一种埋地油气管道强夯振动灾害易发性评价方法

本发明涉及油气管道风险评价，具体涉及一种埋地油气管道强夯振动灾害易发性评价方法。

背景技术：

1、埋地油气管道是油气资源跨区域输送的核心基础设施，广泛铺设于场地平整、地基加固、土方回填等工程施工区域周边。在管道沿线土建施工过程中，强夯法凭借施工效率高、造价低廉、地基加固效果显著的优势被大规模应用。强夯施工产生的瞬时冲击振动以弹性波形式通过土体介质向四周传播，极易作用于邻近埋地油气管道，引发管道剧烈振动、管土挤压变形、管体应力集中等一系列力学响应问题，轻则造成管道防腐层破损、接口松动、局部变形，重则导致管体开裂、油气泄漏，进而引发火灾、爆炸、土壤污染等重大安全与环境事故，严重威胁油气管道常态化安全运行。

2、目前，针对强夯施工对埋地管道的振动影响研究与风险评价仍存在诸多技术缺陷：现有评估方式多依托单一振动速度指标或传统经验公式进行定性判断，未充分考虑填土高度、强夯能级、振源水平距离、管道埋藏深度、岩土类型多因素耦合作用对管道的综合影响；无法通过实测工况数据精准量化各影响因素的主次关系与影响权重，评价结果主观性强、量化精度低；缺乏基于大量数值模拟数据支撑的标准化、可量化灾害易发性分级体系，难以针对性指导现场差异化施工管控与管道重点区段防护设计。

3、综上，现有技术无法实现埋地油气管道强夯振动灾害的科学化、定量化、分级化精准评价，亟需一种结合数值模拟、关联度分析、权重建模的多耦合评价方法，填补现有技术空白。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种埋地油气管道强夯振动灾害易发性评价方法，通过有限元模拟获取管道动力响应，经灰色关联法量化因素优先级，结合层次分析法构建易发性指数及五级分级标准，实现埋地油气管道强夯振动灾害的精准定量评价。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、一种埋地油气管道强夯振动灾害易发性评价方法，包括以下步骤：

4、s1、构建管道-土体耦合有限元动力模型：建立埋地油气管道与周边土体的二维有限元耦合动力计算模型，在管道周向选取多个方位特征点作为振动监测点位，并布设振源；确定包括填土高度、强夯能级、振源水平距离、管道埋藏深度、岩土类型在内的多个影响因素，并设置多梯度模拟工况；

5、s2、开展有限元动力时程分析：对各梯度工况逐一进行动力时程分析，提取各工况下管道的动力响应指标，分析各因素对管道动力响应的影响机制，确定不同工况下管道的最不利受力位置及动力衰减特性；

6、s3、灰色关联度分析：以管道最大振动速度作为参考序列，以所述多个影响因素作为比较序列，对岩土类型定性指标进行量化赋值，通过数据无量纲化、差序列计算、极差求解、关联系数计算及关联度均值计算，量化各因素与管道振动灾害的关联程度，确定各因素影响优先级排序；

7、s4、层次分析法权重建模：结合灰色关联度量化结果，构建包含目标层、准则层和指标层的三层递进式灾害易发性评价体系，构造判断矩阵，计算各评价指标的权重并完成一致性检验；

8、s5、建立易发性指数模型：将各评价指标划分为多个风险等级并设置量化赋值，基于各指标权重构建易发性指数加权计算模型；

9、s6、灾害易发性分级：依据所述易发性指数数值范围划分多个灾害易发等级，并针对不同等级匹配对应的施工管控参数与管道防护措施。

10、进一步的，步骤s1中所述多个方位特征点具体为管道横截面周向均匀分布的八个特征点，其角度位置分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°；

11、步骤s1中所述多梯度模拟工况包括以下至少一组梯度取值：

12、填土高度梯度选自0m、5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m中的多个；

13、强夯能级梯度选自2000kn·m、2500kn·m、3000kn·m、3500kn·m、4000kn·m中的多个；

14、振源水平距离梯度选自110m、115m、120m、125m、130m、135m中的多个；

15、管道埋藏深度梯度选自0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m中的多个；

16、岩土类型选自碎石土、黏土、粉土、黄土中的至少一种。

17、进一步的，步骤s2中所述动力响应指标包括管道最大振动速度、水平方向最大位移、竖直方向最大位移以及最大有效应力。

18、进一步的，步骤s3中对岩土类型定性指标进行量化赋值的方式为：依据土体剪切波速进行赋值，其中碎石土、黏土、粉土、黄土对应的剪切波速分别为450m/s、300m/s、250m/s、200m/s。

19、进一步的，步骤s3中所述数据无量纲化，对于作为负向指标的所述影响因素，采用以下负向无量纲化公式：

20、

21、其中，为第组工况第个指标的标准化数值，为指标原始实测数值，和分别为第个指标的最大原始数值和最小原始数值。

22、进一步的，步骤s3中所述关联系数采用以下公式计算：

23、

24、其中，为第组工况的关联系数，为参考序列与比较序列的绝对差值，和分别为两极最小极差和两极最大极差，为分辨系数，取值为；所述关联度采用以下公式计算：

25、

26、其中，为第个影响因素的灰色关联度，为工况样本数量。

27、进一步的，通过灰色关联法计算得到的各影响因素优先级排序为：振源水平距离>强夯能级>填土高度>管道埋藏深度>岩土类型，对应的灰色关联度分别为、、、、。

28、进一步的，步骤s4中所述一致性检验包括计算一致性指标和一致性比率

29、

30、其中，为判断矩阵的最大特征值，为判断矩阵阶数，为随机一致性指标；当时判定一致性合格；通过层次分析法计算得到的各评价指标权重系数为：填土高度0.185、强夯能级0.262、振源水平距离0.378、管道埋藏深度0.124、岩土类型0.051，且。

31、进一步的，步骤s5中所述易发性指数加权计算模型为：

32、

33、其中，为易发性指数，至分别为填土高度、强夯能级、振源水平距离、管道埋藏深度、岩土类型的权重系数，至分别为对应指标的量化赋值；

34、步骤s5中所述多个风险等级为五个等级，各等级对应1至5分的递增赋值；步骤s6中所述多个灾害易发等级为五个等级，其与的对应关系为：

35、i级：

36、ii级：

37、iii级：

38、iv级：

39、v级：。

40、进一步的，针对不同易发等级匹配的差异化防控措施包括：

41、i级和ii级风险采用常规强夯施工并控制管道振动速度不超过40mm/s;

42、iii级风险控制强夯能级不超过3000knm且振源水平安全距离不小于120m;

43、iv级风险控制强夯能级不超过2500knm、振源安全距离不小于130m，并增设隔振沟；

44、v级风险在iv级措施基础上增加管道局部加固防护结构。

45、本发明的有益效果：

46、本发明通过管道-土体耦合二维有限元动力模型，系统获取了填土高度、强夯能级、振源水平距离、管道埋藏深度、岩土类型五大因素对管道振动速度、位移、有效应力的影响规律，并首次揭示了不同工况下管道最不利受力位置的动态迁移特征。现有技术仅依赖单一振动速度指标或经验公式，无法预判管道周向哪个方位风险最高。本发明在管周八个方位特征点设置监测，经多梯度工况时程分析发现：填土高度由低增加时最不利位置从45°点转移至270°点；振源水平距离由小增大时最不利位置从225°点转移至45°点；埋深由浅变深时最不利位置从0°点转移至45°点。该迁移规律源于弹性波在管土介质中的传播路径随填土层数、波前曲率、波阻抗界面变化而改变，导致波能聚焦点移动。该发现使防护设计可针对不同工况预判危险方位，避免均匀加固的盲目性，为评价模型提供了可直接调用的力学数据库。

47、本发明将灰色关联法与层次分析法耦合，以管道最大振动速度为目标序列，五大因素为比较序列，通过负向无量纲化、差序列及关联系数计算，获得各因素的灰色关联度排序：振源水平距离0.8818、强夯能级0.8626、填土高度0.8478、管道埋深0.8337、岩土类型0.6271。该排序直接反映了各因素对管道振动灾害的实际影响程度，其中振源距离和强夯能级显著高于后三者。以此为据构造三层递进式评价体系的判断矩阵，使矩阵标度具有客观数据支撑。经计算得权重：振源水平距离0.378、强夯能级0.262、填土高度0.185、管道埋深0.124、岩土类型0.051，一致性比率cr=0.018<0.1。本发明将有限元模拟数据转化为可量化的权重系数，彻底避免了传统经验赋值的主观偏差。

48、本发明建立五级量化赋值标准和易发性指数线性加权模型e，将各指标赋分后加权求和，指数范围1.0~5.0对应五个易发等级，并为每个等级匹配了可执行的施工管控参数与管道防护措施。赋值边界基于有限元模拟中的响应拐点及安全规范限值确定：填土高度≥30m赋1分、<5m赋5分；强夯能级≤2000kn·m赋1分、≥3500kn·m赋5分；振源距离≥130m赋1分、<115m赋5分；埋深≥2.5m赋1分、<1.0m赋5分；岩土类型按黄土至碎石土依次赋1至4分。防控措施与权重优先级对齐：i、ii级仅需常规施工及振动速度≤40mm/s监测；iii级限制能级≤3000kn·m、距离≥120m；iv级限制能级≤2500kn·m、距离≥130m并增设隔振沟；v级增加管道局部加固。实施例验证表明参数优化可使指数从3.0降至2.42，风险等级由iii级降为ii级。该方案实现了从风险量化到分级管控的一体化，填补了该领域无统一分级标准的空白。

49、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。