油氣管道橫坡敷設(shè)段地質(zhì)災(zāi)害風險評價方法探索

王 子，張照旭，丁疆強，修林冉，尚掩庫，鄭玉巖

1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司西氣東輸公司，上海 200120

2.北京中地華安科技股份有限公司，北京 100085

3.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065099

1 橫坡敷設(shè)段地質(zhì)災(zāi)害風險識別和評價方法

1.1 風險評價基本思路

深入調(diào)查分析控制和影響管道橫坡敷設(shè)段地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的各種因素，并充分研究各項因素之間的相互關(guān)系及其對控制橫坡敷設(shè)段地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生所起作用的大小，進而從中篩選出一定數(shù)量的因素作為評價指標因素，并確定相應(yīng)的指標量化方法[1-5]。

調(diào)查評價基本因素包括坡高、坡度、地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、構(gòu)造復雜程度、已有動力地質(zhì)現(xiàn)象、植被發(fā)育情況、人類工程活動等，是管道橫坡敷設(shè)段地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生以及發(fā)展演化的內(nèi)在因素[6-9]。對山區(qū)段管道橫坡敷設(shè)段進行評價時，因為地處高位和植被發(fā)育，傳統(tǒng)的人工調(diào)查方法受到限制，有些因素需要借助無人機、遙感等技術(shù)手段來獲取，因此本文提出了構(gòu)建“初步篩查+INSAR技術(shù)+無人機航拍技術(shù)”對管道橫坡敷設(shè)段進行評價的方法[10]，其技術(shù)路線見圖1。

圖1 風險評價的技術(shù)路線

1.2 橫坡敷設(shè)風險識別

1.2.1 初步篩查

初步辨識主要調(diào)查地質(zhì)地形情況、管道本體情況、周圍交通情況，拍攝典型照片，形成初步結(jié)論。其具體內(nèi)容見表1。

表1 橫坡敷設(shè)風險初步辨識內(nèi)容

1.2.2 “天-空-地”一體化“三查”體系的普查

對于橫坡敷設(shè)段管道地質(zhì)災(zāi)害的“天-空-地”一體化“三查”體系的普查工作，這里的“天”是指采用高精度光學遙感和INSAR技術(shù)進行探查；“空”是指采用無人機航拍技術(shù)進行探查；“地”是指通過專業(yè)技術(shù)人員進行現(xiàn)場踏勘核查。其普查步驟如下：采用高精度光學遙感+INSAR技術(shù)對初步篩查的橫坡段隱患點進行普查，即先收集隱患段近3～5年高精度光學遙感圖像，將管道中線加載到高精度光學遙感影像圖上，搜集到普查區(qū)域的地質(zhì)、線路地質(zhì)、降雨、人類活動情況等資料，再結(jié)合現(xiàn)場照片、室內(nèi)初步篩查結(jié)果確認明顯存在安全隱患的點位；然后，對隱患點集中的山區(qū)管道、擬選定的管道工程通過INSAR對管道沿線進行大面積掃描性“普查”，以發(fā)現(xiàn)可能存在隱患的區(qū)域，即通過收集隱患點所在地區(qū)的SAR數(shù)據(jù)存檔信息、在軌SAR數(shù)據(jù)參數(shù)、在軌狀況和編程定制規(guī)則，搜集到區(qū)域的地質(zhì)、降雨、人類活動情況等資料，根據(jù)搜集到的各類資料，分析隱患點災(zāi)變形成條件和SAR成像特點，進行SAR數(shù)據(jù)選取、處理和結(jié)果分析，獲取隱患點地表形變特征，初步普查確認形變特征明顯的隱患點位。

1.2.3 踏勘復查

復查是對普查確認的高風險點和較高風險點進行人工踏勘復核。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查照片及描述，結(jié)合高精度光學遙感影像（變形跡象、地貌變化、匯水情況、植被覆蓋）對所有隱患點進行復核確認，采用定性評價法初步確定隱患點風險等級。

1.3 基于指標法的橫坡敷設(shè)災(zāi)害風險評價

本文選取地層巖性、邊坡坡度、邊坡坡高、坡型、植被覆蓋率、工程活動、氣象水文共7個主要影響因素作為評價指標，建立油氣管道橫坡地質(zhì)災(zāi)害危險性評價指標體系，根據(jù)各因素對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、管道易損性的影響程度，將各因素分為3個級別，分別為大、中、小，并賦予一定的分值（分別為30、20、10分），確定的評分標準見表2、表3。

表2 易發(fā)性評判分級

根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)查的各因素發(fā)育狀況，對照評分標準，將各因素的分值綜合其權(quán)重值進行加權(quán)相加，計算易發(fā)性、易損性系數(shù)K，根據(jù)確定的分級標準（K＜18為易發(fā)性或易損性小，18≤K≤27為易發(fā)性或易損性中等、K＞27為易發(fā)性或易損性大），進行易發(fā)性、易損性評判。

在得出地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和管道易損性評價結(jié)果后，采用矩陣法，綜合確定油氣管道典型地質(zhì)災(zāi)害危險性等級，將危險性劃分為3個等級，見表4、表5。

表4 矩陣法劃分危險性等級

表5 油氣管道地質(zhì)災(zāi)害危險性等級

然后對初篩確認的A級、B級隱患點進行人工踏勘排查，實地調(diào)查隱患點的災(zāi)害特征、成因、范圍和影響后果。同時對其中一些通過高精度光學遙感影像認為土體有變形跡象的隱患點進行無人機航拍，獲取高分辨率的航拍影像數(shù)據(jù)。結(jié)合航拍影像數(shù)據(jù)進行宏觀上的災(zāi)害特征識別、確認，初步評價其穩(wěn)定性、危害性和發(fā)展趨勢，提出初步的處置建議。

在現(xiàn)場地面調(diào)查與識別的基礎(chǔ)上，考慮管道沿線橫坡隱患點的易發(fā)性、易損性和失效后果，采用定性和半定量風險評價方法，對橫坡段隱患點進行風險評價，給出更具體的風險狀況評估，并對不同風險段的管道給出風險消減方案和控制措施（見表6），使管道的風險處于控制之中。

表6 不同風險等級災(zāi)害點的風險控制措施

2 典型案例

2.1 風險辨識案例

某橫坡敷設(shè)管道位于廣東省惠州市博羅縣公莊鎮(zhèn)，該段不穩(wěn)定邊坡所在區(qū)域為剝蝕低山地貌。主要以構(gòu)造擠壓作用為主，受長期的剝蝕切割作用影響，地形起伏，相對高差較大，局部丘陵由于受到較強的風化侵蝕、搬運作用，局部區(qū)域變得較為平緩。植被茂盛，主要以桉樹、松樹、杉樹及低矮灌木為主。主要地層為殘積土及全～強風化花崗巖、變質(zhì)砂巖、礫巖等。管道橫坡敷設(shè)段邊坡坡度約45°，邊坡坡體高度35 m，坡面形狀呈階梯型，坡體為碎石土，管道上方植被恢復欠缺，植被覆蓋率10%～20%，水土流失嚴重，管道埋深約2 m，光纜埋深1.4～2.4 m，斜坡坡面樹木歪斜，斜坡中上部水毀沖溝發(fā)育，坡面無截排水措施，坡腳無支擋措施，汛期水毀導致1.3 m管道露出。該位置有鋼樁+聚酯袋擋墻臨時支擋措施，但防護措施已破壞。現(xiàn)場評估認為該點為高風險。見圖2～圖4。

圖2 某橫坡敷設(shè)管道現(xiàn)狀

圖3 汛期應(yīng)急鋼樁+聚酯袋擋墻臨時支擋（航拍圖）

圖4 某管道橫坡敷設(shè)段工程地質(zhì)剖面

2.2 基于INSAR數(shù)據(jù)的管道橫坡敷設(shè)段地面變形分布情況的案例

某山區(qū)管道此次研究區(qū)域東西走向線路長，跨度大，范圍廣，覆蓋Sentinel1影像3幅，如圖5所示。本次討論了AA037～AI139G號樁間的地表形變量，即中間條帶重疊區(qū)域，寬度為250 km左右。按照Sentinel1A影像的swath序號將整個研究區(qū)域分為3部分，以便討論地表沉降狀態(tài)，分別是swath1（AA037～AE018）區(qū)域、swath2（AE008～AG107+1G） 區(qū)域、swath3（AG082～AI139G） 區(qū)域，3部分存在重疊區(qū)域。

圖5 影像覆蓋區(qū)域圖

本文采用PS-INSAR算法獲得的成果是離散點的衛(wèi)星視線方向的地表形變量，為csv格式，包含經(jīng)度、緯度、變化量等信息（本文中統(tǒng)計的所有變化量值均為視線方向上的地表形變量）。本項目采用Kriging插值方法，估算空間上任一點的變化量。本次統(tǒng)計3個區(qū)域2018—2019年的平均地表形變量和累計地表形變量成果，見表7。

表7 2018—2019年的平均地表形變量和累計地表形變量統(tǒng)計

2018—2019年swath1范圍內(nèi)的整體地表形變速率為6.06 mm/a，兩年累計形變量為12.11 mm，地表不穩(wěn)定，形變幅度較大。兩年來swath2范圍內(nèi)的整體地表形變速率為0.47 mm/a，累計形變量為0.95 mm。該區(qū)域內(nèi)整體地表表現(xiàn)穩(wěn)定，但小部分區(qū)域地表形變量超過5 mm，如AF052～AF058號樁和AG031～AG041+2號樁區(qū)間，地表表現(xiàn)為沉降趨勢，變化速率均為6～8 mm/a。2018—2019年swath3范圍內(nèi)的整體地表形變速度為-1.01 mm/a，呈現(xiàn)出地表下沉。兩年累計形變量為-2.02 mm，地表基本穩(wěn)定，形變幅度較小。而局部小區(qū)域的地表形變量稍大，AH064～AH108+2G號樁 AH260+5G～AH265+11G號樁區(qū)間，地表沉降速度均為-8～-5 mm/a。

2.2.1 地表形變時間分布

以6個月為時間單位，分別統(tǒng)計2018—2019年期間的地表形變量。西東走向swath1區(qū)域和swath2區(qū)域地表情況均表現(xiàn)為西部抬升、東部穩(wěn)定的狀態(tài)，且西部抬升速度在逐漸增加。swath3區(qū)域4個時間段的地表變化量為-5～5 mm，時空變化均不明顯。在swath1、swath2和swath3區(qū)域的PS點高密集區(qū)選擇3個隨機點，分別統(tǒng)計了2018年1月到2019年12月的時序地表累計形變量，如圖6～圖9所示，大部分時間段的地表形變較小，在-5～5 mm之間。

圖6 swath1區(qū)域地表平均形變量和累計形變量擬合圖

圖7 swath2區(qū)域地表平均形變量和累計形變量擬合圖

圖8 swath3區(qū)域地表平均形變量和累計形變量擬合圖

圖9 2018—2019年3個區(qū)域內(nèi)隨機點的時序地表形變量

2.2.2 管道中線樁位置地表年變化率分析

INSAR測量數(shù)據(jù)表明，管道沿線中線樁位置處的地表年平均形變速度差異明顯（見圖10）。AA037～AI139G號樁間共2 643個樁點，其中，形變速度在[-5，5]區(qū)間的樁點有2 054個，變化較慢，占77.71%。地表變化較快的樁集中在AB046～AC077段，最大年形變量超過15mm，因此將該區(qū)域列為重點排查區(qū)段。

圖10 管道中線樁位置地表年變化率

2.3 基于指標法的半定量風險評價的案例

2.3.1 半定量風險評價

通過分析管道橫坡段遙感影像圖（見圖11）、現(xiàn)場照片及管道相關(guān)數(shù)據(jù)（中線、埋深、橫坡特征），獲得影響管道地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、管道易損性的各個因素相關(guān)指標。某管道橫坡段遙感影像特征：綠色、灰綠色色調(diào)，色調(diào)較均一，明度中等；地形起伏，植被茂密，中低山地貌類型，山體呈單斜狀、條帶狀、塊狀地形，地表侵蝕中等。通過分析遙感影像及現(xiàn)場照片，得知作業(yè)帶植被覆蓋率低，現(xiàn)場工程活動主要為管道施工開挖堆載。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查照片及資料，判定管道埋深范圍內(nèi)的地層巖性為變質(zhì)砂巖。

圖11 某管道橫坡敷設(shè)段多期遙感影像對比圖

通過分析遙感影像圖，并結(jié)合管道中心線數(shù)據(jù)，經(jīng)過比對確定該處管道埋設(shè)于填方區(qū)，回填土體均以風化巖碎塊石為主，未經(jīng)壓實處理，且坡面及管廊帶內(nèi)植被稀疏，降雨及地表水下滲等均會導致坡體自重增加和強度降低，該位置附近沒有截排水和擋墻措施，汛期臨時應(yīng)急防護措施“鋼樁+聚酯袋擋墻”已部分失效。按照本文第1.3節(jié)評價方法對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、管道易損性的各個因素進行打分，并根據(jù)各自權(quán)重計算，計算易發(fā)性、易損性系數(shù)K，據(jù)實際調(diào)查的各因素發(fā)育狀況，該管道橫坡敷設(shè)段不穩(wěn)定邊坡段管道地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性系數(shù)為27.00（B級），管道地質(zhì)災(zāi)害易損性系數(shù)為30.00（3級），然后根據(jù)油氣管道地質(zhì)災(zāi)害危害性等級，綜合確定此管道橫坡敷設(shè)段不穩(wěn)定邊坡危險性等級為高（3B），風險評價結(jié)果見表8。

表8 基于指標評分法的某管道橫坡敷設(shè)段風險評價結(jié)果

2.3.2 風險控制措施

在上述現(xiàn)場地面調(diào)查與識別的基礎(chǔ)上，考慮管道沿線橫坡隱患點的易發(fā)性、易損性和失效后果，采用定性和半定量風險評價方法進行了評價，確定上述某管道橫坡段為高風險，該風險等級為不可接受風險。風險控制措施如下：第一，對土體移動、防護結(jié)構(gòu)以及管道本體開展全方位的監(jiān)測；第二，立即開展勘察、測量和評價分析工作；第三，采用臨時應(yīng)急支擋結(jié)構(gòu)+截排水+坡面防護的方案；第四，開展管道改線和工程治理措施的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益對比分析，以確定永久治理方案。

3 結(jié)束語

本文主要闡述了管道橫坡敷設(shè)段地質(zhì)災(zāi)害風險評價基本思路以及橫坡敷設(shè)初步辨識方法，并對此梳理出調(diào)查內(nèi)容；提出基于“天-空-地”一體化的“三查”體系的普查方法，并應(yīng)用于橫坡敷設(shè)段管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，建立了橫坡敷設(shè)段管道半定量評價方法體系，并提出了不同等級風險的控制措施。

（1）建立油氣管道橫坡地質(zhì)災(zāi)害危險性評價指標體系，將各因素對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、管道易損性的影響程度劃分為3個級別，采用矩陣法綜合確定油氣管道典型地質(zhì)災(zāi)害危險性等級。

（2）橫坡管段隱患主要表現(xiàn)為滑坡、崩塌以及坡面水毀三種災(zāi)害類型。對于新建管道，應(yīng)重點關(guān)注管道與橫坡的空間位置關(guān)系，管道是否埋置于穩(wěn)定土內(nèi)等；對于在役管道，應(yīng)重點關(guān)注周邊環(huán)境改變（第三方堆載、開挖）以及原有防護措施是否出現(xiàn)變形破壞。

（3）建設(shè)前期應(yīng)通過INSAR等新技術(shù)手段開展線路路由比選；建設(shè)期設(shè)計階段應(yīng)針對橫坡敷設(shè)管段進行專項勘察、評價和設(shè)計；建設(shè)期施工階段應(yīng)針對橫坡敷設(shè)管段采取動態(tài)設(shè)計，加強過程管控。

（4）運營期針對第三方堆載、挖方等行為，應(yīng)及時開展專項風險排查和評價工作，并據(jù)此開展進一步的防護設(shè)計工作。

（5）本文初步建立了基于指標法的半定量風險評價體系和基于INSAR分析的風險評價方法，可為類似在役管道開展橫坡敷設(shè)地質(zhì)災(zāi)害風險評價提供參考。