土木建筑与环境工程  2016, Vol. 38 Issue (3): 65-72   PDF    
基于AHP法的大口径PCCP管道断丝安全风险管理
骆建军1, 姚宣德2    
1. 北京交通大学 隧道及地下工程教育部工程研究中心, 北京 100044 ;
2. 北京市水利规划设计研究院, 北京 100048
收稿日期：2015-08-16
基金项目："十一五"国家科技支撑计划(2006BAB04A04)
作者简介：骆建军(1971-),男,博士,副教授,主要从事隧道及地下工程研究,(E-mail)jj_luo@126.com。
摘要：如何有效地对大口径PCCP管道断丝后管道结构的安全进行合理地评价,以便采取积极有效的维修措施,是减少南水北调大口径PCCP管道运营期间断丝安全风险的有效途径。提出利用层次分析方法(AHP)建立PCCP管道安全风险层次分析数学评价模型,对影响南水北调地下大口径PCCP管道断丝的各种可能因素进行专家打分,同时,通过数值模拟计算,建立PCCP管道安全失效的判断准则及判断标准,实现大口径PCCP管道安全风险评价的定量化。在此基础上,开发出一款专门针对南水北调中线PCCP管道工程安全运行风险实时监测的管理软件。该软件系统采用自动化实时监测技术和基于Web-GIS的风险管理系统。该系统能完成监测数据的实时采集、数据档案的电子化管理以及安全风险的动态评估与预警预报。
关键词：AHP    大口径PCCP    管道    断丝    安全风险管理    
Large diameter PCCP pipeline broken wires safety risk management based on APH method
Luo Jianjun1, Yao Xuande2    
1. Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education, Beijing Jiao-tong University, Beijing 100044, P. R. China;
2. Beijing Institute of Water, Beijing 100048, P. R. China
Received: 2015-08-16
Foundation item: The National Key Technology Research and Development Program During the "11th 5-Year Plan" (No.2006BAB04A04)
Author brief: Luo Jianjun(1971-)，PhD，associate professor，main research interests：tunnel and underground engineering，(E-mail) jj_luo@126.com.
Abstract: Effectively evaluating the safety on the structure of large diameter PCCP pipeline broken wires and taking effective measures to repair are the ways to reduce the safety risk of broken wires during South to North Water Diversion Project large diameter PCCP pipeline operation. Based on the method of analytic hierarchy process, the hierarchy analysis mathematical evaluation model is established. The possible factors of the influences of various of South to North Water Diversion Project of underground large diameter PCCP pipe broken wires are scored by experts. At the same time, the PCCP pipeline safety failure judgment criterion and the judgment standard are established through the numerical simulation. The quantification of safety risk assessment of large diameter PCCP pipe is realized. A specific PCCP North South Pipeline engineering safety running and risk management software is developed. With real-time monitoring automation technology and the risk management system of Web-GIS, the software can perform real-time acquisition of the monitoring data, data file of electronic management and dynamic assessment and early warming of safety risk.
Key Words: AHP    large diameter PCCP    pipeline    broken wire    safety risk management    

作为新型输水管材，大口径PCCP管道的经济性、耐久性、抗震性相对其他管材具有显著的优势；同时,它易于安装、运行费用较低，且漏水率极低，因此被广泛采用。

从20世纪40年代起，美国、加拿大等国家采用PCCP管道进行长距离有压大管径输水工程[1]。中国也从1988年开始，在水利、电力、市政等工程领域使用PCCP管道，目前，南水北调北京段基本上采取了大口径PCCP管道(内径4 m，见图 1(a))。

图 1 PCCP管道及断丝图 Fig. 1 The map of PCCP Pipe and broken wire

大口径PCCP管道的管芯缠绕预应力钢丝，预应力钢丝通过在管芯上施加均匀的压预应力，以抵偿由内压和外荷载产生的拉应力。缠绕在管芯上的预应力钢丝决定了大口径PCCP管道的强度，但在施工和运行过程中，预应力钢丝会遭受不同程度的损伤，在外界环境及内部工作水压力的作用下，管道出现断丝甚至爆管现象，如图 1(b)所示，国外PCCP爆炸事故统计如表 1所示。

表 1 国外PCCP爆管事故统计 Table 1 The PCCP burst accident statistics in foreign

目前，中国尚未有关于大口径PCCP管道爆管事故的报道，其原因或与采用这种管道的时间并不长有关。发达国家大口径PCCP爆管事故时有发生，这也给大口径PCCP在中国的进一步发展敲响了警钟，我们应当提前做好大口径PCCP管道由于断丝而引起爆管事故的安全风险管理工作，防患于未然。

国际上采取的管道风险管理系统(PRMS)，主要结合了P-Wave探测技术及SoundPrint监测数据，并基于GIS的界面管理和评价系统。通过建立风险管理系统PRMS，可以预测每节管道的剩余寿命，为全部管道的维修、维护、更换以及费用提供决策和支持，到达最大限度降低管道维护成本的目标。

根据检索和已查阅的文献资料表明，目前，中国在大口径PCCP管道的研究上，主要集中在PCCP管道断丝的承载能力方面的计算及试验工作。王五平[2]介绍了国外用于PCCP爆管预警的光纤声监测系统组成及原理。张宏宇等[3]、董乐等[4]、王东黎等[5]、胡少伟等[6-7]、Valiente[8]以及其他学者对PCCP管道预应力钢丝断丝对PCCP安全性进行了预测[9-12]。

上述研究表明，目前对大口径PCCP管道的安全风险评估的研究仍然是一个空白。截止目前，南水北调工程已经运营了一段时间，每年的9～10月份的枯水期正是进行PCCP管道检修的时机，通过一定的仪器设备能够检测到管道的断丝情况。通过PCCP管道的断丝来预测PCCP管道的寿命，这对南水北调工程及应用大口径PCCP管道的工程意义重大，因此有必要进行相关的研究工作，以对中国大口径PCCP管道运营期间的安全风险起指导作用。

1 大口径PCCP管道风险评估的AHP分析法
1.1 PCCP管道断丝风险主要因素分析

造成PCCP安全质量事故和影响PCCP结构运行安全的主要因素包括PCCP预应力钢丝的断裂和PCCP管道混凝土的开裂。由于大口径PCCP管道中的预应力钢丝的抗拉强度很高，工作压力可以到达1.8 MPa，而且PCCP管道上的混凝土的抗压能力也非常强，所以PCCP管道在输水运营时能够承受较高的水压力。由于施工质量及其他原因，导致PCCP管芯中的混凝土出现裂缝，其寿命将会急剧降低；同时，由于PCCP埋置于地下，受到外界环境如地下水的酸性以及腐蚀质土壤的影响，预应力钢丝会发生松弛或断裂，当钢丝断丝的根数到达一定程度时就会有发生爆管的危险。另外，由于PCCP管长时间野外放置，造成预应力钢丝的松弛，也将使PCCP管受力状况发生改变，从而影响PCCP管的安全运行。由此可知，影响PCCP管安全运行的主要影响因素有：管道的渗漏、预应力钢丝的松弛和断丝、管道的管芯混凝土出现裂缝等。所以PCCP管道工程安全运行风险评估系统，应包含上述对PCCP管道安全运行产生影响的所有影响因素。

大口径PCCP管道的管芯缠绕预应力钢丝，预应力钢丝通过在管芯上施加均匀的压预应力以抵偿主要由水压力所引起的内压和土荷载及车辆荷载等外荷载产生的拉应力。缠绕在管芯上的预应力钢丝决定了大口径PCCP管道的强度，但在施工和运行过程中，下列原因会致使大口径PCCP管道的预应力钢丝遭受损伤：

1) 选用了质量较差的钢丝，施加预应力过程中出现氢脆现象。

2) PCCP管道制造过程中存在缺陷，特别是砂浆保护层质量差，出现麻面甚至裂缝。

3) PCCP管道安装不当，由于碰撞等原因造成砂浆保护层出现裂缝。

4) PCCP管道由于埋置与地下，当管道处于酸性及腐蚀性土壤中时容易诱发腐蚀的化合物侵入砂浆层腐蚀砂浆层。

5) 在输水运营过程中，由于没有按照操作规程进行正常启动阀及泵而引起的瞬时水压波。

预应力钢丝在酸性环境中腐蚀到一定程度后出现应力松弛甚至断裂，其所在部位管道强度有一定程度的下降，如果预应力钢丝的腐蚀进一步发展，PCCP管道同一部位将会出现更多的断丝，管道强度明显降低，当断丝数目到达一定数目后，将导致PCCP管道爆管，PCCP爆管具有突发性、灾难性，事先没有征兆，爆管发生后，并不仅仅限于管道供水中断，还会引起洪灾以及公共安全事故[2, 13]。

1.2 PCCP断丝AHP模型及模糊评价[14]

采用AHP及模糊矩阵法确定大口径PCCP管道断丝影响因素的权重。模糊综合评价法可以分为单因素的模糊评价和多层次的模糊评价，这里运用多层次的模糊评价方法，其评价过程如下：

1) 确定底层单因素集 底层单因素的集合，即U=｛X1,X2,…,Xn｝。

2) 给定各因素的权重 评价指针体系的层次性非常明显，可通过专家打分的方法确定各层单因素的权重，通常用权重向量W={w1,w2,…,wn}表示。可以根据统计计算的结果而得到底层单因素相对上层因素的权重向量

${{W}_{i}}=\{{{w}_{1}},{{w}_{2}},\ldots ,{{w}_{n}}\}$

3) 建立评价等级集 评价者对评价对象可能做出的各种评价结果所组成的集合称为评价等级集，即V=(V1,V2,……,Vn)。此处，评价小组的评价分为5个等级，即：V=｛V1,V2,V3,V4,V5｝=｛风险非常大，风险大，风险小，风险很小，无风险｝(如表 2所示)。其中，V1∈[80, 100]、V2∈[60, 79]、V3∈[40, 59]、V4∈[20, 39]、V5∈[0, 19]。通常把各区间的中值作为等级的参数，则此参数列向量为G =(90，70，50，30，10)T。

表 2 管道结构极限状态风险等级 Table 2 Risk level of the pipeline structure limit state

4) 确定隶属关系，建立模糊评价矩阵。从U到V的一个模糊映射所确定的模糊关系R可以表示为一个模糊矩阵。

$R=\{{{r}_{ij}}|i=1,2,\ldots n,j=1,2,\ldots ,n\}$

其中rij为隶属度，即第i个指标隶属于第j个评价等级的程度。

根据专家调查结果，采用模糊统计的方法构造隶属度函数，可以得到矩阵

$R=\left[ \begin{matrix} {{r}_{11}} & {{r}_{22}} & {{r}_{33}} & {{r}_{44}} & {{r}_{55}} \\ {{r}_{21}} & {{r}_{22}} & {{r}_{23}} & {{r}_{24}} & {{r}_{25}} \\ {{r}_{31}} & {{r}_{32}} & {{r}_{33}} & {{r}_{34}} & {{r}_{35}} \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ {{r}_{n-1,1}} & {{r}_{n-1,2}} & {{r}_{n-1,3}} & {{r}_{n-1,4}} & {{r}_{n-1,5}} \\ {{r}_{n,1}} & {{r}_{n,2}} & {{r}_{n,3}} & {{r}_{n,4}} & {{r}_{n,5}} \\ \end{matrix} \right]$

5)进行一级模糊矩阵的运算，得到模糊综合评价结果为Bi=Wi·R1i。

根据权重集Wi和模糊矩阵R1i，则可以求出单因素评判向量Bi，计算结果为

${{B}_{i}}={{W}_{i}}\cdot {{R}_{1i}}=({{b}_{1}},{{b}_{2}},\cdots \cdots ,{{b}_{5}})$

其中bi (i =1,2,……,5)分别为该层次因素的评价结果隶属于评语集的隶属度。

对上面的A11～A1n单因素进行上述计算后，得出B1，B2，…，Bn，可以得到一级模糊矩阵B。

$B=\left[ \begin{matrix} {{B}_{1}} \\ {{B}_{2}} \\ \cdots \\ {{B}_{n}} \\ \end{matrix} \right]\text{=}\left[ \begin{matrix} {{b}_{11}} & {{b}_{12}} & {{b}_{13}} & {{b}_{14}} & {{b}_{15}} \\ {{b}_{21}} & {{b}_{22}} & {{b}_{23}} & {{b}_{24}} & {{b}_{25}} \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ {{b}_{n1}} & {{b}_{n2}} & {{b}_{n3}} & {{b}_{n4}} & {{b}_{n5}} \\ \end{matrix} \right]$

通过前面的统计分析，得出各因素A11～A1n对目标事件影响的权重

$W=\{{{w}_{1}},{{w}_{2}},\cdots ,{{w}_{n}}\}$

进行二级模糊综合评判，得到模糊综合评判集

$\begin{align} & C=W\cdot B=({{W}_{1}},{{W}_{2}},\cdots ,{{W}_{n}})\cdot \\ & \left[ \begin{matrix} {{b}_{11}} & {{b}_{12}} & {{b}_{13}} & {{b}_{14}} & {{b}_{15}} \\ {{b}_{21}} & {{b}_{22}} & {{b}_{23}} & {{b}_{24}} & {{b}_{25}} \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ {{b}_{n1}} & {{b}_{n2}} & {{b}_{n3}} & {{b}_{n4}} & {{b}_{n5}} \\ \end{matrix} \right]\text{=}({{c}_{1}},{{c}_{2}},{{c}_{3}},{{c}_{4}},{{c}_{5}}) \\ \end{align}$

式中：ci (i =1,2,……,5)分别为表示评价结果隶属于评语集的隶属度。

2 PCCP管道断丝的风险控制标准

PCCP管道经过长期运行后，管道会出现不同程度的断丝现象。断丝以后，钢丝会释放一定的拉力，从而可能影响到整个管道的承载能力。本文在参考文献[9, 14]的基础上，利用ABAQUS软件分析内径4 m的PCCP管道断丝对PCCP结构安全的影响。

埋置式PCCP-E型管道由混凝土、钢筒、预应力钢丝和砂浆保护层4种材料构成。PCCP管道长5 000 mm，内径4 000 mm，管芯厚度350 mm，保护层厚度32 mm，预应力钢丝实际直径7 mm，实际绕丝面积为2 694 mm2/m，实际绕丝间距为14.3 mm。PCCP的材料参数见表 3。

表 3 PCCP材料参数 Table 3 The material parameters of PCCP

为了更明确的表示出断丝后PCCP所处的受力状态，结合美国AWWA C304中的设计标准，将PCCP受力状态按如图 2所示的3个极限状态进行分析，PCCP断丝时应力分布如图 3所示。

图 2 不同断丝数时各极限状态内压 Fig. 2 Press limit state in different number of broken wires

图 3 预应力钢丝从PCCP结构中部往两边逐步断丝时的应力分布示意图 Fig. 3 The stress distribution when pre-stressed steel wire gradually broken from the middle to both sides of the PCCP

通过上述数值模拟计算分析可知：

1) 随着PCCP管道同一部位的断丝数目的增加，PCCP管道的承载能力降低，同样，在这3种极限状态下，为了保证安全运营，PCCP管道内所允许施加的内水压力应该逐渐降低，否则容易出现爆管现象。

2) PCCP某一环向部位出现断丝后，该部位混凝土由于受到断丝的拉伸力而出现裂缝，随着管道内水压力的增大，断丝部位的钢筒也更容易受到内水压力施加给钢筒向外的压力而屈服。沿PCCP管道纵向部位，未断丝的钢丝离断丝部位越近，其受到的应力越大，也越容易屈服。

3) 通过数值计算分析，当PCCP管道同一部位的预应力钢丝的断丝数目少于25根时，PCCP管道仍可以在较高的内水压力、管道外部水土荷载和管自重应力的共同作用下保持良好的整体工作性能。

4) 当PCCP管道同一部位的预应力钢丝的断丝数超过25根时，在无内水压力而仅仅有外部荷载作用下，PCCP管道混凝土由于断丝对混凝土的拉伸就已经开裂。此时，如果未及时进行断丝的修补，当管道处于运营状态时，管道中的压力水通过混凝土裂缝流至钢筒或钢丝层，钢筒或钢丝浸水后，将处于被腐蚀(侵蚀)状态，耐久性也将遭受影响。在这种情况下，虽然管道在达到弹性极限状态(钢筒屈服)之前PCCP仍能承担一定的内水压力，但随着运营时间的推移，钢筒或钢丝的锈蚀以及混凝土的劣化会增加爆管的风险[3-4]。

3 基于GIS的PCCP管道断丝风险管理系统

PCCP管道工程安全运行风险评估和风险管理系统应包括：管道、环境和运行状态等基础数据库，管道安全运行监测系统、管道安全运行风险评估系统(其中包括：风险评估准则，监测数据的分析、评估与评价，管道安全运行风险的预测预报等)和基于GIS的界面的风险管理系统(其中包括：结合结构状态和结构损坏模型及资产管理准则，对管道剩余寿命的预测，并对全部管道的维修、维护、更换情况等进行风险管理)。

3.1 PCCP管道断丝安全风险管理软件系统开发

大口径PCCP管道断丝安全风险管理系统采用基于光纤光栅传感技术的自动化实时监测技术和Web-GIS的风险管理系统。软件采用B/S架构和面向对象技术，包括数据采集，信号解调处理，风险评估处理模块，Web-GIS及实时监测技术。并采用PHP和HTML语言进行软件源码编程。

该系统能实时采集监测数据，能够对断丝安全风险事件进行动态评估与预警预报，从而为及时针对风险做出应对措施提供依据；可切实降低了工程管道的安全运行风险，有效预防或减少了事故的发生。同时能够方便运营管理人员对工程管道结构安全状况进行监控和管理维护。

南水北调中线PCCP管道工程安全运行风险管理系统，主要由光纤光栅传感器数据采集、数据解调仪、数据传输和安全运行风险预警预报3个部分组成。软件框架如图 4所示。

图 4 软件框架 Fig. 4 Software framework

图 5中给出了该风险管理系统的主要工作流程。其中,外场设备主要通过高性能光纤光栅传感器，对工程管道关键部位结构数据或周围环境数据进行实时信息提取，通过光信号解调技术转化为有效物理数据信号；然后通过数据传输层写入中心数据库，并通过有限元分析模型进行求解，所得物理量具有实时变形监控的功能。如果发生异常错误，系统进行风险事件预警，并产生相应事件日志提示。用户可根据提示信息进行管道安全风险补救和预防措施。

图 5 软件工作主要流程图 Fig. 5 The flow diagram of main software work

通过Web-GIS对南水北调工程现场设备采集到的数据进行分析整理，进而将系统、直观、准确的数据展现给用户，使用户可以根据报表信息及时做出相应的决策。

该软件使用户能够方便的对工程管道的安全状况进行实时监控，为管道的安全运营提供专业软件平台，其具有以下特点：

1) 界面友好，便于用户操作。

2) 基于GIS地理信息系统技术，实现管道的统一监测和管理。

3) 基于B/S架构，可实现远程监控管理。

4) 采用光纤光栅传感测试技术，可高效采集管道结构安全数据。

5) 可根据采集数据进行安全预警。

图 6给出了基于Web-GIS的实时监控数据图，图 7是实时监测系统监测数据管理系统的管理界面。

图 6 基于Web-GIS的实时监控数据图 Fig. 6 Real time monitoring data based on Web-GIS diagram

图 7 实时监测系统监测数据管理系统 Fig. 7 Real time monitoring data management system

3.2 基于GIS的管道断丝实时监控系统

基于上述的层次分析法并辅以专家打分等方法，开发了基于层次分析法的大口径PCCP管道断丝安全风险管理监测(检测)系统，如图 8所示。图中的背景图是主界面中大地图按一定比例缩小形成的，背景图上面是可以用鼠标拖动、键盘控制的层，通过控制这个层，进一步控制大地图在主界面上的显示。

图 8 地图浏览 Fig. 8 The map view

3.3 管道变形风险预警及控制

在菜单或者导航按钮区中，选择【变形风险预警及控制】，单击它进入风险评价页面，如图 9所示。

图 9 管道变形预警 Fig. 9 The pipeline deformation forecasting

管道断丝风险评估由两部分组成，第1部分是人工对管道相关构件进行损害评价，第2部分为系统用传感器数据进行自动化评估，如图 10所示。

图 10 管道风险自动化评估 Fig. 10 Automation risk assessment of pipeline

1) 构件损坏评估 你可以根据风险因素进行损坏的人工选择，系统已裂缝为例，损坏程度有3种选择，不同的选择会对评估结果具有不同程度的影响。

2) 自动化评估 该工作模式下，系统自动根据监测数据实时计算评估，结合第一步的损害评估结果，进行综合评价，并对变形风险进行打分。

3.4 数据统计及趋势分析

在菜单中或者导航按钮区中选择【数据统计及趋势分析】，单击它进入多因素对比趋势分析界面，在选择了传感器与分析时段的开始与结束时间后，点击趋势分析，就可以对比该时间段内，多个传感器的数据在相同时间点时的变形变化曲线，便于对多因素进行对比分析，如图 11所示。

图 11 实时监测数据传输分析 Fig. 11 Analysis of real time monitoring data transmission

4 结 论

1) 建立了基于层次分析法(HAP)的大口径PCCP管道断丝安全风险评估模型及评价方法，能够实现大口径PCCP管道断丝的安全风险定量化评估。

2) 通过对管道断丝的分析，确定了PCCP管道断丝对结构安全影响的风险评估准则。

3) 开发出一款专门针对南水北调中线PCCP管道工程安全运行风险实时监测的管理软件，能采用自动化实时监测技术和基于Web-GIS的风险管理系统。该系统能完成监测数据的实时采集、数据档案的电子化管理以及安全风险的动态评估与预警预报。

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