基于图论-AHP管廊灾害影响评价及减灾分析

张召冉于天富项方备刘国庆夏雨欣

1. 北方工业大学土木工程学院,北京 100144;

2. 北京仁达房地产土地资产评估有限公司,北京 100044;

3. 北方爆破科技有限公司,北京 100089

随着社会的不断发展,城市的土地资源越来越紧张,综合管廊具有集成化的优势,提高了地下空间的利用率。但是,地下综合管廊中各种管线过于集中,一旦发生事故,不仅危害管线安全,甚至引起次生灾害,导致管廊整体功能失效,造成巨大经济损失甚至人员伤亡。因此,地下综合管廊的防灾减灾管理,应尽早预防,尽早治理。

国内外学者对综合管廊运营阶段的安全与灾害评价进行了大量研究。Jin 等[1]建立了具有传感层、通信层和应用层的可视化数据管理平台,对地下综合管廊进行风险分析,实现了地下综合管廊信息的自动采集、智能传输和管理功能,为地下综合管廊的安全运行和高效管理提供技术保障;黄萍等[2]将AHP 法与D-S 证据理论相结合,分析得出设备因素对综合管廊火灾安全评价体系影响最大;郭佳奇等[3]在分析管廊灾害事故和类型统计的基础上,得到了综合管廊灾害中火灾和地震的产生机理,并就人为灾害、渗漏水问题、不均匀沉降以及环境安全问题提出了相关对策;张勇等[4]提出了一种集“事故树”分析、贝叶斯模型和领结模型为一体的智慧城市地下综合管廊运维灾害风险评估模型(BN-bow-tie),通过模型可以计算出灾害发生的概率,为综合管廊运维过程中的防灾减灾工作提供依据;周鲜华等[5]根据ISM-MICMAC 模型得出了综合管廊各个灾害风险因素之间相互作用,且各个灾害因素之间存在递进关系的结论;王述红等[6]建立了综合管廊运营过程中多灾种耦合风险评价方法,通过对比综合管廊多灾种耦合危险指数,发现灾害耦合后其危险性远大于单一灾害的危险性。

综上所述,国内外学者主要对管廊运营阶段的安全与灾害本身进行研究,未对灾害造成的影响及致灾因子进行分析并提出管理措施。因此,本文在分析管廊灾害演化过程的基础上,建立图论-AHP法灾害评价模型,并结合通州A 段管廊工程实例进行灾害链断链减灾管理。

1 管廊灾害的演化过程

管廊灾害中的4 种基本事故分别是:爆炸、火灾、泄漏及坍塌[7]。这4 种事故是管廊中的高频事故且极易引起次生灾害[8-9]。

1.1 内部因素

影响管廊灾害的内部因素为设计问题和质量问题。

设计问题分为管道和廊体结构问题。对于管道问题,电缆铺设密集,在运行时发热极易引起火灾;通风量低且燃气泄漏时容易引起爆炸。对于廊体结构问题,不均匀沉降可能会引发管道破裂,导致火灾或爆炸;消防系统设计不当可能引发二次火灾。

质量问题也分为管道和廊体结构问题。对于管道问题,混凝土防护层厚度不够可能会出现裂缝导致坍塌;污水管道安全防护装置不当会引发人员中毒及腐蚀其他管线。对于廊体结构,不均匀沉降可能会导致燃气管道泄漏进而引发火灾或爆炸;燃气遇到电缆漏电会引发火灾或爆炸。

1.2 外部因素

非人为管廊灾害的外部因素为地震和洪涝。

地震导致燃气管道破裂、通风系统损坏,进而导致爆炸[10];砂土液化,管廊整体上浮且管道局部破坏导致沙土进入管廊;本体结构破坏且管线损坏可能会造成管道泄漏。

洪涝发生时,防洪强度不够,给排水设计规模不足,设备缺少导致水淹;管廊周围土壤松动后导致管廊坍塌、道路坍塌。

内外部因素还会引发各种次生灾害,具体演化过程及导致的灾害见表1。

表1 内外部灾害因素演化结果Tab.1 Evolutionary results of internal and external disaster factors

2 图论-AHP 法灾害评价模型构建

2.1 灾害影响范围的确定

2.1.1 图论原理

图论算法在计算机中发挥着重要作用,为许多问题提供一种简单而系统的解决方法[11]。图论算法将复杂的问题简单化,问题可以转化为图论问题,通过图论基本算法求解。

在图论算法中,以一个点为中心,与之相关的线称为度。由此点引发到另一个点的连线称为出度;反之,由其他点引出到此点的连线称为入度[12-13]。首先,利用演化途径得出各因素的出入度值,然后将出入度值进行归一化处理得出权重。

2.1.2 图论与灾害演化的相关性

利用图论算法将综合管廊的灾害演化路径简化为图1。

图1 灾害演化路径简图Fig.1 Disaster evolution path diagram

2.2.2 矩阵的一致性检验

利用图论算法确定灾害影响范围。先根据图1 计算出各因素的出入度值(表2),然后将出入度值进行归一化处理得出权重Wj。

表2 出入度值Tab.2 Out degree and in degree value

2.2 灾害影响程度的确定

利用层次分析法[14-16]确定灾害影响程度。将存在的问题根据不同性质和目标划分为几组相应的影响条件,将各条件之间相互影响程度分为不同的层次,把问题变成一个从高到低的排列组合,便于解决最需要解决的问题。具体步骤如下。

2.2.1 构造相应的矩阵模型

首先,将组成条件列举出来,然后根据表3 进行赋值。

表3 标度Tab.3 Scale table

对于n个组成条件,根据赋值得到AHP 标度值表,将其看作一个判断矩阵C=(Cij)n×n。其中Cij表示因素i和因素j相对于目标重要值,列于表4 中。利用方根法对所得矩阵进行求解得到权重值。

表4 AHP 标度值Tab.4 AHP scale value table

由于矩阵中的赋值具有主观性,为了确保数值的可用性,要进行一致性检验。首先算出Mi,Mi为一个条件下的所有数值相乘,其次算出Mi的方根,进行归一化得出Wi,然后利用式(1)得出λmax。

利用式(2)求出一致性指标CI:

通过查询得出一致性数值RI的参考值。

最后,进行一致性比率计算:

CR＜0.1,代表该矩阵的赋值在合理范围内;反之,需要重新赋值再次检验,直到CR＜0.1 为止。

2.3 图论-AHP 模型建立

首先,通过图论算法得出各灾害因素的权重Wj;其次,利用层次分析法得出各灾害因素的权重Wi;最后,将图论算法与层次分析法得出的权重值相乘,得出灾害影响值D。

式中,a为系数,因为权重数均小于1,取a为100。

利用式(4)求出各灾害的影响值,并进行排序,得出最需要管理或解决的灾害因素。

3 通州A 段管廊灾害影响评价和分析

3.1 工程概况

项目名称为北京通州综合管廊工程。本项目建设地点位于北京市通州区内,建筑规模约3.8×106m2。因篇幅有限,此次仅对A 段管廊进行深入研究。A 段管廊周边建筑物有6 个小区、北京某集团生活区、大型购物中心和花园。实地考察及资料查询可知,该大型购物中心的市场价值大约为1.456×109元;6 个小区的常住人口约为17 653人。通过财产及人员评估可知,该段管廊一旦发生事故,该区域的基础设施将崩溃,造成大量财产损失和人员伤亡,居民生活将受到很大影响。因此,该段管廊的防灾减灾管理是非常重要的。

3.2 图论-AHP 法应用过程

(1) 图论算法得到通州A 段管廊的灾害演化路径,如图2 所示。通过图2 得出灾害的出入度值(表5)。

表5 A 段管廊出入度值Tab.5 Out degree and in degree value of section A utility tunnel

图2 灾害演化路径Fig.2 Disaster evolution path

对表5 中的出入度值进行归一化处理,结果为[0.051 0.081 0.066 0.058 0.096 0.081 0.081 0.074 0.154 0.096 0.081 0.081]T,得出各灾害因素出入度的权重值(表6)。

表6 权重值Tab.6 Weight value

(2) 利用层次分析法确定灾害影响程度。请10 位专家对通州A 段管廊运营阶段发生灾害后产生的影响程度根据表2 进行赋值,取赋值结果的平均整数,得出的标度值见表7。

表7 发生灾害后产生影响的程度(AHP 标度值)Tab.7 AHP scale value of the impact degree after the occurrence of disaster

将表7 看作一个矩阵,利用方根法对矩阵进行求解,先算出Mi,再算出Mi的12 次方根,然后进行归一化得出各灾害因素权重值Wi(表8),利用式(1)算出的最大值为13.622。

表8 发生灾害后产生影响的程度权重值Tab.8 The degree weight of the impact after the occurrence of the disaster

根据式(2)得出CI=0. 147;通过查询可知一致性指数RI值为1. 54;根据式(3)可得CR=0. 095＜0. 1,该矩阵的一致性检验通过。

(3) 图论-AHP 模型应用。因为权重数均小于1,取a=100,根据式(4)得出灾害影响值D(表9)。对灾害影响值进行排序,得出最需要管理或解决的灾害因素。

表9 灾害影响值Tab.9 Disaster impact value

可知,通州管廊运营期间发生事故后,爆炸的影响权重大于其他事故;地震、质量问题及设计问题紧随其后。

4 通州A 段管廊运营阶段的断链减灾管理应用

对A 段管廊而言,爆炸、地震、质量问题、设计问题所引发的灾害链如图3 所示,由于上述4 种因素导致灾害影响值较大,需要依据断链管理理论[17-19]进行减灾管理。

图3 灾害链Fig.3 disaster chain

(1) 爆炸引发灾害的断链管理。对源头因素进行灾害链断链管理,必须严格监测管廊内各种气体的浓度,过高时发出警报,避免灾害发生。从孕灾环境入手,在设计管廊时,多注意管廊防爆设计;定期检查管道的破裂程度及老化程度;尽量不在管廊内放置不必要的易燃物,以免引起二次灾害,切断由爆炸引发的灾害链。承灾体受到灾害后,及时对不同的承灾体产生的灾害做出不同的应对措施,以避免灾害情况的恶化。

(2) 地震引发灾害的断链管理。从源头因素进行灾害链断链管理,需要提高管廊的抗震设计等级;及时预测地质情况,做好防护措施。从孕灾环境入手,定期检查管道老化、破损程度;定期检查通风系统;在设计管廊时提高管廊整体的抗震程度;严格把控和选择管廊单体材料;定期检查管廊周围及内部环境变化,切断由地震引发的灾害链。承灾体受到灾害之后,应及时疏散管廊周围人员,减少人员伤亡;及时进行基础设施的抢修工程;及时止损,将伤害值降到最低。

(3) 质量问题引发灾害的断链管理。从源头因素进行灾害链断链管理,必须严格把控各种原材料质量及施工期间材料的质量,有效遏制灾害的发生。从孕灾环境入手,定期检查燃气管道是否泄漏、给排水管道是否破裂,及时进行修补或替换;定期检查电缆质量合格情况,切断由质量问题引发的灾害链。承灾体受到灾害之后,应及时检查管廊本体结构及附属设施,及时修补基础设施,减少人员伤亡。

(4) 设计问题引发灾害的断链管理。从源头因素进行灾害链断链管理,要在设计管廊时考虑各种可能引发灾害的情况[20],尽量避免火灾隐患。例如,根据管廊的长短设计通风系统;管道铺设应该相对疏散;消防系统设计符合管廊需求,这样可以从源头上避免灾害的发生。从孕灾环境入手,定期进行不均匀沉降观测,一旦发生不均匀沉降,立即采取技术措施,控制沉降;定期测量管廊内的温度,过高时采取降温措施;定期检查消防系统,切断由设计问题引发的灾害链。承灾体受到灾害之后,应针对不同的灾害做出不同的应对措施,避免发生二次灾害,避免引发更多的财产损失及人员伤亡。

5 结 论

(1) 基于管廊的内外部致灾因素的演化过程,得出了管廊在运营阶段的灾害演化路径。利用图论与AHP 法相结合的方法,定量地识别致灾因素,为管廊灾害的管理提供依据。

(2) 基于图论-AHP 法的研究结果表明:通州A 段管廊基本灾害类型中爆炸的灾害影响值最大,内外部因素中设计问题、质量问题以及地震的灾害影响值较大,洪涝的灾害影响值相对较小。

(3) 通过分析得到了管廊需要重点管理的灾害链,并提出了从致灾因子、孕灾环境、承灾体等方面对灾害链进行断链减灾管理,从而达到控制管廊灾害事故发生的目的。