“西氣東輸”一線管道地質災害風險監測預警體系

摘 要

摘要：為了對“西氣東輸”一線管道地質災害風險進行有效的監測和預警，減少管道安全運營成本，利用歷史數據和“事故危害系數”的概念，直觀地論證了管道地質災
摘要：為了對“西氣東輸”一線管道地質災害風險進行有效的監測和預警，減少管道安全運營成本，利用歷史數據和“事故危害系數”的概念，直觀地論證了管道地質災害風險監測的必要性，探討了管道地質災害的漸變特征和管道失效的力學判據，闡明了管道地質災害風險監測及預警在理論與技術上的可行性。基于“承災體重于致災體、前期監測重于災后監測、長期監測重于短期檢測、經濟合理重于技術領先”的原則，建立了長輸管道沿線地質災害風險監測預警體系——管道地質災害前期監測網。該監測網在“西氣東輸”一線干線及支線的管道地質災害高風險區上布設了近百個隱患監測點，及時發布了3起預警并2次觸發應急預案，監測成果直接支持了7處隱患點的治理工作。實際應用效果表明，該監測網具有災害預報預警、支持災害治理方案、校準災害治理過程的功能，甚至還可用于評價災害治理效果、合理調配災害防治資源，能使管道完整性管理工作真正落到實處，有效降低管道運營方的經營成本。
    關鍵詞：“西氣東輸”一線  管道地質災害 事故危害系數 完整性管理 監測預警 應力應變監測
 
長輸油氣管道沿途的地質災害種類多、成因復雜、范圍廣，所導致的管道事故又極易誘發嚴重的次生災害，其直接和間接損失往往比其他類別的事故更大【1-2】。美國交通部數據顯示，1991-2010年雖然美國由于地質災害導致管道破壞的統計頻率僅為5.7%，但是由其帶來的經濟損失卻高達l3.6億美元，占全部經濟損失的26.76%；如果將“事故危害系數”(Accident Hazard Index，簡稱AHI)定義為“該類事故損失金額占全部損失的比例”除以“該類事故占全部事故的比例”，并以此對比平均每發生l次事故所帶來經濟損失的大小，可得到l991-2010年美國天然氣管道事故危害系數統計表(表1)。

    若不考慮管道架空受狂風的影響，表l中各類地質災害的事故危害系數高達4.69，遠高于其他事故的危害系數，這也是管道完整性管理體系將管道環境與地質災害風險評價列入管道整體風險性評價任務的主要原因【3】。實際上，如果考慮由于地面移動等地質災害所誘發的材料缺陷和腐蝕等事故放大效應，地質災害的事故危害系數還將增大。
    中國是世界上地質災害較為嚴重的國家之一。隨著長輸油氣管道里程的逐年增長、沿線各種人類工程的擾動和自然環境突發事件的越發頻繁，管道地質災害已無可避免地呈多發態勢，管道運行安全與管道地質災害之間的矛盾日益凸顯。因此，建立對長輸油氣管道地質災害風險的監測預警體系，已經勢在必行。
1 管道地質災害監測預警的理論基礎
    盡管對管道地質災害的研究尚無完整的理論體系，但國內外在地質災害成因與防治、管道的力學特征等方面已有大量的研究成果可供借鑒。以此為基礎，再綜合眾多實際經驗，就可對管道地質災害的監測預警提供一定的指導作用。
1.1 管道地質災害的定義
    管道地質災害并非一般的地質災害。以滑坡、崩塌、泥石流等導致災害發生的不良地質環境為“致災體”，以遭受致災體破壞的長輸油氣管道為“承災體”，管道運營方從風險管理和工程控制的角度，將“管道地質災害”定義為：“以各類地質災害為致災體、以管道本體及其附屬設施為承災體的一種成災過程”。與以往將其表述為一種地質作用或者地質現象的定義不同，該定義具有以下3個特點：①將管道是否受到威脅作為管道地質災害的判斷標準，若地質災害的發生并不影響管道安全，就不應列為管道地質災害；②強調了管道地質災害的特殊性，與一般地質災害相比，管道地質災害具有災害放大效果，更易導致嚴重的次生災害；③將管道地質災害表述為一種成災過程，使管道地質災害風險監測與預警具備了介人的時間和空間。
1.2管道地質災害的漸變特征
    災害監測的關鍵是及時發現災變前兆，進而做出預報預警。地質災害的“致災性”難以逆轉，但管道地質災害是典型的、致災體與承災體之間明顯相關的“因果型災害鏈”，只要適時掌握其應變釋放的過程性指征和指標，就有可能及時預警，“防患于未然”。圖1以管道滑坡災害鏈為例，勾勒了管道滑坡從應變積累到應變釋放的交互作用和演進過程[4]，這一過程也給災前預警和災害治理提供了理論依據。

圖1同時表明：無論地質災害的成因如何復雜多變，對管道造成的危害總是直接體現為管道的變形和失效。由于管道在力學上的失效判據相對較為清晰，那么只要通過應力應變監測獲取管體的相關數據，就可以準確地定量描述災害條件下管道的力學表現，據此判定管道的臨災力學狀態，進而支持管道地質災害的預報預警。


   
1.3管體失效的力學判據
    關于管道失效的力學判據，國內外所采用的標準基本一致，主要包括以下2種。
1.3.1 基于應力的判據
當管道的變形處于彈性區間，宜使用基于應力的判據來校核管道的安全狀態。滑坡、沉陷(含采空、巖溶)、凍土等地質災害條件下，受約束管道的強度應同時滿足以下2個條件：   
1) 其中SL為受約束管道或管件由永久荷載、可變荷載所產生的軸向應力之和；SP為管道由內壓產生的軸向應力；ST為管道由溫差產生的軸向應力；SX為除內壓和溫差之外的其他軸向荷載產生的軸向應力；SB為管道由于重力和其他外部荷載產生的名義彎曲應力； 為管道標準屈服強度。
    2)當SL為負值時，管道組合當量應力(SE)應滿足： ，其中SH為內壓產生的環向應力。
1.3.2 基于應變的判據
    當管道的變形已進入彈塑性區間，宜使用基于應變的判據來校核管道的安全狀態。管道的應變能力可歸納為對拉伸應變、壓縮應變的限制，用因子化的載荷一阻力設計(load resistance factorized design)公式表達E[7]
    1)軸向合成拉伸應變 為軸向許用拉伸應變，而 為拉伸應變承載系數，取0.7； 為鋼管及組焊管道的極限拉伸應變，按實測值或保守取值0.75%[8]。
    2)軸向合成壓縮應變 ，其中 為軸向許用壓縮應變， 為薄壁管道開始起皺的壓縮應變值，為管道標準屈服強度對應的應變。
2 “西氣東輸"一線管道沿線地質災害前期監測網
    自2003年投產運行以來，“西氣東輸”一線管道屢受地質災害困擾，因災損失逐年上升。為了切實掌握管道受災狀況，變被動搶險為主動防御，提高災害防治的針對性以降低災害防御成本，中國石油西氣東輸管道分公司(下稱西氣東輸管道分公司)自2007年開始建設管道沿線地質災害前期監測網(下稱監測網)。
2.1 監測網建設的基本原則
2.1.1 承災體重于致災體
    無論是滑坡、沉降、崩塌還是地質斷裂帶，受其威脅的都是管道本體。無論地質災害的成因和機理如何復雜，管道的受損程度才是對安全運行的直接威脅。因此，對管道地質災害風險的監測應以承災體監測為主，以致災體監測為輔。
2.1.2 前期監測重于災后監測
    多數地質災害都有從應變積累到應變釋放的漸變過程，這就給災害的提前預警提供了可能。只要實現災前預警，就能以相對較小的代價換取較長時期的管道安全，相關的災害治理成本也總是低于災后的治理成本。
2.1.3 長期監測重于短期檢測
    短期檢測的技術手段多為臨時性措施，無法在長達數十年的管道壽命中發揮連續的預警作用。同時，針對某一具體管道地質災害的短期檢測僅能對檢測時點的管道安全作出判斷，而難以判斷災害迫近的速度，更無法根據以往的歷史數據做出趨勢預報。監測網的建設屬于長期監測措施，也相當于為短期檢測建立了長效機制。
2.1.4 經濟合理重于技術領先
    任何災害防御措施都必須考慮效能問題，監測網不應過分追求監測技術的先進性而忽視運營方對減災成本的控制，而應盡可能延長監測設施的使用壽命以攤薄運營方的年度折舊和費用支出，同時，還應通過對隱患監測點的篩選和分級分類，以科學、辯證的思維將監測手段布設于災害頻發點和高危點。
2.2監測網建設的技術路線
    監測網建設的技術路線示意圖如圖2所示。

    總長近11000km的“西氣東輸”一線天然氣管道是典型的長距離管道工程，沿線地質災害隱患具有種類多、范圍廣、數量大的特點。因此，將高后果區視為管道與地質災害之間的主要矛盾，將高后果區中的高危管段視為矛盾的主要方面，監測網在技術上以發現管道地質災害的前期征兆為首要目標，以現有的線路巡護能力和外部專業技術服務為依托，整合針對承災體的應力應變監測技術和針對致災體的地表位移監測技術，采用了較為經濟且可靠性高的“便攜式巡回監測法”。
    監測網所采用的便攜式激光測距滑坡簡易觀測技術、全站儀大地位移測量技術、管道應力應變監測技術，要根據地質災害風險的性質與程度進行組合、匹配，首先確保對高危管段的有效布控，然后再兼顧那些相對次要的隱患點。為進一步節省費用，采用易于掌握的便攜式設備讀取監測數據，并就近將其發送給相關的巡護人員，盡可能讓相鄰、相近監測點共用同一設備。
    采集的監測數據使用專為監測網開發的軟件進行分析處理，并由專業分析人員定期出具監測報告。預警所采用的閥值主要考慮2個因素：①絕對值的比較，例如應變監測中當前值與許用值的比較；②相對值的比較，即從變化速率上判斷災害發育的趨勢和速度。
3 監測網的實際監測效能
迄今為止，監測網在“西氣東輸”一線干線及支線的管道地質災害高風險區上布設了近百個隱患監測點，及時發布了3起預警并2次觸發應急預案，監測成果直接支持了7處隱患點的治理工作，取得了明顯的監測效果[9]。
3．1 災害預報預警
    將管道運行的即時數據與歷史數據、預設閥值進行比較分析后，監測網發布出預警信息，解決了“有災不治”和災害治理遲緩的問題。位于山西省境內的某管段曾2次開挖以釋放應力，但受煤礦采空所致坡體崩滑的影響，2009年8月5日某監測截面的管道軸向拉伸應力已達467．2 MPa，超過了436．5 MPa的設計容許應力，收到監測網發出的預警后，組織開挖探坑，發現管道實際受損情況很嚴重：管道最大垂向位移已達1．885 m，且多處管道防腐補口帶和補傷片已經卷邊、折皺、撕裂。西氣東輸管道分公司立即啟動應急搶險預案，帶壓抬升后該管段至今仍處于安全狀態。
3．2支持災害治理方案
    監測網可用于判斷管道地質災害所造成管體應力集中的主要部位、主要誘因和對管體的影響，進而支持災害治理方案設計和方案比選，避免“小災大治”或“大災小治”。位于陜西省境內某管段途經的不穩定坡體于2007年lo月發生滑坡，山體嚴重變形，最大剪切裂
縫的高差達1．3 m，應急搶險后監測網的監測數據顯示：盡管坡體滑塌嚴重，但位于滑坡體中部的管道新增軸向拉伸應力不足設計容許應力的10％，且在滑坡后處于穩定狀態。據此，業主方棄用大型抗滑樁方案，轉而采用一般水保措施，節約了數百萬元的災害治理經費。    。
3．3校準災害治理過程
    治理過程中對管體以及管體周邊致災體的人為擾動，必然引發管體自身應力應變在該管段的再次平衡。監測網的監測數據可以反映哪些治理措施產生了期望的變化，而哪些治理措施可能導致災害的進一步惡化，從而解決運營方所擔心的“災害治理失當”問題。在位
于山西省境內某管段高風險的帶壓抬管過程中，監測網啟動了即時的管道應力應變動態監測，以包括應變方向在內的監測數據來調整抬管的步驟、位置以及抬升量，取得了較為理想的治理效果。
4 結論
    近5年的監測網運行實踐不僅為“西氣東輸”一線管道的運行安全作出了貢獻，其理念和思路對國內管道運營方的管道地質災害防御工作也具有一定的借鑒作用。
    1)在管線力學和災害地質學相關理論指導下，關注管道地質災害的主要矛盾和矛盾的主要方面，管道地質災害的全線組網監測在技術上是可實現的，并且由于其能大幅降低綜合治理成本、獲取減災效益，在經濟上也是可接受的。
    2)盡管管道與地質災害的耦合關系兇各種要素的復雜多變而難以把握，但只要重點關注管體自身的安全狀態，掌握管體應力應變的數據和趨勢，再輔以必要的致災體監測手段，就能夠發現管道地質災害的前期征兆，把握災害治理時機，使災害防御“事半功倍”。
    3)監測網具有災害預報預警、支持災害治理方案、校準災害治理過程的功能，甚至還可用于評價災害治理效果、合理調配災害防治資源，使管道完整性管理工作真正落到實處，最終降低管道運營方的經營成本，提高其經濟效益。
參 考 文 獻
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