用层次分析法评价跨越管桥的洪水风险_安全运行

摘要

摘要：对洪水的风险因素评价是跨越管桥风险评价的重要内容。为此，针对跨越管桥相对于埋地管道的特殊性，采用基于层次分析的综合指数法对管桥洪水灾害的风险因素进行有效识别、评

摘要：对洪水的风险因素评价是跨越管桥风险评价的重要内容。为此，针对跨越管桥相对于埋地管道的特殊性，采用基于层次分析的综合指数法对管桥洪水灾害的风险因素进行有效识别、评判，并确定出各风险因子的权重，对跨越管桥灾害进行了危险性综合评价分级并提出相应的预防维护措施。利用该方法对走马台北侧90m跨越工程和靖咸线AK19-AK19′跨越工程项目进行了风险分析，分析结果与实际情况吻合较好。表明该方法可以为跨越管桥洪水风险的预测与防治提供可靠的技术支持。

关键词：跨越管桥；洪水；层次分析；综合指数法；风险评价；权重；分级；预防

由于特殊的地理条件和自然环境，跨越工程在整个集输工程中仍占有相当大的比例。以长庆油田的集输管道为例，据不完全统计，平均每公里集输管道中，就有1处约80m的跨越工程，其投资占整个集输工程造价的8.96%。但是近年来，几条主要输油(气)干线都遭受了特大洪水的多次冲击破坏，使油田生产受到严重影响，经济损失达数亿元^[1～3]。

在针对跨越管桥的风险评价中，洪水的风险因素评价是十分重要的，如何对事故进行有效的预防、控制、预警和决策，已经成为一个亟待解决的问题。而解决这一问题的关键就在于是否能够正确地预测风险、分析风险以及处理风险^[4～5]。

1 风险分析法原理

层次分析法(the analytic hierarchy process，AHP)是美国运筹学专家在20世纪70年代提出的，将复杂的决策系统层次化，通过对影响目标因素的逐层分析，两两比较，最终得到各个基本因素对目标影响强弱的一个排序。目前该方法已经在各行各业的复杂系统多方案、多目标决策分析中得到广泛应用^[6～7]。管桥系统比较复杂时，其中各因素对失效后果评判结果所起作用(因素权重)往往难以确定。采用层次分析法，通过建立多层次结构，对各因素进行逐个比对，构建成对比较矩阵，检验矩阵的一致性，对矩阵进行运算得到最终评判的因素权重，从而定性定量反应各因素的重要程度，为下一步综合指数法打下基础。

综合指数法是将结构系统分解为几个子系统，对各子系统分别选取有代表性的评价项目(评价因子)，并将其表现程度进行等级划分，给出归一化指标，将同一子系统内各评价项目的指标值按权重进行叠加，得出一个子系统评价总指标，再将各子系统评价总指标按权重叠加，得出每个评价单元总系统的质量指数，然后综合分析各单元的指数情况，进行整体质量的总体评价^[8～10]。

2 危险预测因素选择及判别矩阵

跨越管桥洪水风险的危险预测因素包括洪水的大小(直接因素)、管桥本身、滑坡风险和其他影响因素。河床滑坡的影响因素主要有地形地貌、地层岩性、斜坡结构构造形态类型、水文地质条件和人为因素等，此外地震地质环境因素、气候因素、风化因素等对滑坡稳定性、基础结构都有影响，但这些因素的影响程度不是等同的，有些因素是相互关联的，在一个不太大的区域内差别不大，是不确定因子，很难在一个具体地方确定其作用程度和指标，可以作为一个重要的外部条件。因此，在管桥结构危险度预测中，应选择与危险度产生直接关系的危险预测因素，排除那些次要的或与预测关系不大的共同因素^[11～12]。据研究资料，可选择10个因素作为洪水危险度的预测因素^[11～12]，如图1所示。

在进行各因素影响比对时，利用1～9标度表示各因素的影响强弱，详见表1。

表1 1～9标度的意义表

意义	a_i相对a_j的重要性
意义	同等	同等-稍微	稍微	稍微-明显	明显	明显-强烈	强烈	强烈-极端	极端	相反
标度a_ij	1	2	3	4	5	6	7	8	9	倒数

根据表1所示1～9标度法，逐项就任意2个评价指标进行比较，同时参考专家意见，确定它们的相对重要性并赋以相应的分值^[13]，得到洪水危险判断矩阵对应的元素值，详见表2。

可以算出λ_max=10.55，归一化的特征向量，详见表2：

W=(0.2404，0.1462，0.0634，0.0868，0.0503，0.178，0.0286，0.071，0.108，0.0272)^T。

为验证因素权重的有效性，需要对于判断矩阵A=[a_ij]_n_×n进行一致性检验。由C_i=(λ_max-n)/(n-1)=(10.55-10)/(10-1)=0.061，查表得随机一致性指标R_i=1.45^[14]，CR=C_i/R_i=0.061/1.45=0.042，CR＜O.1时，判断矩阵有效，满足一致性要求。

表2 洪水危险判断矩阵对应的元素值表

评价指标	F1	F2	F3	F4	F5	F6	F7	F8	F9	F10
权重值	0.2404	0.1462	0.0634	0.0868	0.0503	0.178	0.0286	0.071	0.108	0.0272

采用层次分析法得到洪水危险评价指标权重值表如表3，可以看出F1、F2、F6权重值较大，累计权重达表3洪水危险评价指标权重值表0.564，在风险预防中应格外予以重视。

3 建立评价模型

作用指数表示各因子在洪水危险度判别中的作用大小，是一个相对比较的数，是定性分析的定量表示。在分析某一自然现象的形成时，有主要原因(因子)、次要原因(因子)。利用黄金分割法，对主要、次要原因进行数学分割，避免分配因子作用指数的随意性。笔者对洪灾的判别因子采用“黄金分割”原理来确定因子三个等级的作用指数工，即危险性大的作用指数I取为1，危险性中等的作用指数I取0.618，危险性小的作用指数I取0.382。危险判别因子分级情况见表4。

危险性评价的量化指标，是通过危险性作用指数的计算来获取，其风险计算模型为

。式中：R为风险度；ω_i为判别因子的权向量；I_i为判别因子的作用指数。

为了对跨越管桥洪水危险度进行定量和半定量的研究，通常将其分为3个等级：危险性小、危险性中等和危险性大，详见表5。危险性小的情况不需再做防治工程，危险性中等时，在其他不利因素的作用下也能产生危害，因此应采取一些轻型的加固措施或防护工程；危险性大时必须视具体情况进行防治工程设计，以确保线路安全。

表5 跨越管桥洪水危险度判别表

危险度判别指数	危险性评价	结构状况	措施方案
R＜0.50	小	系统较为稳定，河床斜坡内部处于局部蠕滑阶段，塔架基础结构未受到冲刷侵蚀	制订、采取预防措施，防止变形扩大，控制破坏的速度和规模
0.50≤R≤0.70	中等	结构受到一定破坏，出现变形，破坏处于缓慢发展阶段，并逐渐形成破坏，基础结构开始不稳定	实施工程防治措施，稳定斜坡，避免其加速破坏加固基础
R＞0.70	高	管桥受到洪水冲击，严重变形，易发生倒塌、断裂，基础加速向滑动发展，处于临滑阶段	提前预防，提高管桥高度，增大行洪空间，对河岸及基础进行水土保护加固。对滑体上的居民实施搬迁，建立观测系统，加强现场观测，建立预警预报系统，避免人员伤亡和财产损失

4 应用示例

对走马台北侧90m跨越和靖咸线AK19-AK19′两处跨越进行分析。走马台跨越一侧河岸较陡，超过50°，土质为黄土，1994年洛河流域突发百年一遇特大洪水，资料表明流量达8100m³/s。AK19-AK19′跨度108m，河岸坡度较小，基础埋深最浅处为740mm，有少量水冲沟。按图纸和实际检测获得的数据，依据表3，将两处跨越的风险因素判别因子评级列表如表6。

表6 判别因子评级表

跨越管桥	评价指标作用指数
跨越管桥	F1	F2	F3	F4	F5	F6	F7	F8	F9	F10
走马台北侧跨越	Ⅲ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅲ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅰ	Ⅲ	Ⅱ	Ⅱ
靖咸线AK19-AK19′	Ⅱ	Ⅰ	Ⅲ	Ⅱ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅱ	Ⅱ	Ⅰ	Ⅱ

计算得到走马台跨越的风险度R为0.855 552，属于高危险度，与当时事故状态相符：河岸坍塌，支架基础被冲毁，支架被冲走，主钢索及管线被拉断。而目前在役的AK19-AK19′跨越在50a一遇洪水时风险值为0.64341，100a一遇洪水时风险值为0.73534，分别为中等和高危险度，为保障结构安全，应进行相应的加固措施，降低因子的风险作用指数。

5 结论与建议

1) 采用基于AHP的综合指数法对跨越管桥进行针对洪水的危险性评估，方法简便可靠，易于掌握，也可应用于其他的具体危险性评估，值得推广。

2) 根据记录资料，找到跨越管桥在洪水情况下的风险因素，以专家评分为基础，用层次分析法确定评价因素权重，通过判别基本指标所处的风险状况来推导总风险，较好地克服了确定评价因子权重的主观性，评判结果更符合实际情况。

3) 该方法将跨越管段总风险以3种级别表示，能够有效实施管段的风险分级管理；同时能够计算出所有基本指标的风险状况以及所有下级指标对管道总风险的权重，NNN以找出影响权重较大的指标从而对管道实施有针对性的维护管理。

4) 加强管桥的管理，定期对管桥的整体进行检测和安全评估，确保管桥处于一个安全的运行状态。对危险度影响较大的因素主要有洪水大小、管线标高和行洪空间及河床岩性，累计权重达0.564，这也与统计资料中90%左右的跨越工程因行洪空间不够，基础被冲垮导致破坏相吻合。应着重在这方面进行优化结构、加固基础，将管桥的失效可能性降到最低。

5) 通过实例计算了走马台北侧跨越和靖咸线AK19-AK19′两处跨越的危险性指数，评估结果和实际结果吻合较好。另外，管道风险的风险因素、层次结构、权重确定还需随着工程实践经验和数据的积累而不断改进，以使模型更为准确。

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