市政管线变形风险评估导则关键内容研究∗

胡晶国 王晓特 许春青

(中国市政工程东北设计研究总院有限公司 长春130021)

引言

市政管线包括城市范围内的给水、排水、燃气、热力、电力、通信、广播电视、工业等管线，是保障城市运行的重要基础设施和生命线。伴随着社会经济的发展和城市规模的扩大，市政管线系统越来越庞大和复杂，加之市政管线建设规模不足、管理水平不高等问题凸显，一些城市相继发生大雨内涝、管线泄露爆管、路面塌陷等事故，严重影响了人民群众的生命财产安全和城市的运行秩序。

目前市政管网和管线的风险评估方法，是建立在指标系统和数据统计分析基础上的。采用的模型主要包括指标计算模型、可靠性分析模型、劣化分析模型、脆弱性分析模型、模糊综合评估模型和智能训练模型等，由于选取的评估指标不同，导致具体评估准则也不完全一致，最后缺乏统一的评估标准。为此本文结合管线的实际情况，提出了半定量的全寿命周期影响因素风险评估模型和定量的基于管道设计理论的风险评估模型，试图达到市政管线风险评估技术的简单实用、方便操作、容易接受的目的。

1 风险评估方法的选择

风险评估是指通过识别风险，分析风险发生的概率和可能产生的后果，确定风险级别、决定哪些风险需要控制及如何控制的过程，包括风险识别、风险分析和风险评价三个阶段。目前，用于市政管线风险评估的方法有以下四种类型。

1.1 定性风险评估方法

当完全凭借某些指标和数据而无法判断出管线变形风险时，可应用定性风险评估方法。由于受到知识水平制约，使用主观判断、经验、直觉以及其他一些不可量化资源等要素，会造成评估结果的主观性，一般不推荐采用。定性风险评估包括专家打分法、安全检查表法等。

1.2 半定量风险评估方法

确定潜在的影响管线变形因素，并赋予各个因素的分值，然后对管线进行风险评估而得到的风险等级就是半定量风险评估的结果。其评估的准确性取决于风险因素所起作用与计算权重的一致性。半定量风险评估包括肯特法、风险矩阵法、目标分解法等。对于既有管线资料的不完全准确性和部分缺失情况，采用该方法能够较好地反映既有管线的实际情况。

1.3 定量风险评估方法

当借助某些指标和数据能完全判断出管线变形风险的时候，应采用定量风险评估方法。对于管线的渗漏和爆管事故，其产生的原因是有争议的，因此评估结果会带有模糊的观点。定量评估包括蒙特卡洛模拟法、模糊综合评价法等。详尽的定量风险评估方法因其评估结果可靠性高，常用于市政管线关键部位的风险评估。

1.4 人工智能法

利用已经发生的渗漏、爆管事件，在原有管线上通过计算机学习，进行模拟、延伸和扩展，最后训练成可以自动评估原有管线或类似管线风险的方法。其评估结果取决于已发生事件的普遍性。人工智能评估包括神经网络法、深度学习法、随机森林法等。该方法是一种发展趋势，但目前尚不成熟，本文不做讨论。

2 风险评估流程与模型的确定

2.1 风险评估流程

在具体的市政管线风险评估过程中，为了提高管线变形风险评估的准确性，应在原有竣工和维护资料基础上，增加管线周围水土的检测报告。其评估流程见图1。

图1 市政管线变形风险评估流程Fig.1 Deformation risk assessment process of municipal pipelines

2.2 半定量风险评估

评估模型中的影响因素具有独立性、危害性、相关性、主观性，每个因素还被赋予不同的权重。其中独立性是指分别考虑影响风险进程的每一个风险因素，即每一个风险因素能独立对风险进程产生影响。危害性是指某一个影响因素在风险评估中起最终绝对作用，即由这个影响因素可以直接判定管线的风险处于最不利的等级。相关性表示一个管段的得分值与其他管段相比较而言。主观性反映标准评分表是建立在市政管线行业经验基础上的专家意见和专业管线敷设安装经验，也就是反映出该影响因素的权重。权重是每个影响因素可能拥有的最大分值，也就是该影响因素的相对重要性。结合研究成果和市政管线工程全寿命周期设计理念，建立半定量风险评估模型具体考虑以下四方面内容。每方面内容采用百分制，评估得分100 分时可能性因素不产生风险。

1.规划可研阶段的可能变形因素(评估得分计为S1)：

管线路由的确定，包括埋地、入廊、架空的敷设方式，穿越河流和道路的情况，以及管线周围的土质类别。采用的施工方式，如开挖、顶管和拖拉管。还有选择的管材种类。

2.设计审查阶段的可能变形因素(评估得分计为S2)：

对于直埋管线，周围土体的换填要求，包括种类、密实度和形成反力的能力。以及管线竖向变形的计算结果分析、管内压力的高低和变化情况。

3.施工验收阶段的可能变形因素(评估得分计为S3)：

对于直埋管线周围的回填土，其材料和施工质量是否满足设计要求并达到验收规范的标准。

4.运行维护阶段的可能变形因素(评估得分计为S4)：

管线两侧发生影响其变形的开挖，或上部荷载超过了原设计的规定值。

半定量风险评估模型如下：

式中：R为变形风险评估得分；C为变形后果得分，分值范围为0～150 分；S为变形可能性因素得分。

2.3 定量风险评估模型

市政管线变形风险评估的目的，是确保管线在设计使用年限内不发生或少发生渗漏、爆管、地面塌陷等事故。因此借助于国家现行有关标准中的计算公式，把外界对管线的作用效应与管线结构本身的抵抗能力加以比较，并作为市政管线变形的一种定量风险评估模型。即核算地面荷载、管内负压和管周围水土对管线共同作用产生的竖向变形值，再考虑管线的泄漏量，然后确定管线的风险程度。根据研究成果和国家现行有关标准的规定，建立的定量风险评估模型分柔性管道和刚性管道。

1.柔性管道评估内容

柔性管道的连接分为柔性接口和整体连接两种形式。其中柔性接口计算环向应力、环向稳定性、抗滑稳定性、竖向变形和接口变形；整体连接计算环向应力、纵向应力、环向与纵向的组合折算应力、环向稳定性、竖向变形和纵向变形。根据《给水排水工程管道结构设计规范》(GB50332-2002)中的变形与环向应力计算公式，推导出钢管的竖向变形与环向应力关系如下：

其中：

式中：σθ为管壁截面环向应力；φ为弯矩折减系数；γG，sv为竖向土压力的分项系数；kvm为竖向土压力作用下柔性管管壁的最大弯矩系数；wd，max为管道的最大竖向变形；Dl为变形滞后效应系数；kd为管道变形系数；Ep为管材弹性模量；IP为管壁的单位长度截面惯性矩Ed为管侧土的综合变形模量；r0为圆形管道的计算半径；t0为管壁厚度。

为了研究和比较，给出一组定值参数：DL＝1，kd＝0.096，φ＝1，γG，sv＝1.27，kmv＝0.157，Ep＝206000MPa，Ed＝5MPa，则k值与管线直径和壁厚的关系见表1。

表1 给定参数值下不同规格管线的系数k 值Tab.1 Coefficient k of different specification pipelines under given parameter values

通过简化后的公式(5)，计算出管线屈服时对应的竖向变形量见表2。

表2 给定参数值下不同管线屈服时的竖向变形量Tab.2 Vertical deformation of different pipelines when yielding under given parameter values

由表2可知，随着管线直径的增加，屈服时的竖向变形量增大；在小直径管线下，竖向变形量不大时环向应力就达到屈服状态，其破坏由强度控制；而大直径管线，变形和强度都有可能在其破坏时起控制作用。

钢管柔性管线管环刚度与管侧土弹性抗力的关系见表3。管侧土的综合弹性模量Ed＝7MPa。

表3 钢管管环刚度与管侧土的弹性抗力Tab.3 Pipe ring stiffness of steel pipe and elastic resistance of pipe side soil

由表3可知，随着管径的增大，管环刚度变小，管环刚度所占比重越来越小，管侧土弹性抗力比重增大。

2.刚性管道评估内容

刚性管线的连接包括柔性接口和刚性接口两种形式。对于柔性接口应计算环向应力、抗滑稳定性、环向开裂度或裂缝宽度、接口变形；对于设有刚度较大压环约束的刚性接口管道应计算环向应力、纵向应力、环向开裂度和裂缝宽度、纵向开裂度和裂缝宽度。刚性管线因其自身的刚度大，不计算变形且不考虑管侧土的作用。下面以混凝土管线为例，说明刚性管线管环刚度与管侧土弹性抗力的关系，见表4。其中管侧土的综合弹性模量Ed＝7MPa。

表4 混凝土管管环刚度与管侧土的弹性抗力Tab.4 Pipe ring stiffness of concrete pipe and elastic resistance of pipe side soil

由表4可知，无论是小直径还是大直径混凝土管线，管环刚度都要远大于管侧土的弹性抗力。故计算钢筋混凝土管线竖向变形时，可忽略管侧土弹性抗力的影响。

为了研究混凝土刚性管线竖向变形与其裂缝宽度值的关系，给出一组产生竖向变形的荷载，分别计算在这组竖向荷载作用下的竖向变形量与最大裂缝宽度值，找出不同裂缝宽度所对应的竖向变形量。

以钢筋混凝土管线 D500×50 为算例，C30混凝土，保护层厚度c＝15mm，配筋φ8@200，基础支承角 2α＝90°，对比结果见表5。

表5 混凝土管线裂缝与竖向变形的关系Tab.5 Relationship between cracks in concrete pipelines and their vertical deformation

由表5可知，对钢筋混凝土管线，裂缝宽度达到限制0.2mm 时，竖向变形量的相对值为0.000279D0，竖向变形很小，这是由于钢筋混凝土管线的管环刚度远大于柔性管线的管环刚度。所以钢筋混凝土管线不必计算竖向变形量。

3.定量风险评估模型

通过上面的分析，在市政管线风险评估中，钢管柔性管道可以定量计算环向变形，刚性混凝土管道可以定量计算环向裂缝宽度。因此依据《给水排水工程管道结构设计规范》(GB50332-2002)等标准，以管线泄漏量为风险后果，结合管道变形或裂缝带来的安全性降低，以及管侧土和管线薄弱段的实际情况，建立定量风险评估模型如下式：

式中：R为管线风险评估计算值；K1为管道变形或裂缝影响系数；K2为管侧土的类别影响系数；K3为管线薄弱段增强系数；Q为管线泄漏量。

2.4 不同风险评估适用范围

半定量中的可能性因素是由专家主观赋值，特点是可以直接采用已有的资料进行，既可以用于管线的初步风险评估，掌握管线的运行情况，也可以为管线资产评估提供依据。定量评估的可能性因素影响程度是通过计算得到的，需要检测等手段确定，主要用于管线的维护计划，以及采取相应的预防措施。

3 管线变形引起的风险

3.1 管节的破坏

1.变形引起的破坏

由上面计算结果可以看出，不同管径的竖向变形对应不同的屈服强度，即使在允许的竖向变形范围内，已经达到了屈服状态而破坏。即小管径管线由承载能力极限状态控制。

2.开裂引起的破坏

混凝土类刚性管的正常使用极限状态由开裂度或裂缝宽度控制，当管线超过规定值时会引起钢筋的锈蚀，通过积累可能造成渗漏或坍塌事故。

3.2 柔性接口的渗漏

当管线处于受压状态时，接口处管节两端刚度不同，其竖向变形可能不一致，会在接口面产生缝隙，造成接口处止水材料受力不均，严重时出现渗漏。

3.3 刚性接口的破坏

管线与构筑物连接处，以及管节与管节等连接处的约束较大，使管线的计算内容发生变化，可能会出现附加破坏，造成渗漏或爆管。

4 风险等级与预防措施

风险评估的最终目的是为政府职能部门或管线运行单位提供一个风险管理方法，即根据风险评估等级采取相应的预防措施。

4.1 风险等级的划分

依据半定量的全寿命周期影响因素风险评估模型和定量的基于管道设计理论的风险评估模型的评估结果，市政管线的风险评估等级可分为无风险、低风险、中等风险、较高风险和高风险5 级。

其中由半定量风险评估得分划分的风险等级如下：

R∈[0，750)时，微风险；

R∈[750，3750)时，低风险；

R∈[3750，7500)时，中等风险；

R∈[7500，11250)时，较高风险；

R∈[11250，15000)时，高风险。

由定量风险评估计算值划分的风险等级如下：

R＜0.05 时，微风险；

0.05≤R＜0.25 时，低风险；

0.25≤R＜0.60 时，中等风险；

0.60≤R＜1.00 时，较高风险；

R≥1.00 时，高风险。

4.2 风险预防措施

市政管线风险评估的目的是采取安全可靠和经济合理的措施，预防风险的发生。对应由微风险到高风险等级的状态或预防措施分别为正常运行、定期检测、在线监测、预报和预警。对于中等风险、较高风险和高风险，需要分析其风险可能性的主要来源，给出再评估的周期。

4.3 变形风险的再评估

市政管线评估后未采取预防措施，或市政管线处于变形中等风险、较高风险和高风险状态，此时进行再评估是降低风险发生的有效措施，也可以确保管线的安全运行。

5 结论

1.市政管线变形风险评估作为管道规划、设计、施工和维护的延伸或者后评估，可以及时发现其缺陷和不足，并采取相应的预防措施。

2.对于柔性管线的变形，管侧土的综合变形模量所起的作用随着管线直径的增加越来越明显。管线变形的风险将随着管侧土回填质量的提高而降低。

3.混凝土刚性管线的裂缝宽度随着变形的增加而增大，其风险不断提高。

4.市政管线变形风险评估导则的编制，补充和完善了现行的国家标准体系。