人工堆載誘發(fā)油氣管道滑坡的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

黃 譜，周 峰，孟 凡，田 波，魏 楠，吳 磊

（1.中國(guó)石油西南油氣田分公司，成都 610000；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都 610000）

管道運(yùn)輸是我國(guó)油氣運(yùn)輸?shù)闹饕侄沃唬菄?guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的生命線工程。隨著西氣東輸、川氣東輸?shù)乳L(zhǎng)距離油氣管道工程的蓬勃發(fā)展，油氣管線所穿越的地形地貌也越來(lái)越復(fù)雜，同時(shí)，由于內(nèi)、外地質(zhì)條件的共同作用，中國(guó)西南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，在四川省西南山區(qū)尤以巖質(zhì)滑坡災(zāi)害最為常見(jiàn)，遭遇的地質(zhì)災(zāi)害種類(lèi)也越來(lái)越多。尤其是不穩(wěn)定邊坡，在工程建設(shè)中，邊坡問(wèn)題是一項(xiàng)重要的也是無(wú)法避免的工程地質(zhì)問(wèn)題，其中滑坡問(wèn)題在地質(zhì)工程領(lǐng)域研究中尤為突出，其變形易造成直接經(jīng)濟(jì)損失，威脅著坡頂及周邊群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

我國(guó)西南地區(qū)油氣儲(chǔ)量豐富，隨著國(guó)家加快油氣產(chǎn)量開(kāi)發(fā)，其生產(chǎn)設(shè)施規(guī)模不斷擴(kuò)大，管線呈現(xiàn)出點(diǎn)多、面廣及線長(zhǎng)的特點(diǎn)。近年來(lái)隨著我國(guó)工程建設(shè)量激增，由于堆渣棄土、工程加載等導(dǎo)致管道滑坡地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)油氣管線的安全生產(chǎn)和平穩(wěn)輸供氣帶來(lái)的危害和影響日益凸顯。因此，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害的重要隱患點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查、評(píng)價(jià)，尤其是重點(diǎn)防治區(qū)和防治重點(diǎn)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估，以及在此基礎(chǔ)上提出防治對(duì)策建議等具有重要意義。

1 人工堆載誘發(fā)管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成及評(píng)價(jià)因素

1.1 風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成

本研究項(xiàng)目主要針對(duì)人工堆載誘發(fā)的管道滑坡，為單一特定地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)種。在此將人工堆載誘發(fā)管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)定義為受人工堆載影響誘發(fā)堆積體滑坡并致使管道破壞產(chǎn)生不良后果的可能性，即人工堆載誘發(fā)管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)包括滑坡發(fā)生的可能性（穩(wěn)定性）及管道破壞后產(chǎn)生的損失（危害性）2 個(gè)方面。

1.2 滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素

1.2.1 滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素分析

根據(jù)人工堆載誘發(fā)管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成要素，即滑坡發(fā)生的可能性（穩(wěn)定性）和滑坡發(fā)生后管道破壞產(chǎn)生的損失（危害性），要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)，首先需要分析影響滑坡發(fā)生可能性的控制因素。根據(jù)本研究項(xiàng)目的特定對(duì)象——人工堆載誘發(fā)管道滑坡，研究主要選取對(duì)斜坡堆積體穩(wěn)定性具有影響作用的因素進(jìn)行分析，其中主要包括：堆積體規(guī)模、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、氣象水文、植被、堆積體近期活動(dòng)強(qiáng)度及人為影響（人工堆載）。具體分析研究如下。

1）堆積體規(guī)模。堆積體規(guī)模越大、滑體厚度越大，產(chǎn)生的破壞力越大；滑坡的發(fā)生，也符合一般隨機(jī)事件的分布規(guī)律，即小規(guī)模事件的發(fā)生頻率相對(duì)較高，如一些小型滑坍經(jīng)常發(fā)生，而大規(guī)模事件的發(fā)生頻率相對(duì)較低。

2）地層巖性。不同堆積體的物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，松散軟弱土體區(qū)往往成為堆積體滑坡的易發(fā)區(qū)。一般第四系人工堆積體固結(jié)程度和抗剪強(qiáng)度較低，易產(chǎn)生滑動(dòng)變形。堅(jiān)硬巖體形成的堆積體往往風(fēng)化速度較慢，堆積體中大顆粒棱角狀母巖粒徑較大形成骨架，利于堆積體的穩(wěn)定。另外，在堆積體與原地表接觸位置因粘結(jié)程度較弱，逐漸形成軟弱滑面。

3）地形地貌。地形坡度是滑坡形成的重要條件之一，只有處于一定的地貌部位，具備一定坡度的斜坡，才可能發(fā)生滑坡。例如山坡、溝谷的斜坡，公（鐵）路和工程建筑物的邊坡等都屬于滑坡易發(fā)區(qū)。關(guān)于滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的坡度條件已有很多的研究，發(fā)生滑坡的坡度主要集中在20～40°。此外，堆積體斜坡坡型及坡高對(duì)斜坡穩(wěn)定性也具有控制性影響，斜坡的坡型直接反映了在內(nèi)外營(yíng)力作用下坡體演變的歷史進(jìn)程及匯水條件的不同。不同坡型所反映的內(nèi)外營(yíng)力也同樣控制著坡體上的堆積體穩(wěn)定性，表現(xiàn)為凸型坡的穩(wěn)定性最差，滑坡發(fā)育較多；凹形坡的穩(wěn)定性較好，滑坡發(fā)育較少。

4）地質(zhì)構(gòu)造。一個(gè)區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害，其起因與演化通常由活動(dòng)構(gòu)造、尤其是強(qiáng)烈的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制。斷裂帶越發(fā)育的山坡，巖體穩(wěn)定性越差，為滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，斷裂帶發(fā)育的量化值是滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，同時(shí)地震也是誘發(fā)滑坡的主要因素之一。

5）氣象水文。氣象水文對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響的因素包含較多，其主要有降雨量、暴雨強(qiáng)度、暴雨日數(shù)、徑流量、地下水和地表水等，但歸根結(jié)底主要因素是由降雨所引起的，因此，降雨是觸發(fā)滑坡的重要因素。

6）植被。植被覆蓋情況對(duì)表層土體滑坡地質(zhì)災(zāi)害的影響較大，根系發(fā)達(dá)的樹(shù)木有利于水土保持，可以提高坡體的穩(wěn)定性。

7）堆積體近期活動(dòng)強(qiáng)度。堆積體向滑坡演化都具有一定的過(guò)程，會(huì)出現(xiàn)不同程度的地質(zhì)現(xiàn)象，如泉水地表出露、周邊巖土體出現(xiàn)松弛和垮塌、地表出現(xiàn)裂縫等。根據(jù)以往滑坡體長(zhǎng)期位移觀測(cè)資料，滑坡發(fā)生大規(guī)模滑動(dòng)之前，均會(huì)出現(xiàn)加速變化的趨勢(shì)，這是臨滑的明顯跡象。堆積體近期活動(dòng)強(qiáng)度越強(qiáng)烈，斜坡發(fā)生滑動(dòng)的可能性越大。

8）人為影響強(qiáng)度。破壞斜坡穩(wěn)定條件的人類(lèi)活動(dòng)都會(huì)誘發(fā)滑坡。通常對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大的人類(lèi)工程活動(dòng)主要有：人工堆載、坡腳開(kāi)挖、蓄排水和爆破震動(dòng)等，本次主要針對(duì)人工堆載誘發(fā)滑坡進(jìn)行研究。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類(lèi)越來(lái)越多的工程活動(dòng)破壞了自然坡體，因而滑坡的發(fā)生越來(lái)越頻繁，并有愈演愈烈的趨勢(shì)。

1.2.2 滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)及分級(jí)

根據(jù)上述滑坡穩(wěn)定性控制因素，結(jié)合本次具體研究對(duì)象，選取了12 個(gè)控制因素作為人工堆載誘發(fā)管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子。在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中，指標(biāo)值的大小直接影響到所給指標(biāo)對(duì)滑坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)大小。本次評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)見(jiàn)表1。

表1 滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 承災(zāi)體損失評(píng)價(jià)因素

根據(jù)滑坡風(fēng)險(xiǎn)的構(gòu)成，第二個(gè)是堆積體滑動(dòng)后造成管道破壞產(chǎn)生的損失（危害性），即管道失效破壞后對(duì)承災(zāi)區(qū)居民生命財(cái)產(chǎn)和各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)所造成的損失。

本研究項(xiàng)目主要針對(duì)單一災(zāi)種的人工堆載誘發(fā)管道滑坡進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究，分別從“管道易損性”和“管道失效后果”2 個(gè)方面指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，評(píng)價(jià)分級(jí)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 管道滑坡危害性評(píng)價(jià)分級(jí)指標(biāo)

2 人工堆載誘發(fā)管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

本研究風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系是基于層次分析法的多因子綜合評(píng)判方法建立的多因子動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)體系。綜合指數(shù)法模型基本表達(dá)式為

式中：Dl為第i 單元的風(fēng)險(xiǎn)度指數(shù)；i 為評(píng)價(jià)因子；ωi為第i 個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；Ii為第i 單元評(píng)價(jià)因子在第i單元的賦值；n 為評(píng)價(jià)因子數(shù)。

據(jù)上述風(fēng)險(xiǎn)分析因素，建立人工堆載誘發(fā)管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，如圖1 所示。在該評(píng)價(jià)體系中，人工堆載誘發(fā)管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)度作為最終目標(biāo)層，人工堆載誘發(fā)滑坡可能性及承災(zāi)體損失（危害性）作為中間層。滑坡風(fēng)險(xiǎn)影響因素決定著滑坡發(fā)生破壞的可能性，因此對(duì)各影響因子進(jìn)行評(píng)價(jià)；承災(zāi)體損失（危害性）評(píng)價(jià)分別由管道易損性和管道失效后果2 個(gè)方面的影響因子來(lái)評(píng)價(jià)。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系層次結(jié)構(gòu)圖

本研究中各因子按4 級(jí)劃分等級(jí)，并賦予各等級(jí)如下定值：極嚴(yán)重為4，嚴(yán)重為3，中等為2，輕微為1。首先把中間層的各因素標(biāo)記為：A1為人工堆載誘發(fā)滑坡因素，A2為承災(zāi)體損失因素；評(píng)價(jià)層的各因素標(biāo)記為滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子A1F1～A1F12（12 個(gè)評(píng)價(jià)因子），管道易損性評(píng)價(jià)因子A2F1～A2F4（4 個(gè)評(píng)價(jià)因子），管道失效后果評(píng)價(jià)因子A2F5～A2F6（2 個(gè)評(píng)價(jià)因子）。利用AHP 方法對(duì)層次中的每一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦值，賦值原則根據(jù)表3，從而構(gòu)造出成對(duì)比較矩陣。

表3 成對(duì)比較的定性定量對(duì)照表

根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型采用1～9 尺度法，逐項(xiàng)就任意2 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較，確定其相對(duì)重要性并賦予相應(yīng)的分值。誘發(fā)滑坡可能性（穩(wěn)定性）評(píng)價(jià)因子矩陣見(jiàn)表4，管道易損性評(píng)價(jià)因子矩陣見(jiàn)表5，管道失效后果評(píng)價(jià)因子矩陣見(jiàn)表6。將“誘發(fā)滑坡可能性”和“承災(zāi)體損失”的影響視為相同；將“管道失效后果”與“管道易損性”的影響視為相同。

表4 誘發(fā)滑坡可能性評(píng)價(jià)因子矩陣

表5 管道易損性評(píng)價(jià)因子矩陣

表6 管道失效后果評(píng)價(jià)因子矩陣

計(jì)算結(jié)果及整體一致性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7—表10。

表7 誘發(fā)滑坡可能性與承災(zāi)體權(quán)重值表

表10 管道失效后果評(píng)價(jià)因子權(quán)重值表

管道抗彎截面模量計(jì)算公式

式中：D 為管道外徑，cm；α 為管道內(nèi)外徑比。

將所求得的各指標(biāo)權(quán)重，代入滑坡風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)的多因素綜合動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型，得到本研究風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型

式中：A1為滑坡自身穩(wěn)定性；A21為管道易損性；A22為管道失效后果。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果劃分為5 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表11。

表8 誘發(fā)滑坡可能性因子權(quán)重排序值表

表11 管道失效后果評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

3 實(shí)例分析

以新峽渝線管道滑坡為例進(jìn)行分析說(shuō)明。新峽渝線全長(zhǎng)32.2 km，管線規(guī)格D457 mm×5.6 mm，設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa，輸氣量250 萬(wàn)m3/d。滑坡位于重慶市九龍坡區(qū)白市驛鎮(zhèn)高田坎村洗馬溝運(yùn)營(yíng)段、白欣路旁。滑體為人工堆積塊石土及粉質(zhì)粘土含建筑垃圾，堆積于管道之上，坡向與管道近似垂直。

表9 管道易損性因子權(quán)重值表

滑坡前緣高程347 m，后緣高程378 m，縱長(zhǎng)約90 m，寬約100 m，滑體厚5.8～10.0 m，面積6 860 m2，體積約4.1×104m3，屬小型滑坡，主滑方向175°。滑坡位于一沖溝上游地段，該處坡體地形相對(duì)較陡，坡體內(nèi)側(cè)為當(dāng)?shù)亟煌ú块T(mén)2015 年施工的新建公路，公路開(kāi)挖后的堆填土置于坡體上，改變了坡體原有應(yīng)力環(huán)境，使原坡體底部軟弱面發(fā)生變化。2018 年8 月18 日連續(xù)強(qiáng)降雨后，由于地面排水不暢導(dǎo)致降雨不斷入滲坡體使其軟化，從而導(dǎo)致坡體產(chǎn)生位移。滑坡導(dǎo)致位于坡體前緣的天然氣管道受到擠壓變形并懸空。目前滑坡區(qū)右后側(cè)地表仍有裂縫，但管道已經(jīng)改線至滑坡后緣公路內(nèi)側(cè)耕地中通過(guò)。新峽渝線管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子賦值情況見(jiàn)表12。

表12 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子賦值表

代入式（3），經(jīng)計(jì)算DL=2.685，評(píng)價(jià)為風(fēng)險(xiǎn)中等，符合滑坡發(fā)生前的實(shí)際情況。

4 結(jié)論

1）由于人工堆載誘發(fā)的滑坡對(duì)管道的威脅與日俱增，本文針對(duì)性提出人工堆載誘發(fā)管道滑坡的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，采用層次分析法，建立人工堆載誘發(fā)管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其中包括滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子12 個(gè)，管道易損性評(píng)價(jià)因子4 個(gè)，管道失效后果評(píng)價(jià)因子2 個(gè)。

2）權(quán)重是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要信盧。本文基于結(jié)構(gòu)模型采用1～9 尺度法，構(gòu)造出成對(duì)比矩陣，確定人工堆載誘發(fā)管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重。

3）利用人工堆載誘發(fā)管道滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，以新峽渝線管道進(jìn)行實(shí)例研究，計(jì)算出該管道滑坡的風(fēng)險(xiǎn)程度，為制定管道滑坡防治對(duì)策提供理論依據(jù)。