埋地管道震害特征及機(jī)理分析

馮紅衛(wèi) 韓俊艷 李金龍 李立云

摘 要：埋地管道的抗震安全問題已成為生命線地震工程的重要研究內(nèi)容，受到了世界各國地震工作者的高度重視，筆者通過對(duì)國內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)的查閱及分析研究，總結(jié)了埋地管道的地震反應(yīng)特征和破壞類型，并對(duì)其的破壞機(jī)理進(jìn)行分析，以期為埋地管道的抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)和有益的參考（本文原刊于煤礦開采2014年5月）。

關(guān)鍵詞：埋地管道；破壞類型；震害破壞機(jī)理

隨著我國對(duì)地下空間的開發(fā)力度的加大，地下結(jié)構(gòu)工程的數(shù)量迅速增加，作為生命線工程的埋地管道在輸送水、油、氣、煤以及在通信交通和排水等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，堪稱現(xiàn)代工業(yè)和城鎮(zhèn)生活的大動(dòng)脈，其破壞可導(dǎo)致城市乃至區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)功能的癱瘓[1] [2]，如1971 年美國圣費(fèi)爾南多地震，使加里福尼亞州圣費(fèi)爾南多山谷的地下輸氣管道和給排水管道遭受重大破壞，給排水和天然氣管道有2400處遭到破壞，震中附近有25.6km管道破壞 [3] [6]；1976年中國唐山地震，7.8級(jí)地震使全市給水系統(tǒng)癱瘓，搶修了一個(gè)多月才基本恢復(fù)供水，秦京輸油管線有4處破壞，流失原油1萬余噸，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，且污染了大片農(nóng)田、河流，次生災(zāi)害嚴(yán)重[4]；2008年“5.12”汶川地震使震區(qū)供水管網(wǎng)受到嚴(yán)重破壞，供氣系統(tǒng)設(shè)施也出現(xiàn)不同程度的破壞，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，供水系統(tǒng)共有677個(gè)水廠受損，11萬處管線破壞，受損長度高達(dá)1.38萬km；排水管網(wǎng)管道受損長度約3300km， 供氣系統(tǒng)設(shè)施受損5.1萬處，供氣系統(tǒng)設(shè)施受損5.1萬處，供氣管道受損長度達(dá)到992km[5]。這些震害經(jīng)驗(yàn)表明，現(xiàn)代城市對(duì)生命線工程系統(tǒng)具有高度的依賴性，其抗震問題也引發(fā)了各國學(xué)者的關(guān)注，地下工程結(jié)構(gòu)的抗震安全和抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)成為工程界普遍關(guān)心的問題。

筆者通過對(duì)大量埋地管道震害的分析研究， 總結(jié)了埋地管道的地震反應(yīng)特征和破壞類型，并對(duì)其破壞機(jī)理進(jìn)行分析，以期為埋地管道的抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)和有益的參考。

1 埋地管道的振動(dòng)反應(yīng)特征

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對(duì)原型觀測（震害調(diào)查和現(xiàn)場試驗(yàn)）資料的研究分析以及近年來的研究成果，總結(jié)了埋地管道在地震波作用下反應(yīng)特征的一般規(guī)律，其是進(jìn)行埋地管道地震反應(yīng)分析的依據(jù)[6]- [12]。

（1）破壞荷載：理論分析和實(shí)際震害均表明，埋地管道的破壞主要由地震行波的傳播、場地失效（斷層相對(duì)運(yùn)動(dòng)、土體液化等因素）引起，受地震波傳播影響而引起的土體變位造成的震害較輕，但影響面廣，是埋地管道破壞的最基本形式；場地失效所造成的管道破壞都相當(dāng)嚴(yán)重，且難以避免，選址時(shí)應(yīng)盡量避免此類地段。

（2）地面位移：對(duì)埋地管道地震破壞的研究發(fā)現(xiàn)，埋地管道振動(dòng)中的主要應(yīng)變與地震加速度大小的聯(lián)系不很明顯，而對(duì)周圍巖土體應(yīng)變十分敏感，周圍巖土體應(yīng)變?cè)酱蠊艿榔茐脑絿?yán)重。埋地管道的自振頻率遠(yuǎn)大于土體的振動(dòng)頻率，管道受到周圍土的阻尼影響很大，管道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，對(duì)結(jié)構(gòu)自身的反應(yīng)僅有非常小的影響，管道的反應(yīng)性態(tài)主要取決于沿線土體的位移特征，而對(duì)土體的運(yùn)動(dòng)位移特征幾乎無影響。

（3）地震波傳播方向及頻譜特性：埋地管道的振動(dòng)形態(tài)受地震波傳播方向的影響很大，地震波的入射方向發(fā)生不大的變化，管道各點(diǎn)的變形和應(yīng)力可發(fā)生較大變化。埋地管道走向與地震作用方向吻合時(shí)，管道動(dòng)應(yīng)變最大，損壞最大；當(dāng)?shù)卣鹱饔梅较虼怪庇诠茌S方向入射時(shí)，管道動(dòng)應(yīng)變最小。埋地管道的動(dòng)應(yīng)變不僅和地面應(yīng)變的峰值有關(guān)，還與地震動(dòng)的頻率含量有關(guān)，尤其是對(duì)低頻含量十分敏感。低頻含量愈豐富的地震波，激起的管道動(dòng)應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

（4）場地條件：埋地管道的破壞程度基本隨地震烈度的增大而加重，埋地管道從一種類型土壤過渡到另一類型土壤的過渡區(qū)震害較嚴(yán)重；軟土中的管線較硬土中的管線震害嚴(yán)重，同一地震烈度下，復(fù)雜地基和軟弱地基比基巖地基中的管道震害嚴(yán)重得多。

（5）管土間相互作用：現(xiàn)場震害資料證明，地震時(shí)埋地管道受周圍土體的約束與周圍巖土體一起運(yùn)動(dòng)，受管道本身的剛度的影響，管道的變形比未敷設(shè)管道的土體變形小，只要管土界面的剪應(yīng)力未達(dá)到臨界剪應(yīng)力，管道就隨同周圍巖土體一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)管土界面的剪切應(yīng)力達(dá)到臨界剪應(yīng)力或管土間的極限摩擦力時(shí)，管土之間將發(fā)生滑移。

（6）管道變形：震害資料及理論分析均表明，直埋管道的軸向應(yīng)變遠(yuǎn)較彎曲應(yīng)變凸顯，以軸向應(yīng)變?yōu)橹?，而彎管、大直徑管道則需要考慮彎曲變形。

（7）管道的材質(zhì)及構(gòu)造：埋地管道的材質(zhì)、口徑、壁厚、接口型式均有不同程度的影響。埋地管道的破壞大多是由于管道強(qiáng)度不足以抵抗周圍土體傳來的振動(dòng)變形而引起的；震害資料表明：柔性接口的震害率明顯低于剛性接口，這是由于柔性接口具有較好的延性，可以吸收較多的變形；管道橫截面的剛度與管徑和壁厚有關(guān)，小口徑管道在土中的約束程度比大口徑的約束作用大。日本、美國以及我國海城，唐山兩次強(qiáng)震中的震害均表明，管道的破壞隨管徑增大而減小，這說明管道剛度的影響不可忽視，但是各國學(xué)者對(duì)管徑的影響看法不一。

（8） 管道埋深：埋地管道一般總是埋在地表下有限的深度處，1923年東京地震調(diào)查資料顯示，埋深的增加破壞增加，而埋深增加到2.4m后管道的破壞率減小。淺埋管道破壞較輕是由于作用在管道上的土壓力和縱向摩擦力較小，土體對(duì)管道的約束作用小，傳遞到管道上的地震作用就小，埋深增加約束作用增大，破壞率高；埋深增加到2.4m管道事故率降低可以解釋為隨深度的增加地震作用下土體的位移下降的幅度大于約束作用增大的幅度。然而在許多情況下埋地管道破壞與其埋深之間并不存在固定的關(guān)系。造成完全不同的結(jié)論是因?yàn)楣艿赖钠茐牟粌H取決于土體位移的大小，而且還取決于管道在土體中的約束程度，因而較難確定管道埋深多大時(shí)震害較輕。

2 埋地管道破壞的主要類型

地震作用下埋地管道的破壞類型主要有三種[22]- [24]：

（1）接口破壞：連續(xù)式鋼管焊縫連接處的開裂，法蘭螺栓松動(dòng)；承插式管道接口填料松動(dòng)、剪裂、插頭拔出和承插口破裂等；

（2）管體破壞：管體出現(xiàn)縱向或斜向裂縫；地面大變形造成的管體折斷，銹蝕嚴(yán)重鋼管和鑄鐵管管體發(fā)生的折斷等；

（3）連接破壞：管道的三通彎頭、閘閥及其與其它構(gòu)筑物聯(lián)接處，易受應(yīng)變集中，運(yùn)動(dòng)相位不一致而發(fā)生破壞。

三種形式的破壞中管體破壞一般是由于地面斷裂、滑坡等嚴(yán)重地面大變形或由于管體本身缺陷和腐蝕嚴(yán)重而引起的破壞；接頭和連接破壞是地震作用下最為普遍的破壞見圖。

圖1 汶川地震中管線破壞情況

Fig1 Failure conditions of the pipeline in Wenchuan earthquake

3 埋地管道破壞的機(jī)理分析

埋地管道的地震破壞主要由構(gòu)造性地運(yùn)動(dòng)-斷層錯(cuò)動(dòng)、地震場地失效-土壤液化、地震波傳播效應(yīng)引起，下面簡要分析埋地管道的破壞機(jī)理。

（1）斷層滑移作用[13]- [14]

在一次強(qiáng)破壞性地震中，斷層位錯(cuò)越大，震害越嚴(yán)重。斷層滑移的主要作用是使管道產(chǎn)生平錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，也可能伴隨有較小的垂直移動(dòng)。斷層滑移區(qū)土體發(fā)生相對(duì)較大的錯(cuò)動(dòng)滑移，埋地管道受周圍土體的約束，隨著土體的變形而變形，當(dāng)管道與活動(dòng)斷層相交時(shí)，地震中產(chǎn)生的地表斷裂運(yùn)動(dòng)使管道產(chǎn)生縱向和橫向變形，縱向變形會(huì)使管道產(chǎn)生拉伸或縮短，管道受拉伸超過極限時(shí)就會(huì)發(fā)生破壞，管道受壓縮時(shí)則會(huì)由于薄殼失穩(wěn)而造成屈曲破壞；橫向變形則會(huì)使管道產(chǎn)生折斷等剪切破壞，管道發(fā)生的剪切位移、拉伸或縮短的程度取決于斷層的類型、管道和斷層的方位、斷層錯(cuò)動(dòng)的大小和斷層平面的傾角等因素，大量的震害調(diào)查認(rèn)為，具有高強(qiáng)度和韌性的鋼管（油、氣管道）一般能抗拒強(qiáng)烈地震的地面運(yùn)動(dòng)，卻不能抵御斷層作用和地面破壞所產(chǎn)生的永久地面變形。

（2）土壤液化[15]- [16]

地下水位以下的飽和松砂和粉土在地震作用下，土顆粒之間因振動(dòng)而密實(shí)，但由于顆粒之間的空隙水來不及排出，使土顆粒處于懸浮狀態(tài)，即由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，土在液化及液化后的反應(yīng)極為復(fù)雜， 其中牽涉到從固相到液相及從液相到固相的轉(zhuǎn)變、土骨架與水相互作用的問題、大位移與大變形以及非連續(xù)介質(zhì)等。液化往往造成管道上浮或下沉，目前研究液化砂土中管的動(dòng)力特性，主要集中在管道在液化和不液化的邊界區(qū)域和管的上浮力，對(duì)由液化引起的大的永久性位移卻沒有進(jìn)行足夠的研究。

（3）地震波傳播效應(yīng)[17]- [20]

地震引發(fā)地面振動(dòng)或搖晃，振動(dòng)以一定速度的波的形式在地面?zhèn)鞑ィ热贿\(yùn)動(dòng)是波，不同部位的管道的位移是不同步的，引發(fā)不同類別的應(yīng)變?？v波沿管道方向的傳播使得土體受壓或受拉，管道被周圍土體夾裹著作波動(dòng)變形，則土體的這種張拉和壓縮力將作用于管道產(chǎn)生軸向應(yīng)變，橫波沿管道方向傳播使得土體垂直管道方向發(fā)生橫向變形，管道受土體約束影響而隨土體一起運(yùn)動(dòng)，促使管道產(chǎn)生彎曲應(yīng)變。軸向應(yīng)變可能是受壓或受拉，且會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在一次地震中，受拉時(shí)管道接頭處產(chǎn)生拉拔力；受壓時(shí)管道產(chǎn)生擠壓或屈曲；彎曲變形則使連接開裂、破損，剪切引起折斷。

除此之外，埋地管道的變形還受周圍土體的地質(zhì)條件的影響。震害資料和理論研究均表明非均勻場地對(duì)埋地管道的動(dòng)力特性有較大的影響，管道在穿過非均勻場地時(shí)，土體出現(xiàn)明顯的豎向和橫向位移，使管道由于變形不同而破壞。土體類型變化以及其它因素如地震波類型、地形地貌條件、斷層等共同作用對(duì)管道破壞的影響很大，結(jié)合起來考慮其破壞機(jī)理十分重要。一般來說，前二種作用對(duì)埋地管道的破壞是災(zāi)難性的，均屬于難以抗拒因素，實(shí)際工程中多采用避開這類地段鋪設(shè)管道的措施或?qū)ｉT研究特殊的抗震措施。而地震波傳播效應(yīng)則是埋地管道破壞的最普遍原因，最早引起了人們的關(guān)注，是埋地管道抗震研究的主要對(duì)象，其在理論和試驗(yàn)上的研究也較深入。

4 結(jié)語

埋地管道的抗震，是生命線地震工程的重要組成部分。只有認(rèn)清埋地管道在地震波作用下反應(yīng)特征的一般規(guī)律、破壞機(jī)理，并將其作為埋地管道地震反應(yīng)分析的依據(jù)，才能建立適合實(shí)際工程的埋地管道地震災(zāi)害防御技術(shù)，提高埋地管道的抗震能力，完善地震災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案和工程技術(shù)措施，從地震防御到抗震理論分析，做到有的放矢，才能盡可能的減輕埋地管道的破壞，埋地管道和地鐵、隧道、共同溝、地下管廊同屬于地下線形結(jié)構(gòu)，其震害分析在理論上應(yīng)對(duì)后者震害原因分析有一定的借鑒價(jià)值（本文原刊于煤礦開采2014年5月）。

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作者簡介

馮紅衛(wèi)（1980-），男，河南人新鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)抗震方面的研究工作。

韓俊艷（1983-），女，河南周口，博士研究生，主要從事巖土工程及地下結(jié)構(gòu)抗震方面的研究；

李金龍（1992—），男，江西上饒人，碩士，主要從事地震作用下地下結(jié)構(gòu)破壞仿真研究；

李立云（1973-），男，河北寧晉人，副教授，博士。主要從事地震工程及巖土工程防災(zāi)減災(zāi)方面的研究。