城市供水管網(wǎng)抗震可靠性研究及應用

姬永紅

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 引言

城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)是指保證城市用水的各類構(gòu)筑物和供水管網(wǎng)所組成的系統(tǒng)。供水管網(wǎng)系統(tǒng)是城市生命線工程的重要組成部分。隨著城市現(xiàn)代化建設的迅速發(fā)展，供水管網(wǎng)發(fā)揮著日益重要的作用。當?shù)卣鸢l(fā)生后，除了城市中數(shù)量龐大的人群的飲水外，醫(yī)療和消防用水量等都將劇增。供水管網(wǎng)系統(tǒng)除了面臨著如何在地震中保全自身外，還面臨著如何保證城市中這些非常之需。然而，國內(nèi)外的震害調(diào)查表明，在地震作用下，如所有的生命線系統(tǒng)一樣，供水管網(wǎng)系統(tǒng)自身也是很脆弱的，在強烈地震中易于遭受破壞,導致整個城市的功能嚴重喪失甚至處于癱瘓狀態(tài)。供水管網(wǎng)系統(tǒng)是生命線工程系統(tǒng)的重要組成部分,其對城市功能的作用是不言而喻的。

1 供水管網(wǎng)地震破壞分析

1.1 供水管網(wǎng)的特點及抗震特性

供水管網(wǎng)系統(tǒng)作為生命線系統(tǒng)的一類，具有的特點主要表現(xiàn)在：（1）分布廣。生命線一般都分布在一個很大的地理范圍內(nèi)。（2）生命線工程網(wǎng)絡系統(tǒng)具有很大的復雜性。（3）生命線工程結(jié)構(gòu)的破壞具有強烈的相關性。

根據(jù)國內(nèi)外震害調(diào)查分析，地下管線的破壞有如下的規(guī)律：

（1）震烈度越大，管線震害越嚴重；

（2）震害以石棉水泥管、塑料管、鑄鐵管、延性鑄鐵管和鋼管的順序逐漸減輕；

（3）柔性接口的管線震害輕于剛性接口；

（4）管徑越細、埋深越深則震害越嚴重。

大量的地震震害經(jīng)驗表明：地震對地下管線的破壞作用主要源于地表變形和地面運動。前者主要包括斷層錯動、土壤液化、河岸滑坡、地表塌陷等。在發(fā)生地表變形處，地下管線的震害率明顯升高。后者主要指地震波的傳播效應，行進中的波可導致管線發(fā)生過量的變形而破壞，震害調(diào)查表明這種破壞是地下管線的破壞的主要原因。另外，實際地震觀測表明：對于相同的加速度量級，面波引起的管線應變大于體波應變。一般說來，對于斷層錯動、河岸滑坡、地表塌陷等造成的管線破壞，由于屬于難以抗拒因素，因此，多采用避開這類地段鋪設管線的措施或?qū)ｉT研究特殊的抗震措施。而對于地震波傳播效應導致的地下管線破壞，則是抗震研究的主要對象。

1.2 供水管網(wǎng)抗震標準等級

從供水管網(wǎng)系統(tǒng)各元件在完成城市與企業(yè)供水功能的重要性來看,可以把供水管網(wǎng)系統(tǒng)的元件分為三類:第一類為供水系統(tǒng)的關鍵部位,比如地面水的取水構(gòu)筑物、取用地下水的水源井、送水泵房，以及相應的配電室等；第二類為供水系統(tǒng)的主干管線和相應的接頭、閘閥等；第三類為供水系統(tǒng)的支線管道等。從完成供水系統(tǒng)的功能來看,這三類供水系統(tǒng)的元件中第一、第二類是較為重要的,第三類為一般的。因此,對于同一城市而言,這三類供水系統(tǒng)元件的抗震設防標準應該有所差別。

（1）供水系統(tǒng)第一類建(構(gòu))筑物的抗震設防標準：供水系統(tǒng)的第一類建（構(gòu)）筑物是供水系統(tǒng)的關鍵部位,一旦發(fā)生嚴重破壞將導致整個供水系統(tǒng)的中斷。根據(jù)上述分析結(jié)果,對于這類建(構(gòu))筑物,建議在地震作用效應項上乘以1.5倍的重要性系數(shù),其地震作用取值相當于100 a一遇的地震,并提高一度采取構(gòu)造措施;對于水廠中的水泵房、水塔和變電站等小型而又重要的建(構(gòu))筑物,可采取抗震性能好的結(jié)構(gòu)體系,并提高一度采取抗震構(gòu)造措施。

（2）供水系統(tǒng)干線管道、接頭等工程設施的抗震設防標準:在城市供水管線中的干線管道主要是指從水源地至水廠和城市供水的主要線路。干線管道不僅對城市的供水起著關鍵作用,而且消防用水閥門也多設置在主干線上。因此,對于供水系統(tǒng)的干線管道和接頭的抗震設防標準應高于支線管道,也就是說,在預估的罕遇地震作用下,供水系統(tǒng)的主干線不應喪失功能,管道和接頭的破壞應處在輕微至中等破壞狀態(tài);而支線管道和接頭的破壞可處于中等至嚴重破壞,甚至允許一些地段出現(xiàn)斷水。

2 埋地管線地震震害分析

埋地管線的震害分析有兩類方法。一類是理論分析法，即通過力學分析得到地震作用下埋地管線的應力或應變，并與管線的允許應力或應變比較，最終確定管線破壞與否或破壞狀態(tài)。另一類是經(jīng)驗法，即直接用埋地管線的歷史震害記錄來估算待分析管線的震害。以下分別介紹這兩類分析方法。

2.1 理論分析法

理論分析法包括多種計算方法:簡化計算法、有限元分析法、多質(zhì)點模型分析法、彈性地基梁法等。在大型供水管網(wǎng)的抗震分析中，簡化計算法應用較為廣泛。因此，這里僅對三種簡化計算法作簡單介紹。

2.1.1 基于共同變形理論的簡化計算法

地震時，地基土的變形傳給管道，使管道發(fā)生響應變形，由管段的變形可以得到管道的應力、應變。假定管線與周圍地基土在地震中變形一致。依據(jù)共同變形理論計算埋地管線的地震反應是根據(jù)土在地震中的變形定義管道的相應變形，再由管道變形計算管道的應力、應變等。

2.1.2 正弦波動輸入簡化分析法

該方法為早期工程研究當中提出的一種簡化算法，迄今還被一些抗震規(guī)范所沿用，其假設地震波動為正弦地震波，并估計埋地管道的應變與變形。

2.1.3 地震波輸入的簡化分析法

在地震波作用下，場地中不同的點將產(chǎn)生相對位移，這種位移通過土體傳到埋設管道，將使管道產(chǎn)生軸向變形與彎曲變形。通常認為，對于直埋管線，與軸向拉壓應力相比，彎曲應力較小，因此，可忽略其在地震反應分析中的影響。這一方法稱為基于地震波輸入的簡化分析方法。

2.2 統(tǒng)計經(jīng)驗法

現(xiàn)階段，通常采用的經(jīng)驗方法是美國生命線聯(lián)合會(ALA)建議的埋地管線震害估算法。2001年，ALA根據(jù)更多的管線地震震害資料對1989年以前的埋地管線震害經(jīng)驗估算公式進行了修正，得到新的震害估算公式。該公式的關注對象由原來的小管徑管線（管徑小于300 mm）擴展到主干管線（管徑大于300 mm）,考慮的管材及接頭形式也進一步豐富，能夠更為準確地反映出管線震害的總體破壞情況。

在管線的抗震分析中，直接估算法形式簡單，考慮了影響管線震害率的主要因素:地震動參數(shù)、管材、管徑、接頭形式、場地土條件等。雖然，人們還可以列舉出影響管線震害率的更多因素，如施工質(zhì)量、鋪設歷史等，這些因素在經(jīng)驗公式中沒有體現(xiàn)，但是與建立在理想環(huán)境下的理論分析法相比，經(jīng)驗估算法能從宏觀上反映出管線的破壞率，具有重要的工程應用價值。

2.3 地下供水管線抗震可靠度分析

地下管線在地震作用下的變形主要取決于地震動峰值、場地平均剪切波速等基本參數(shù)。在實際工程中，這些參數(shù)的取值受多種復雜因素的影響，具有明顯的隨機性。因此，合理的分析應將這些參數(shù)取為隨機變量，采用概率的方式分析管線破壞的可能性。

通過前述地下管線地震反應分析方法可以得到管線的最大接頭變形量，假定管線接頭變形服從正態(tài)分布，超越概率0.3%的分位值（假設最大變形值位于平均值加3倍標準差處）取為最大接口變形量，變異系數(shù)取為0.4，可以計算得到管線接頭變形的均值和標準差。在已知管線接頭界限變形的均值和標準差的基礎上，就可以得到管線接頭的抗震可靠度。利用管線接頭的抗震可靠度可以計算管線的抗震可靠度，從而可以得到管線在地震作用下的破壞程度。

以管線在地震波作用下的接口損壞作為主要破壞模式。在已知管線地震作用效應及管線接口允許變形的基礎上，管線抗震可靠性可以由常規(guī)的結(jié)構(gòu)抗震可靠性分析方程給出。為此，設管線狀態(tài)的功能函數(shù)為：

其中，R為管線接口滲漏位移極限；S為管道接口變形。當Z＜0，管道接口處于破壞狀態(tài)，當Z＞0，管線接口處于不滲漏狀態(tài)，當Z＝0，管線接口處于極限狀態(tài)。

假定R與S均服從正態(tài)分布，則由概率論基本知識可知，Z亦服從正態(tài)分布，且其概率密度函數(shù)為：

式中，μ與σ為隨機變量Z的期望值與標準差，且：

這里，μR與σR為R的均值與標準差，而μS與σS則為管道接口最大變形的均值與標準差。于是，管道破壞的概率為：

而管道不破壞的概率為：

上面計算出來的可靠性實際上是一個管道接口的抗震可靠性。在實際工程中，通常要求考慮一段包含多個管道接口的管線的抗震失效概率。這就必然涉及多個管線接口的失效相關性問題。

考慮到管線的施工工藝、施工人員、施工時間等要素，可以認為管線可以分為若干段，每段管線的管線接口破壞是與完全統(tǒng)計相關，而各段管線之間管線接口破壞則為統(tǒng)計獨立，因此，當各管線接口可靠概率求出后，管線可靠概率可由下式給出：

式中：n——管線接口破壞統(tǒng)計相互獨立的管線段數(shù)；

mi——每段管線接口破壞統(tǒng)計相互獨立的管線中的管線接口數(shù)。

以管線可靠概率為評價指標，可以對管線破壞程度進行綜合評價，分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和毀壞五個等級，其定義見表1所列。

3 工程應用

3.1 工程概況

某水源地供水項目是為了解決其所在地區(qū)中長期供水需求的重大工程項目，其輸水系統(tǒng)整體方案流程如圖1所示。

水源地水庫出庫采用2×DN5500重力流輸水盾構(gòu)至過江管中間工作井，通過2×DN5500過江管輸送至總泵站?？偙谜緸殛懹蜉斔畼屑~泵站，負責將水源地原水向兩個方向輸送：其一為YQ方向，采用雙管管徑為DN3600的鋼管，供水規(guī)模為440萬m3/d。其二為JH、CS、NH方向，采用雙管管徑為DN2800的鋼管，供水規(guī)模為208萬m3/d。

表1 管線破壞程度進行綜合評價表

圖1 輸水系統(tǒng)整體方案流程圖

該地區(qū)抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10 g。管道附屬構(gòu)筑物（永久性工作井、接收井）屬于抗震乙類建筑，按8度采取抗震措施。根據(jù)勘察資料表明，該工程沿線整個不存在液化土層，場地為不液化場地，設計可不考慮場地地震液化影響，據(jù)該地區(qū)工程經(jīng)驗，沿線廠區(qū)淺部軟土層等效剪切波速大于90 m/s，可不考慮軟土震陷影響。頂管段中心標高-4.40，-6.50，大部分位于③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④淤泥質(zhì)粘土，為不液化土層。

該工程管線采用鋼管，管線連接接頭為焊接或與管道井接頭連接，管線總長度156 km，管材為鋼材，管徑為DN1200～DN5500不等。

3.2 管線抗震可靠性分析

由于該工程場地經(jīng)過嚴格的地質(zhì)勘查，在管線設計時可以盡量使管線避免場地斷層或液化區(qū)域，而且，這里管線采用的鋼管具有較好的抵抗場地土變形及液化的能力，因此，在對管線進行抗震可靠度分析時，主要考慮地震剪切波的波動作用對管線反應的影響。

采用前面所述地震波輸入的簡化分析方法對每根管線進行地震反應分析，再對其進行抗震可靠度進行分析。分析結(jié)果表明，在8度地震作用下，保持完好無損的管線有37.01 km，占總管線的23.7%，發(fā)生輕微破壞的管線有47.09 km,占總管線的30.1%，發(fā)生中等破壞的管線有72.15 km,占總管線的46.2%，各管線可能的破壞情況如表1所列。

表1 8度地震下供水管線可能破壞情況一覽表

由上述分析可知，從宏觀角度講，在8度地震作用下，可能會有大部分的管線發(fā)生不同程度的破壞。對于輕微程度的破壞對管線功能影響較小，只需做適當?shù)臋z修即可使用；對于中等破壞的管線，可能會對管線的供水功能造成一定的影響，需對其進行適當?shù)奶幚矸娇砂踩褂谩?/p>

3.3 提高管線抗震可靠性的基本策略

本文研究管線可靠度偏低的原因有：

（1）該案例分析時提高了抗震設防等級。由于工程的重要性，為了安全起見，在進行分析時，對相應的抗震設防等級提高了1度，這會使管線破壞增大可能性，因此，該分析偏于保守。

（2）管段與管段之間、管段與關斷井之間的連接采用柔性連接。管線的薄弱環(huán)節(jié)是管段接頭及管段與其他設備連接處，由于這里的管段接頭采用焊接，其破壞可能性較小；而管段與管道井的連接采用了柔性連接，并在分析時進行了弱化處理，從而降低了管線的抗震可靠性。

若采用ALA提供的管線震害經(jīng)驗估計公式，可以估算得到整個管線可能的震害率為RR=0.018處/km,而總管線的破壞數(shù)為3處。

這里需要說明一點的是，盡管利用統(tǒng)計經(jīng)驗法計算的管段破壞數(shù)與理論計算結(jié)果相比看似偏低，但是由于經(jīng)驗估計法本身及管線屬性的特點，事實上很難得到上面的結(jié)論。這是因為，一方面，經(jīng)驗估計法是從總體上對管線震害情況進行的估計，因此，它所反映出的信息是總的破壞情況，并不能給出具體的破壞地點，對工程應用缺乏指導價值；另一方面，對于較長的輸水管線而言，一點處的破壞將可能會是整根管線失去功能性，因此，宏觀上管線破壞數(shù)較少并不能說明管線破壞的后果不嚴重。

因此，結(jié)合理論分析與經(jīng)驗統(tǒng)計兩種方法將會更好地評估管線在未來地震發(fā)生時破壞情況。利用經(jīng)驗統(tǒng)計法從宏觀上評估管線系統(tǒng)整體的破壞率，以此來反映在一定場地上選擇合適的管材、管線接頭等對管線整體可靠性的影響。而對于具體每段管線抗震可靠性的評價，則需要具有理論依據(jù)的地震波波動分析法進行分析。

根據(jù)現(xiàn)有的分析結(jié)果，可針對可能發(fā)生不同程度破壞的管線進行分別處理：

（1）從防震角度來考慮，城市供水管網(wǎng)最好采用多水源的環(huán)狀管網(wǎng)。

（2）管材應盡量選用鑄鐵管、預應力管及鍍鋅焊接鋼管。施工時加強對埋管場地的處理，增加場地土的剛度，控制場地土的變形，從而減小管線的變形。

（3）加強對管道破壞的檢查與監(jiān)測，及時了解管線的變形動向，及早進行處理。

（4）對于長管道，適當設置柔性接頭，通過柔性接頭的吸能能力可以減小管道管體應變及其他接頭的位移。柔性接口是提高抗震性能的有效措施，它可以減少地震波引起管道沿軸向波動變形的影響。

4 結(jié)論與建議

本文主要是對供水工程的管線進行管線地震反應分析、抗震可靠度研究及改造加固對策。主要結(jié)論與建議有：

（1）輸水管線進行了抗震可靠度評估，研究表明，在8度地震作用下，大約有將近一半的管線會發(fā)生中等程度的破壞，這些可能破壞的管線主要集中在過江管線、YQ支線、NH支線等處，這些管線都是潛在的比較危險的線路。

（2）用經(jīng)驗統(tǒng)計法對地震作用下整個管線可能的破壞率進行了估算，雖然計算結(jié)果顯示管線可能的破壞率非常低，但由于該工程為輸水主管線，一處的破壞將會引起整根管線的功能喪失，因此，有必要進一步采取措施降低管線破壞的可能性。

（3）給出了供水管網(wǎng)加固改造具體的方法，這對于工程實際具有指導意義：

a.對于跨越管道要加強抗震處理的場地，當跨越管道場地地震動峰值加速度大于或等于0.05g時，應進行抗震設防。由于該工程為大型管道跨越工程，應按批準的地震安全性評價結(jié)果進行計算。管道跨越工程的結(jié)構(gòu)體系應根據(jù)場地的地震動參數(shù)等級、場地類別、水文與工程地質(zhì)條件、跨度、管徑、材料和施工條件等因素，經(jīng)技術經(jīng)濟綜合比較確定。

b.選擇合適的鋼管及鋼材。鋪設管道使用鋼管、附件的選用應根據(jù)場地地震動參數(shù)、跨度、管徑、介質(zhì)壓力、使用要求等因素，經(jīng)技術經(jīng)濟綜合比較確定。采用的鋼管和其他鋼材，應具有良好的韌性和焊接性能。

c.加強施工處理，提高施工水平。該工程采用的管道為鋼管，管道焊口應按相關標準進行射線檢查及超聲波檢查。管道敷設時的應注意填實，在適當?shù)奈恢迷O置截斷閥，在管線變形較大處盡量采用柔性接頭進行連接。

d.加強對管線運行狀況監(jiān)測和檢測，及早發(fā)現(xiàn)管線薄弱環(huán)節(jié)，及時進行加固和維修。

[1]李杰，生命線工程抗震——基礎理論與應用[M].北京：科學出版社，2005.

[2]候忠良.地下管線抗震[M].北京：學術書刊出版社,1990.

[3]ALA(American Lifeline Alliance),Seismic fragility for mulations for Water system,ASCE，2001.

[4]《給水排水工程結(jié)構(gòu)設計手冊》編委會，給水排水工程結(jié)構(gòu)設計手冊[M]，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[5]美莫澤(Moser A.P.)著、北京市市政工程設計研究總院《地下管設計》翻譯組譯，地下管設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[6]艾曉秋.基于隨機地震動模型的地下管線地震反應及抗震可靠度研究[D].上海：同濟大學，2005.

[7]陳玲俐，城市供水系統(tǒng)抗震功能分析與優(yōu)化[D].上海：同濟大學，2002.

[8]牛燕利，基于GIS的城市供水管網(wǎng)動態(tài)震害預測[D].北京：北京工業(yè)大學，2004.

[9]李昕，供水系統(tǒng)地震可靠性分析[D].大連：大連理工大學，2000.

[10]張孝奎，城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)震害分析[D].北京：北京工業(yè)大學，2004.

[11]王小菊，城市供水管網(wǎng)震害預測[D].昆明：昆明理工大學，2002.

[12]羅惠云，舊城給水管網(wǎng)改造探討[J]，給水排水，1998，（12）：35-37.

[13]高小旺，李荷，王菁，肖偉，等.供水系統(tǒng)抗震設防標準的研究[J].建筑科學，1999,(4).

[14]李杰，劉威.大型城市管網(wǎng)抗震可靠性分析與優(yōu)化[J].地震工程與工程振動，2006，（2）：172-175.