地質災害下燃氣管道失效風險評估方法

侯龍飛 朱明星 朱麗榕 李潤婉

（1、安徽澤眾城市智能科技有限公司，安徽 合肥230601 2、清華大學合肥公共安全研究院，安徽 合肥230601 3、合肥市城市生命線工程安全運行監測中心，安徽 合肥230601）

隨著我國城市化率不斷提高，城市固有的承災脆弱性也不斷被放大，公共安全風險給城市的正常運轉帶來了巨大威脅。由于社會是一個復雜的系統，各組成單元之間同時存在依存和制約的關系，因此某一件公共安全事故往往會產生連鎖效應，這表現在一起災害的發生會引發一系列次生災害的相繼發生。當兩種風險交匯時，其不確定狀態會被放大，其影響也會從一個地域空間擴散到另一個更廣闊的地域空間。

我國地域寬廣，地貌形態豐富，在我國發生的地質災害種類也非常齊全。地質災害的發生將會給城市基礎設施建設帶來極大的毀壞性。例如，由地質災害引發的地表形狀改變和土體位移可導致埋地燃氣管道發生變形或斷裂，從而導致燃氣泄漏。城鎮燃氣管道輸送的介質具有易燃爆性，一旦泄漏易造成大量的人員傷亡及財產損毀[1]。如7.2 貴州晴隆天然氣管道燃燒爆炸事故，就是由滑坡擠斷燃氣管道引發的燃氣泄漏燃爆事故，造成了8 人死亡，35 人受傷。因此對地質災害下燃氣管道發生失效風險評估具有相當的必要性。

1 地質災害下燃氣管道失效風險評估方法構建思路

地質災害下燃氣管道失效后發生事故可描述為地質災害發生并對其作用范圍內燃氣管道造成影響，導致燃氣管道在外界條件擾動下失效泄漏并進而發生火災、爆炸等事故。因此評估方法的建立首先要判定待評估的燃氣管道是否位于地質災害影響范圍內，再從地質災害易發性、管道易損性和管道失效后果嚴重性確定風險大小[2]。

2 地質災害下燃氣管道失效風險評估方法構建

2.1 地質災害影響性

地質災害不僅會產生地表形狀改變和土體位移，還會形成巨大的機械破壞，如果其影響范圍內存在燃氣管道，可導致埋設在地下的燃氣管道在擠壓、剪切等破壞作用下發生變形甚至斷裂，從而引發燃氣泄漏，進而導致火災、爆炸等事故[3]。可以根據城市地質災害隱患點普查結果或者地質災害經驗公式，獲取地質災害影響范圍，從而判斷燃氣管道是否在地質災害影響范圍內。如果燃氣管道位于地質災害范圍外，地質災害影響性λ 取值為0.1，如果燃氣管道位于地質災害范圍內，λ 取值為1。

2.2 地質災害的易發性

關于地質災害的易發性目前應用最廣泛的定量分析方法是信息量模型。本文依據大量地質災害案例的統計分析結果，采用地質災害穩定性S、誘發因素a 和人工預防b 三個指標定性分析地質災害的易發性P：

2.2.1 地質災害穩定性

地質災害穩定性與該區域的地貌形態、巖土特性、地下水分布等地質環境及人類活動有關[4]。結合該地區已有的地質災害類型和發育程度，根據地質災害發生概率將各區域分為高、中、低和極低四個等級，對應地質災害穩定性S 的風險評估取值依次為10、7、5 和1。

實際評估中，通過調研該地區歷史地質災害發生的頻次和種類，并結合該地區所在城市出具的地質災害防治規劃中的等級劃分情況，對應本文中地質災害穩定性的劃分標準進行風險取值。

2.2.2 誘發因素

誘發因素a 的取值通過天氣誘發a1和人工開挖a2的評估值相加后得到：

臺風暴雨會降低地質災害隱患點的巖體強度，易引發崩塌、滑坡和泥石流；在非雨季，長時間的不降雨會造成地下水補給量減少，易引發地面塌陷、地裂縫、地面沉降。則對于崩塌、滑坡和泥石流等地質災害，天氣誘發a1的風險取值在雨季取10，在非雨季取0，地面塌陷、地裂縫、地面沉降等地質災害在雨季時天氣誘發a1取0，在非雨季取10。

地質災害的發生與人類活動也存在不可忽視的關聯性，特別是人類對自然環境進行大范圍和高強度開發，并且沒有進行有效防護時，非常容易誘發地質災害。以100 米的范圍作為人類活動的影響半徑，當評估點100 米范圍內存在開挖活動時，人工開挖a2的風險評估取值為10，反之則取0。

2.2.3 人工預防

地質災害具有不可預見性，并且我國地質災害隱患點分布廣泛且問題復雜，想要逐一排查并采取有效措施消除隱患不具有可操作性，因此主要還是以預防地質災害為主。人工預防b主要可以從評估區域的地質災害防治管理b1和官方部門發布的地質災害氣象預警b2進行評估:

地質災害防治管理主要包括每日有人進行重點的巡檢、對該區域采用專業的設備進行了實時監測、對于地質災害隱患采取了一定的加固措施和警示提醒、定期對周邊群眾進行地質災害識別和自救的宣傳教育、制定了具有針對性的應急救援預案，滿足上述5 項、4 項、3 項、2 項和一項都不滿足時，b1的取值分別為1、3、5、7 和10。

本文為了保證地質災害易發性評估考慮的因素更加合理全面，引入了地質災害氣象預警b2。地質災害氣象預警是官方發布的預警信息，具有一定的權威性，預警級別越高表明風險越大。當地質災害氣象預警的等級分別是1 級、2 級、3 級、4 級和5 級時，對應的b2的風險值為1、3、5、7 和10。

2.3 燃氣管道的易損性

燃氣管道的易損性C 由燃氣管道承災能力C1和地質災害的破壞性C2兩個指標相加所得：

2.3.1 燃氣管道承災能力

燃氣管道承災能力V1主要是從燃氣管道固有屬性來判斷，包括管道埋深V11、管道材質V12、管道服役年限V13和管道故障次數V14：

燃氣管道主要埋設在地下，上方的土壤可以在燃氣管道受到外力破壞時提供一定的保護屏障，管道埋深越大，土壤對管道的縱向失穩的抑制能力就越強，管道就越不容易發生失穩風險，燃氣管道埋深V11通過上方覆土的大小來作為風險取值的判斷標準：燃氣管道覆土h（m）分別在h<1m、1≤h<1.5m、1.5m≤h<3m，3m≤h 范圍對應的管道埋深V11 風險評估值為10、7、3、1。燃氣管道主要是采用鋼管，不同材質的鋼管壽命、防護能力都各不相同，燃氣管道材質V12以不同種類的鋼管材質作為風險取值的判斷標準：Q235AF、Q235A、Q235B 和低合金鋼材質對應的管道材質V12風險取值為1、3、5、10。燃氣管道具有一定的使用年限，管道失效風險與使用年限存在正相關關系，燃氣管道使用時間T（年）分別在T<5 年、5 年≤T<15 年、15 年≤T<30年，30 年≤T 范圍對應的管道服役年限V13的風險評估值為10、7、3、1。燃氣管道在一個時間段的維修次數可以直觀的體現燃氣管道的健康度和發生故障的風險性，每月燃氣管道發生故障次數n（次/月）在n<1、1≤n<3、2≤n<5，5≤n 范圍對應的管道故障次數V14風險評估值為1、5、7、10。

2.3.2 地質災害的破壞性

地質災害會造成城市部分功能失效，比如長時間的停水停電以及通訊無法恢復等，這會影響燃氣管網系統的正常運轉，從而造成燃氣管道失效；地質災害本身帶有的巨大破壞力會沖破燃氣管道的土壤保護屏障，直接對燃氣管道進行機械損壞，造成燃氣管道扭曲拉伸等變形，甚至造成斷裂。如果考慮地質災害引發城市其他功能失效而造成燃氣管道系統停工，需要耦合的因素較多，故本文是從地質災害直接對燃氣管道造成的損壞引起的失效考慮。

2.3.2.1 滑坡

滑坡在我國發育廣泛，每年因滑坡導致的人員傷亡和財產損失占了所有類型地質災害造成損失的一半以上。滑坡是指巖土向下滑動的現象，降雨和人類活動是引發滑坡發生最重要的兩個誘因，降雨會對滑坡面產生軟化的效果，從而降低山體的強度，從而引起滑坡。人類活動主要是指一些不合理的開發活動，比如對坡腳進行開挖，上方的巖土失去了支撐就會非常容易滑落形成滑坡，再比如在已經不穩定的坡體上進行大量荷載的堆積，超過了巖土本身的承壓能力，旁邊還同時進行開挖造成擾動，那么也非常容易發生滑坡。

2.3.2.2 崩塌

崩塌發生地主要是陡峭的山坡上，一般指傾斜角度大于70°的斜坡[5]，是一種在重力作用下，石塊、土體急劇滾動或者跳躍著傾落，且發生非常突然的一種地質災害。崩塌中存在的落石運動是一種組合運動，主要與坡面和落石本身特性以及兩者間的作用力有關。崩塌的誘發因素很多，包括地震、持續的降雨降雪，與滑坡誘因一樣，人類不合理的活動也會通過破壞坡體平衡而增加崩塌的概率。

2.3.2.3 泥石流

泥石流屬于洪流災害，泥石流主要由粘性強度大的泥漿挾裹大量的砂石組成，通過自身重力以高速運動，并在運動過程中不斷增加自身體積和重量，破壞性極大，主要發生在陡峭的地形，在暴雨中還會出現同一個區域同時發生好幾起泥石流的情況，防治難度大。對于泥石流危險范圍的預測, 國外有學者從統計學和水力學等不同角度研究了泥石流破壞范圍的模型，模型認為泥石流影響范圍與地形地貌、泥石流補給量、堆積區坡度、泥石流密度等有關。

2.3.2.4 地面塌陷、地裂縫和地面沉降

地面塌陷主要由地下空洞引發，而地下空洞的形成則與巖體中不止一條具有一定長度和寬度的裂縫有關，這些裂縫的存在會增加巖體的不連續性，使巖體結構變得破損和不完整。地裂縫的主要發生地是土層，主要由構造作用和人類超量開采引發。因構造作用形成的地裂縫一般呈現出平行排列的斷裂形式，并具有性質相同的特點。

地面沉降是一種地面標高缺失的現象，既可以由火山、地震、土體固結壓縮等自然因素引起，也由過度開采、軟土地區施工等人為因素造成，存在區域和局部兩種地陷形式。地面沉降與土體本身的松散結構有很大關系，目前主要通過含水層修復、減少農業用地和節約用水等手段降低地面沉降的概率。以上三種地質災害破壞范圍主要集中在裂縫空間，不具有遠距離的輻射傷害性。

考慮到地質災害破壞性模型目前均主要停留在理論研究中，實際運用較少，沒有進行現場勘測的情況下，通過經驗公式預測各地質災害的破壞能力較困難，因此本文主要還是通過燃氣管道具體埋設的位置來評估地質災害對燃氣管道造成的破壞性大小。對于滑坡，燃氣管道位于滑坡體中、滑坡前緣坡腳及水平滑距范圍內、滑坡后緣坡腳或側緣所對應的地質災害破壞性V2風險值為10、7、4。對于崩塌，燃氣管道位于危巖體下部或危巖體中、危巖體上方、危巖體后方對應的地質災害破壞性V2風險取值為10、7、4。對于泥石流，燃氣管道位于流通區、堆積區、形成區對應的地質災害破壞性V2風險取值為10、7、4。對于地面塌陷、地裂縫、地面沉降，燃氣管道穿越影響區域、位于影響區域邊界對應的地質災害破壞性V2風險取值為10 和5[6]。

2.4 燃氣管道失效后果嚴重性

當地質災害引起的燃氣管道失效發生泄漏甚至燃爆事故時，主要是通過人員傷亡和財產損失評估事故的嚴重性，人員財產密度越大的地方發生事故后損失也就越嚴重，而人員財產密度又與區域用地屬性密切相關，因此本文通過燃氣管道所在區域用地類型定性的評估由地質災害引起的燃氣管道失效后果嚴重性C：燃氣管道所在區域分別為居住區、公共管理服務區、商業區、工業區和地廣人稀的郊區對應的燃氣管道失效后果嚴重性C 取值分別為10、8、7、6 和1。

2.5 地質災害下燃氣風險等級劃分

通過對地質災害影響性λ、地質災害易發性P、燃氣管道易損性V 和燃氣管道失效后果嚴重性C 確定地質災害下燃氣管道失效風險R：

得到不同的管道失效風險值后，需要對風險值進行等級劃分以便于更直觀的體現風險的大小，具體見表1。

表1 地質災害下燃氣管道失效風險等級表

3 結論

本文以燃氣管道為研究對象，從地質災害影響性、地質災害易發性、燃氣管道易損性和失效后果嚴重性四方面，建立了不同種類地質災害下燃氣管道失效的風險評估方法，并給出了風險等級的劃分，可以為不同種類地質災害下燃氣管道的失效風險判斷提供依據。