預警預報。

關鍵詞：AHP；大口徑PCCP；管道；斷絲；安全風險管理

作為新型輸水管材，大口徑PCCP管道的經濟性、耐久性、抗震性相對其他管材具有顯著的優(yōu)勢；同時,它易于安裝、運行費用較低，且漏水率極低，因此被廣泛采用。

從20世紀40年代起，美國、加拿大等國家采用PCCP管道進行長距離有壓大管徑輸水工程[1]。中國也從1988年開始，在水利、電力、市政等工程領域使用PCCP管道，目前，南水北調北京段基本上采取了大口徑PCCP管道(內徑4m，見圖1(a))。

圖1　PCCP管道及斷絲圖Fig.1　The map of PCCP Pipe and broken

大口徑PCCP管道的管芯纏繞預應力鋼絲，預應力鋼絲通過在管芯上施加均勻的壓預應力，以抵償由內壓和外荷載產生的拉應力。纏繞在管芯上的預應力鋼絲決定了大口徑PCCP管道的強度，但在施工和運行過程中，預應力鋼絲會遭受不同程度的損傷，在外界環(huán)境及內部工作水壓力的作用下，管道出現斷絲甚至爆管現象，如圖1(b)所示，國外PCCP爆炸事故統(tǒng)計如表1所示。

目前，中國尚未有關于大口徑PCCP管道爆管事故的報道，其原因或與采用這種管道的時間并不長有關。發(fā)達國家大口徑PCCP爆管事故時有發(fā)生，這也給大口徑PCCP在中國的進一步發(fā)展敲響了警鐘，我們應當提前做好大口徑PCCP管道由于斷絲而引起爆管事故的安全風險管理工作，防患于未然。

國際上采取的管道風險管理系統(tǒng)(PRMS)，主要結合了P-Wave探測技術及SoundPrint監(jiān)測數據，并基于GIS的界面管理和評價系統(tǒng)。通過建立風險管理系統(tǒng)PRMS，可以預測每節(jié)管道的剩余壽命，為全部管道的維修、維護、更換以及費用提供決策和支持，到達最大限度降低管道維護成本的目標。

表1　國外PCCP爆管事故統(tǒng)計

根據檢索和已查閱的文獻資料表明，目前，中國在大口徑PCCP管道的研究上，主要集中在PCCP管道斷絲的承載能力方面的計算及試驗工作。王五平[2]介紹了國外用于PCCP爆管預警的光纖聲監(jiān)測系統(tǒng)組成及原理。張宏宇等[3]、董樂等[4]、王東黎等[5]、胡少偉等[6-7]、Valiente[8]以及其他學者對PCCP管道預應力鋼絲斷絲對PCCP安全性進行了預測[9-12]。

上述研究表明，目前對大口徑PCCP管道的安全風險評估的研究仍然是一個空白。截止目前，南水北調工程已經運營了一段時間，每年的9～10月份的枯水期正是進行PCCP管道檢修的時機，通過一定的儀器設備能夠檢測到管道的斷絲情況。通過PCCP管道的斷絲來預測PCCP管道的壽命，這對南水北調工程及應用大口徑PCCP管道的工程意義重大，因此有必要進行相關的研究工作，以對中國大口徑PCCP管道運營期間的安全風險起指導作用。

1大口徑PCCP管道風險評估的AHP分析法

1.1PCCP管道斷絲風險主要因素分析

造成PCCP安全質量事故和影響PCCP結構運行安全的主要因素包括PCCP預應力鋼絲的斷裂和PCCP管道混凝土的開裂。由于大口徑PCCP管道中的預應力鋼絲的抗拉強度很高，工作壓力可以到達1.8MPa，而且PCCP管道上的混凝土的抗壓能力也非常強，所以PCCP管道在輸水運營時能夠承受較高的水壓力。由于施工質量及其他原因，導致PCCP管芯中的混凝土出現裂縫，其壽命將會急劇降低；同時，由于PCCP埋置于地下，受到外界環(huán)境如地下水的酸性以及腐蝕質土壤的影響，預應力鋼絲會發(fā)生松弛或斷裂，當鋼絲斷絲的根數到達一定程度時就會有發(fā)生爆管的危險。另外，由于PCCP管長時間野外放置，造成預應力鋼絲的松弛，也將使PCCP管受力狀況發(fā)生改變，從而影響PCCP管的安全運行。由此可知，影響PCCP管安全運行的主要影響因素有：管道的滲漏、預應力鋼絲的松弛和斷絲、管道的管芯混凝土出現裂縫等。所以PCCP管道工程安全運行風險評估系統(tǒng)，應包含上述對PCCP管道安全運行產生影響的所有影響因素。

大口徑PCCP管道的管芯纏繞預應力鋼絲，預應力鋼絲通過在管芯上施加均勻的壓預應力以抵償主要由水壓力所引起的內壓和土荷載及車輛荷載等外荷載產生的拉應力。纏繞在管芯上的預應力鋼絲決定了大口徑PCCP管道的強度，但在施工和運行過程中，下列原因會致使大口徑PCCP管道的預應力鋼絲遭受損傷：

1)選用了質量較差的鋼絲，施加預應力過程中出現氫脆現象。

2)PCCP管道制造過程中存在缺陷，特別是砂漿保護層質量差，出現麻面甚至裂縫。

3)PCCP管道安裝不當，由于碰撞等原因造成砂漿保護層出現裂縫。

4)PCCP管道由于埋置與地下，當管道處于酸性及腐蝕性土壤中時容易誘發(fā)腐蝕的化合物侵入砂漿層腐蝕砂漿層。

5)在輸水運營過程中，由于沒有按照操作規(guī)程進行正常啟動閥及泵而引起的瞬時水壓波。

預應力鋼絲在酸性環(huán)境中腐蝕到一定程度后出現應力松弛甚至斷裂，其所在部位管道強度有一定程度的下降，如果預應力鋼絲的腐蝕進一步發(fā)展，PCCP管道同一部位將會出現更多的斷絲，管道強度明顯降低，當斷絲數目到達一定數目后，將導致PCCP管道爆管，PCCP爆管具有突發(fā)性、災難性，事先沒有征兆，爆管發(fā)生后，并不僅僅限于管道供水中斷，還會引起洪災以及公共安全事故[2,13]。

1.2PCCP斷絲AHP模型及模糊評價[14]

采用AHP及模糊矩陣法確定大口徑PCCP管道斷絲影響因素的權重。模糊綜合評價法可以分為單因素的模糊評價和多層次的模糊評價，這里運用多層次的模糊評價方法，其評價過程如下：

1)確定底層單因素集底層單因素的集合，即U={X1,X2,…,Xn}。

2)給定各因素的權重評價指針體系的層次性非常明顯，可通過專家打分的方法確定各層單因素的權重，通常用權重向量W={w1,w2,…,wn}表示。可以根據統(tǒng)計計算的結果而得到底層單因素相對上層因素的權重向量

3)建立評價等級集評價者對評價對象可能做出的各種評價結果所組成的集合稱為評價等級集，即V=(V1,V2,……,Vn)。此處，評價小組的評價分為5個等級，即：V={V1,V2,V3,V4,V5}={風險非常大，風險大，風險小，風險很小，無風險}(如表2所示)。其中，V1∈[80，100]、V2∈[60，79]、V3∈[40，59]、V4∈[20，39]、V5∈[0，19]。通常把各區(qū)間的中值作為等級的參數，則此參數列向量為G=(90，70，50，30，10)T。

4)確定隸屬關系，建立模糊評價矩陣。從U到V的一個模糊映射所確定的模糊關系R可以表示為一個模糊矩陣。

表2　管道結構極限狀態(tài)風險等級

其中rij為隸屬度，即第i個指標隸屬于第j個評價等級的程度。

根據專家調查結果，采用模糊統(tǒng)計的方法構造隸屬度函數，可以得到矩陣

5)進行一級模糊矩陣的運算，得到模糊綜合評價結果為Bi=Wi·R1i。

根據權重集Wi和模糊矩陣R1i，則可以求出單因素評判向量Bi，計算結果為

其中bi(i=1,2,……,5)分別為該層次因素的評價結果隸屬于評語集的隸屬度。

對上面的A11～A1n單因素進行上述計算后，得出B1，B2，…，Bn，可以得到一級模糊矩陣B。

通過前面的統(tǒng)計分析，得出各因素A11～A1n對目標事件影響的權重

進行二級模糊綜合評判，得到模糊綜合評判集

式中：ci(i=1,2,……,5)分別為表示評價結果隸屬于評語集的隸屬度。

2PCCP管道斷絲的風險控制標準

PCCP管道經過長期運行后，管道會出現不同程度的斷絲現象。斷絲以后，鋼絲會釋放一定的拉力，從而可能影響到整個管道的承載能力。本文在參考文獻[9,14]的基礎上，利用ABAQUS軟件分析內徑4 m的PCCP管道斷絲對PCCP結構安全的影響。

埋置式PCCP-E型管道由混凝土、鋼筒、預應力鋼絲和砂漿保護層4種材料構成。PCCP管道長5 000 mm，內徑4 000 mm，管芯厚度350 mm，保護層厚度32 mm，預應力鋼絲實際直徑7 mm，實際繞絲面積為2 694 mm2/m，實際繞絲間距為14.3 mm。PCCP的材料參數見表3。

表3　PCCP材料參數

為了更明確的表示出斷絲后PCCP所處的受力狀態(tài)，結合美國AWWA C304中的設計標準，將PCCP受力狀態(tài)按如圖2所示的3個極限狀態(tài)進行分析，PCCP斷絲時應力分布如圖3所示。

圖2　不同斷絲數時各極限狀態(tài)內壓Fig.2　Press limit state in different number of broken

通過上述數值模擬計算分析可知：

1)隨著PCCP管道同一部位的斷絲數目的增加，PCCP管道的承載能力降低，同樣，在這3種極限狀態(tài)下，為了保證安全運營，PCCP管道內所允許施加的內水壓力應該逐漸降低，否則容易出現爆管現象。

圖3　預應力鋼絲從PCCP結構中部往兩邊逐步斷絲時的應力分布示意圖Fig.3　The stress distribution when pre-stressed steel wire gradually broken from the middleto both sides of the

2)PCCP某一環(huán)向部位出現斷絲后，該部位混凝土由于受到斷絲的拉伸力而出現裂縫，隨著管道內水壓力的增大，斷絲部位的鋼筒也更容易受到內水壓力施加給鋼筒向外的壓力而屈服。沿PCCP管道縱向部位，未斷絲的鋼絲離斷絲部位越近，其受到的應力越大，也越容易屈服。

3)通過數值計算分析，當PCCP管道同一部位的預應力鋼絲的斷絲數目少于25根時，PCCP管道仍可以在較高的內水壓力、管道外部水土荷載和管自重應力的共同作用下保持良好的整體工作性能。

4)當PCCP管道同一部位的預應力鋼絲的斷絲數超過25根時，在無內水壓力而僅僅有外部荷載作用下，PCCP管道混凝土由于斷絲對混凝土的拉伸就已經開裂。此時，如果未及時進行斷絲的修補，當管道處于運營狀態(tài)時，管道中的壓力水通過混凝土裂縫流至鋼筒或鋼絲層，鋼筒或鋼絲浸水后，將處于被腐蝕(侵蝕)狀態(tài)，耐久性也將遭受影響。在這種情況下，雖然管道在達到彈性極限狀態(tài)(鋼筒屈服)之前PCCP仍能承擔一定的內水壓力，但隨著運營時間的推移，鋼筒或鋼絲的銹蝕以及混凝土的劣化會增加爆管的風險[3-4]。

3基于GIS的PCCP管道斷絲風險管理系統(tǒng)

PCCP管道工程安全運行風險評估和風險管理系統(tǒng)應包括：管道、環(huán)境和運行狀態(tài)等基礎數據庫，管道安全運行監(jiān)測系統(tǒng)、管道安全運行風險評估系統(tǒng)(其中包括：風險評估準則，監(jiān)測數據的分析、評估與評價，管道安全運行風險的預測預報等)和基于GIS的界面的風險管理系統(tǒng)(其中包括：結合結構狀態(tài)和結構損壞模型及資產管理準則，對管道剩余壽命的預測，并對全部管道的維修、維護、更換情況等進行風險管理)。

3.1PCCP管道斷絲安全風險管理軟件系統(tǒng)開發(fā)

大口徑PCCP管道斷絲安全風險管理系統(tǒng)采用基于光纖光柵傳感技術的自動化實時監(jiān)測技術和Web-GIS的風險管理系統(tǒng)。軟件采用B/S架構和面向對象技術，包括數據采集，信號解調處理，風險評估處理模塊，Web-GIS及實時監(jiān)測技術。并采用PHP和HTML語言進行軟件源碼編程。

該系統(tǒng)能實時采集監(jiān)測數據，能夠對斷絲安全風險事件進行動態(tài)評估與預警預報，從而為及時針對風險做出應對措施提供依據；可切實降低了工程管道的安全運行風險，有效預防或減少了事故的發(fā)生。同時能夠方便運營管理人員對工程管道結構安全狀況進行監(jiān)控和管理維護。

南水北調中線PCCP管道工程安全運行風險管理系統(tǒng)，主要由光纖光柵傳感器數據采集、數據解調儀、數據傳輸和安全運行風險預警預報3個部分組成。軟件框架如圖4所示。

圖4　軟件框架Fig.4　Software

圖5中給出了該風險管理系統(tǒng)的主要工作流程。其中,外場設備主要通過高性能光纖光柵傳感器，對工程管道關鍵部位結構數據或周圍環(huán)境數據進行實時信息提取，通過光信號解調技術轉化為有效物理數據信號；然后通過數據傳輸層寫入中心數據庫，并通過有限元分析模型進行求解，所得物理量具有實時變形監(jiān)控的功能。如果發(fā)生異常錯誤，系統(tǒng)進行風險事件預警，并產生相應事件日志提示。用戶可根據提示信息進行管道安全風險補救和預防措施。

圖5　軟件工作主要流程圖Fig.5　The flow diagram of main software

通過Web-GIS對南水北調工程現場設備采集到的數據進行分析整理，進而將系統(tǒng)、直觀、準確的數據展現給用戶，使用戶可以根據報表信息及時做出相應的決策。

該軟件使用戶能夠方便的對工程管道的安全狀況進行實時監(jiān)控，為管道的安全運營提供專業(yè)軟件平臺，其具有以下特點：

1)界面友好，便于用戶操作。

2)基于GIS地理信息系統(tǒng)技術，實現管道的統(tǒng)一監(jiān)測和管理。

3)基于B/S架構，可實現遠程監(jiān)控管理。

4)采用光纖光柵傳感測試技術，可高效采集管道結構安全數據。

5)可根據采集數據進行安全預警。

圖6給出了基于Web-GIS的實時監(jiān)控數據圖，圖7是實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數據管理系統(tǒng)的管理界面。

圖6　基于Web-GIS的實時監(jiān)控數據圖Fig.6 Real time monitoring data based on Web-GIS

圖7　實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數據管理系統(tǒng)Fig.7　Real time monitoring data management

3.2基于GIS的管道斷絲實時監(jiān)控系統(tǒng)

基于上述的層次分析法并輔以專家打分等方法，開發(fā)了基于層次分析法的大口徑PCCP管道斷絲安全風險管理監(jiān)測(檢測)系統(tǒng)，如圖8所示。圖中的背景圖是主界面中大地圖按一定比例縮小形成的，背景圖上面是可以用鼠標拖動、鍵盤控制的層，通過控制這個層，進一步控制大地圖在主界面上的顯示。

圖8　地圖瀏覽Fig.

3.3管道變形風險預警及控制

在菜單或者導航按鈕區(qū)中，選擇【變形風險預警及控制】，單擊它進入風險評價頁面，如圖9所示。

圖9　管道變形預警Fig.9　The pipeline deformation

管道斷絲風險評估由兩部分組成，第1部分是人工對管道相關構件進行損害評價，第2部分為系統(tǒng)用傳感器數據進行自動化評估，如圖10所示。

1)構件損壞評估你可以根據風險因素進行損壞的人工選擇，系統(tǒng)已裂縫為例，損壞程度有3種選擇，不同的選擇會對評估結果具有不同程度的影響。

2)自動化評估該工作模式下，系統(tǒng)自動根據監(jiān)測數據實時計算評估，結合第一步的損害評估結果，進行綜合評價，并對變形風險進行打分。

圖10　管道風險自動化評估Fig.10　Automation risk assessment of

3.4數據統(tǒng)計及趨勢分析

在菜單中或者導航按鈕區(qū)中選擇【數據統(tǒng)計及趨勢分析】，單擊它進入多因素對比趨勢分析界面，在選擇了傳感器與分析時段的開始與結束時間后，點擊趨勢分析，就可以對比該時間段內，多個傳感器的數據在相同時間點時的變形變化曲線，便于對多因素進行對比分析，如圖11所示。

圖11　實時監(jiān)測數據傳輸分析Fig.11　Analysis of real time monitoring data

4結論

1)建立了基于層次分析法(HAP)的大口徑PCCP管道斷絲安全風險評估模型及評價方法，能夠實現大口徑PCCP管道斷絲的安全風險定量化評估。

2)通過對管道斷絲的分析，確定了PCCP管道斷絲對結構安全影響的風險評估準則。

3)開發(fā)出一款專門針對南水北調中線PCCP管道工程安全運行風險實時監(jiān)測的管理軟件，能采用自動化實時監(jiān)測技術和基于Web-GIS的風險管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能完成監(jiān)測數據的實時采集、數據檔案的電子化管理以及安全風險的動態(tài)評估與預警預報。

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(編輯王秀玲)

LargediameterPCCPpipelinebrokenwiressafetyriskmanagementbasedonAPHmethod

LuoJianjun1,YaoXuande2

(1.TunnelandUndergroundEngineeringResearchCenterofMinistryofEducation,BeijingJiao-tongUniversity,Beijing100044,P.R.China; 2.BeijingInstituteofWater,Beijing100048,P.R.China)

Abstract:EffectivelyevaluatingthesafetyonthestructureoflargediameterPCCPpipelinebrokenwiresandtakingeffectivemeasurestorepairarethewaystoreducethesafetyriskofbrokenwiresduringSouthtoNorthWaterDiversionProjectlargediameterPCCPpipelineoperation.Basedonthemethodofanalytichierarchyprocess,thehierarchyanalysismathematicalevaluationmodelisestablished.ThepossiblefactorsoftheinfluencesofvariousofSouthtoNorthWaterDiversionProjectofundergroundlargediameterPCCPpipebrokenwiresarescoredbyexperts.Atthesametime,thePCCPpipelinesafetyfailurejudgmentcriterionandthejudgmentstandardareestablishedthroughthenumericalsimulation.ThequantificationofsafetyriskassessmentoflargediameterPCCPpipeisrealized.AspecificPCCPNorthSouthPipelineengineeringsafetyrunningandriskmanagementsoftwareisdeveloped.Withreal-timemonitoringautomationtechnologyandtheriskmanagementsystemofWeb-GIS,thesoftwarecanperformreal-timeacquisitionofthemonitoringdata,datafileofelectronicmanagementanddynamicassessmentandearlywarmingofsafetyrisk.

Keywords:AHP；largediameterPCCP；pipeline；brokenwire；safetyriskmanagement

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.03.010

收稿日期：2015-08-16

基金項目：“十一五”國家科技支撐計劃(2006BAB04A04)

作者簡介：駱建軍(1971-)，男，博士，副教授，主要從事隧道及地下工程研究，(E-mail)jj_luo@126.com。

Foundationitem：TheNationalKeyTechnologyResearchandDevelopmentProgramDuringthe“11th5-YearPlan” (No.2006BAB04A04)

中圖分類號：TV312

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764(2016)03-0065-08

Received:2015-08-16

Authorbrief：LuoJianjun(1971-)，PhD，associateprofessor，mainresearchinterests：tunnelandundergroundengineering，(E-mail)jj_luo@126.com.