北京供水管線地震脆弱性評價

吳 婧,劉萬象,梁 軍,馮博然

(北京市自來水集團(tuán)有限責(zé)任公司 安全保衛(wèi)部，北京 100031)

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北京供水管線地震脆弱性評價

吳 婧,劉萬象,梁 軍,馮博然

(北京市自來水集團(tuán)有限責(zé)任公司 安全保衛(wèi)部，北京 100031)

供水管網(wǎng)作為供水系統(tǒng)的重要組成，在地震作用下易遭受破壞，給人民群眾的生活、生命和財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重危害。針對如何定量化評價供水管線地震脆弱性問題，降低此類危害發(fā)生的可能性，從而提升供水管線的抗災(zāi)復(fù)原能力，首次基于蝴蝶型突變理論，選擇與抗震能力密切相關(guān)聯(lián)的因素，組成評估管線抗震能力系統(tǒng)，并對北京供水管線進(jìn)行地震脆弱性評估，使得評估結(jié)果更具有科學(xué)性和可靠性。

供水管線；突變理論；脆弱性評價

供水系統(tǒng)是城市生命線工程的主要組成部分，在地震作用下易遭受破壞[1-2]。由于圈、壓、埋、占現(xiàn)象嚴(yán)重，極易產(chǎn)生各種次生災(zāi)害，給人民群眾的生活、生命和財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重危害[3]。以1976年唐山7.8級地震為例，地震波波及天津，烈度達(dá)7～8度，致使天津市供水管網(wǎng)發(fā)生了1 000余處漏水，干管破壞0.18處/km，支管破壞1 113處/km，DN 75 mm以上干管漏水161處，其中4條主要過海河干管破壞2條，造成河?xùn)|區(qū)一帶嚴(yán)重缺水、斷水。塘沽區(qū)災(zāi)情更為嚴(yán)重，曾一度全區(qū)停水，干管破壞4.0處/km，DN 75 mm以上干管漏水332處。因此，對供水系統(tǒng)地震工程的研究受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[4]。

城市供水系統(tǒng)的抗震設(shè)計/分析可以追溯到O’ROURKE等[5]的首次相關(guān)科學(xué)研究工作。然而，供水管網(wǎng)作為供水系統(tǒng)的重要組成，具有建設(shè)時間跨度大的特點(diǎn)，而且混合了各種不同管材的類型和不同的技術(shù)連接方法等，這些因素共同決定了其抗震能力。而如何選擇與地震影響密切相關(guān)的要素[6-7]，是一個關(guān)鍵的問題，只有抓住關(guān)鍵要素才能使評價結(jié)果更加科學(xué)、可靠[8]。筆者結(jié)合供水系統(tǒng)地震災(zāi)害特點(diǎn)，在供水管網(wǎng)地震地質(zhì)環(huán)境分析的基礎(chǔ)上，選取了供水管線地震脆弱性評價指標(biāo)，制定了分級標(biāo)準(zhǔn)，建立了基于蝴蝶型突變理論的供水管線地震脆弱性綜合評價模型，并利用該模型對北京供水管線進(jìn)行了地震脆弱性評估。

1 北京供水管網(wǎng)特點(diǎn)

北京市市區(qū)配水管網(wǎng)已形成以老城區(qū)為中心，呈環(huán)狀分布管網(wǎng)相互連通的大型城市配水管網(wǎng)，市區(qū)管網(wǎng)總長達(dá)9 268.23 km，供水服務(wù)面積為727.82 km2，供水用戶達(dá)307萬戶。通過數(shù)據(jù)匯總分析，發(fā)現(xiàn)北京市城區(qū)供水管網(wǎng)的幾大特點(diǎn)：

(1)建設(shè)年代跨度大，增長速度快。從解放前夕的367 km，發(fā)展到2014年的12 000 km，其中市區(qū)管網(wǎng)9 268.23 km。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，城區(qū)供水管線平均每年增長約280 km；市區(qū)供水范圍從建國初城區(qū)中心地帶，發(fā)展到五環(huán)以外，涵蓋近郊區(qū)縣1 000 km2的范圍。

(2)管材種類復(fù)雜，工藝方法多樣。由于時代、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)背景不同，市區(qū)管網(wǎng)材質(zhì)有預(yù)應(yīng)力混凝土、玻璃鋼管、球墨鑄鐵管、鑄鐵管、鍍鋅管、鋼塑復(fù)合管、鋼管、PE管，接口施工方法有承插口膠圈、打口膠圈、絲扣和焊接接口。

(3)供水格局改變，管網(wǎng)壓力升高。自20世紀(jì)初到1983年以前，市區(qū)供水全部依靠地下水，管網(wǎng)壓力偏低。此后，市區(qū)供水格局轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤偷乇硭嘟Y(jié)合、以地下水為主的供水方式。自2002年國務(wù)院批復(fù)了《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》開始，至2013年實(shí)現(xiàn)了本地水、外調(diào)水、地下水的聯(lián)合調(diào)度。供水格局的改變，使市區(qū)大量管網(wǎng)運(yùn)行呈管徑由小漸大供水的狀態(tài)，對管網(wǎng)的水力沖擊很大。

(4)市區(qū)地質(zhì)環(huán)境對管網(wǎng)安全運(yùn)行影響較大。北京地區(qū)位于燕山臺褶帶(山區(qū))與華北斷坳(平原區(qū))兩個構(gòu)造單元交匯部位。歷史上曾發(fā)生過多起較強(qiáng)烈的地震，是災(zāi)害的發(fā)育區(qū)。西部和西北部管網(wǎng)經(jīng)過八寶山斷裂和黃莊-高麗營斷裂帶，城區(qū)經(jīng)過順義-良鄉(xiāng)斷裂帶，東部和東南部經(jīng)過南苑-通縣斷裂帶。由于城區(qū)人工回填土具有不均勻性及活動斷裂帶的通過，對各種管材的管線及鋪設(shè)年代較長的供水管網(wǎng)會帶來不利條件。

2 供水管線的地震脆弱性評價模型

2.1 供水管線地震災(zāi)害風(fēng)險

供水管線的地震災(zāi)害風(fēng)險包含了管線本身的脆弱性和地震發(fā)生后造成的損害。地震事件就是造成損害、損失、毀壞和痛苦的事件，即威脅?！翱赡苄浴本褪秋L(fēng)險的概率，即威脅發(fā)生的概率，“所造成的損害”稱為風(fēng)險后果。因此，風(fēng)險的評估就是R=P×C。其中：R為風(fēng)險；P為威脅發(fā)生的概率；C為威脅作用于系統(tǒng)產(chǎn)生的后果。

為了考慮系統(tǒng)自身屬性，對城市供水管線的地震災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行改進(jìn)，即得到了風(fēng)險評估公式為R=P×C×V，V為管線的脆弱性。脆弱性是依附于風(fēng)險而產(chǎn)生的概念，是管線本身固有的屬性，反映了管線在面對特定威脅發(fā)生時受影響的程度，并且系統(tǒng)的脆弱性會隨威脅的變化而發(fā)生改變。

地震災(zāi)害資料表明，供水管網(wǎng)的破壞與地震強(qiáng)度和管網(wǎng)所處的場地條件有關(guān)。地震作用對輸水和配水管線產(chǎn)生破壞的原因可分為兩類：一類是強(qiáng)地面運(yùn)動，即地震波的傳播所引起的管線失效；另一類是地面的永久變形，如由斷層運(yùn)動、砂土液化、滑坡等引起的場地破壞。其中，對埋地管線影響最大的是斷層引起的地表破裂。但由于斷層對管線的影響段很短，突發(fā)錯動影響帶寬度一般在100 m左右，且分析斷層錯動對管線的影響，一般還需要工程地質(zhì)勘察才能確定斷層與管線夾角、斷層位移等輸入?yún)?shù)。因此，在此著重考慮管線沿線區(qū)域性的地震風(fēng)險，重點(diǎn)考慮較普遍的第一類影響。在地震波作用下，場地中不同點(diǎn)產(chǎn)生相對位移，這種相對位移將通過土體傳播到埋地管線，使埋地管線產(chǎn)生軸向和彎曲變形，當(dāng)變形位移超過管體或接口容許的位移時，管線即發(fā)生破壞。另外供水管網(wǎng)地震破壞嚴(yán)重程度也與供水管網(wǎng)自身的結(jié)構(gòu)屬性有關(guān)。不同結(jié)構(gòu)屬性的管線在同樣區(qū)域和地震強(qiáng)度條件下，其破壞程度也會有很大差別。

綜上所述，供水管網(wǎng)的破壞一方面與地震屬性有關(guān)，另一方面與自身結(jié)構(gòu)屬性有關(guān)。筆者在進(jìn)行供水管線地震脆弱性評價時，考慮的假設(shè)條件是在同等烈度的地震威脅下、同樣場地條件中的供水管線地震脆弱性評價，地震脆弱性評價對象是北京的供水管線。

2.2 供水管線結(jié)構(gòu)地震脆弱性分析及分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 地震脆弱性指標(biāo)

在大量文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，分析得到管線的接口形式和管材對管線抗震性能的影響較大。大量地震災(zāi)害表明：同樣條件下，由于柔性接口的管線能吸收較多的場地應(yīng)變，因此抗震性能優(yōu)于剛性接口；韌性好的管材比脆性管材有更好的抗震性能。同時，按照管材與管線周圍土壤相對剛度的不同，管線可以分為柔性管線和剛性管線。在土壤荷載作用下，柔性管線的截面會產(chǎn)生很大的變形，而剛性管線的截面幾乎不變形。這說明了柔性管線和剛性管線在與周圍土壤相互作用時有著明顯的區(qū)別。

另外，大口徑管線的破壞率小于小口徑管線，說明管線的剛度可抑制周圍土壤的變形。同時，管線的設(shè)計、施工、使用年限等對管線的破壞也有一定的影響。因此，選取管材、管齡、管徑和接口形式4個指標(biāo)對輸水管線和配水管線的結(jié)構(gòu)地震脆弱性進(jìn)行分析。

2.2.2 地震脆弱性分級標(biāo)準(zhǔn)

通過對《汶川特大地震中城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)地震災(zāi)害與抗震救災(zāi)調(diào)查報告》[9]和《給水排水管材實(shí)用手冊》[10]的分析可知，就管材來說，PE管、鋼塑復(fù)合管抗震性能最好，鋼管、球墨鑄鐵管、鍍鋅管次之，再者為普通鑄鐵管，預(yù)應(yīng)力混凝土管和玻璃鋼纏繞管相對最差。就管徑來說，中等管徑的破壞率比小管徑要低1～2個數(shù)量級，管徑越大越不容易破壞。就管齡來說，在地震中使用時間較長的管線受損情況比較嚴(yán)重。同時，接口形式是體現(xiàn)管線抗震性能的最重要因素，在同樣條件下，柔性接口的抗震性能比剛性接口好得多，因?yàn)槿嵝越涌谀茌^大限度適應(yīng)于地面破壞所引起的變形，剛性接口則不然，因此剛性接口的地震災(zāi)害情況明顯比柔性接口嚴(yán)重。結(jié)合北京供水管網(wǎng)情況，建立供水管線結(jié)構(gòu)地震脆弱評價指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)，如表1～表4所示，其對分析供水管線地震設(shè)防有重要意義。

表1 不同管材的抗震性能分級標(biāo)準(zhǔn)

表2 不同管徑的抗震性能分級標(biāo)準(zhǔn)

表3 不同接口形式的抗震性能分級標(biāo)準(zhǔn)

表4 不同管齡的抗震性能分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3 地震脆弱性綜合評價

突變理論是常被用來認(rèn)識和預(yù)測復(fù)雜系統(tǒng)的行為，強(qiáng)調(diào)突變性，根據(jù)上述地震災(zāi)害特點(diǎn)，顯然地震災(zāi)害具備突變性的特征。這就決定了供水服務(wù)功能是否穩(wěn)定取決于供水管線的穩(wěn)定性。筆者采用蝴蝶型突變理論[11]對供水管線的脆弱性進(jìn)行綜合評價，其特點(diǎn)是不需要對指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計算，僅考慮各評價指標(biāo)的相對重要性。根據(jù)評價目的，將系統(tǒng)分解為若干評價指標(biāo)組成的多層次系統(tǒng)，以便得到更具體的指標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)分解到可計量的子指標(biāo)時，分解就可以停止，此時，對底層指標(biāo)進(jìn)行相對重要性排序，并結(jié)合相應(yīng)的突變模型歸一化公式計算出脆弱性評價總指標(biāo)值。蝴蝶突變是七種初等突變之一，其歸一化公式是根據(jù)突變模型的勢函數(shù)推導(dǎo)出相應(yīng)的交叉集方程，在交叉集方程的基礎(chǔ)上通過進(jìn)一步推導(dǎo)而得出的。

在此，由接口形式、管材、管徑和管齡作為供水管線脆弱性系統(tǒng)的4個獨(dú)立的控制性變量u1、u2、u3、u4，Xu1、Xu2、Xu3、Xu4為對應(yīng)控制變量的突變級數(shù)值。利用蝴蝶突變型歸一化公式則有：

供水管線的脆弱性指數(shù)計算公式為：

最終求得表征系統(tǒng)狀態(tài)特征的總突變級數(shù)值，即供水管線的抗震能力等級。供水管線脆弱性分級標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 供水管線的脆弱性分級標(biāo)準(zhǔn)

3 案例分析及結(jié)論

按照上述脆弱性評價方法，對北京存在的不同接口形式、管材、管徑、管齡的供水管線進(jìn)行地震脆弱性定量化評價。根據(jù)基于突變理論的供水管線地震脆弱性綜合評價模型及分級標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果顯示， 300 mm以下、50年以上管齡的普通鑄鐵管；600 mm以下、30年以上管齡的鋼管；全管徑、50年以上管齡的預(yù)應(yīng)力混凝土管和300 mm以下、30年以上管齡的鋼塑復(fù)合管和鍍鋅管抗震能力等級最低。

研究結(jié)果表明，管徑越小，管齡越久，管線抗震能力越差，普通鑄鐵管和預(yù)應(yīng)力混凝土管的材質(zhì)沒有球墨鑄鐵管好，因此建議將普通鑄鐵管材和預(yù)應(yīng)力混凝土管替換為球墨鑄鐵管。近年來北京配水管網(wǎng)改造工程中，針對大口徑管線(≥DN300 mm)實(shí)施的消隱工程采用球墨鑄鐵材質(zhì)、膠圈柔性接口和撞口連接的施工技術(shù)對老舊管網(wǎng)進(jìn)行改造。僅2015年消隱工程累計完工8.39 km，其中管網(wǎng)改造二期消隱工程完工2.44 km，三期消隱工程完工5.95 km。全年小口徑換管工程累計完工47.98 km。以上數(shù)據(jù)驗(yàn)證了研究的結(jié)果，也為以后工作的開展奠定了數(shù)據(jù)理論支持。

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WU Jing:Engineer; Department of Safety and Security,Beijing Waterworks Group Ltd., Beijing 100031,China.

Seismic Vulnerability Evaluation of Beijing’s Water Supply Pipeline

WUJing,LIUWanxiang,LiangJun,FENGBoran

Water supply network as an important component of the water supply system, it is easy to suffer damage under the earthquake, resulting in serious harm to the people's life, life and property safety. In view of how quantitative assessment of water supply pipeline seismic vulnerability problem, reducing the occurrence of the possibility of such harm, so as to enhance the water pipeline disaster resilience, it was the first time based on butterfly catastrophe theory, to select closely associated seismic capacity factors, comprising of earthquake ability evaluation system. The Beijing water supply pipeline for seismic vulnerability evaluation was carried out. The evaluation result is more scientific and reliable.

water supply pipeline; catastrophe theory; vulnerability evaluation

2095-3852(2017)02-0140-04

A

2016-10-22.

吳婧(1987-)，女，北京人，北京市自來水集團(tuán)有限責(zé)任公司安全保衛(wèi)部工程師，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)建模、安全評價及應(yīng)急管理.

TU991.33; X915.5

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.004