運(yùn)城市中心城區(qū)供氣系統(tǒng)震害預(yù)測研究

李?yuàn)^勇，韓曉飛，薛曉東，曾金艷，董 斌

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

生命線工程系統(tǒng)的定義是上世紀(jì)70年代由美國UCLA(加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校)的C.M.Duke提出來的。生命線系統(tǒng)通常認(rèn)為包括能源系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等[1-3]。城市現(xiàn)代化發(fā)展的需求,供氣工程系統(tǒng)已成為重要的生命線工程，是保障城市正常運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

此次研究在山西壓縮天然氣集團(tuán)運(yùn)城有限公司、運(yùn)城市經(jīng)緯燃?xì)庥邢薰竞蜕轿髅裆烊粴庥邢薰緟f(xié)助下，完成運(yùn)城市城區(qū)供氣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)查和收集，為供氣系統(tǒng)的地震災(zāi)害預(yù)測提供基礎(chǔ)。在收集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)《地震災(zāi)害預(yù)測及其信息管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T19428—2014)要求，參考相關(guān)供氣行業(yè)規(guī)范和供氣系統(tǒng)現(xiàn)有的抗震研究成果，對運(yùn)城市城區(qū)供氣系統(tǒng)開展地震易損性分析[4-7]。

1 供氣系統(tǒng)概述

運(yùn)城市壓縮天然氣的輸送由山西壓縮天然氣集團(tuán)運(yùn)城有限公司負(fù)責(zé)，主城區(qū)的燃?xì)夤?yīng)主要由運(yùn)城市經(jīng)緯燃?xì)庥邢薰竞蜕轿髅裆烊粴庥邢薰矩?fù)責(zé)。運(yùn)城市壓縮天然氣輸送示意圖如圖1所示，供氣系統(tǒng)主要門站和設(shè)備現(xiàn)狀如第7頁表1、圖2所示。

2 供氣系統(tǒng)震害預(yù)測

供氣系統(tǒng)中的樞紐建筑物包括燃?xì)夤局鬓k公樓和門站的控制樓，其地震易損性按照建筑物的分析方法進(jìn)行，管網(wǎng)的則按照震害率計(jì)算的方法進(jìn)行分析。

圖1 運(yùn)城市壓縮天然氣輸送示意圖Fig.1 Schematic diagram of compressed natural gas transportation in Yuncheng City

2.1 供氣系統(tǒng)建筑物易損性分析

利用運(yùn)城市中心城區(qū)小區(qū)劃數(shù)據(jù)和地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，綜合考慮城市地震危險(xiǎn)性評估中的不確定性，以結(jié)構(gòu)基本類作為城市建筑群模型，考慮地震動(dòng)不確定性對建筑群地震易損性的影響，建立同時(shí)考慮地震危險(xiǎn)性和地震易損性不確定性的地震風(fēng)險(xiǎn)評估模型，最終給出供氣系統(tǒng)建筑物結(jié)構(gòu)基本類不同極限破壞狀態(tài)的年平均超越概率和50年內(nèi)地震風(fēng)險(xiǎn)概率。由于供氣門站建筑物通常為低矮的磚混建筑物或簡易板房，地震中受損時(shí)對管線造成的破壞預(yù)計(jì)很輕微，故不詳細(xì)論述。

表1 供氣系統(tǒng)主要門站信息統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of main gate station information of gas supply system

圖2 運(yùn)城供氣系統(tǒng)主要門站設(shè)備示意圖Fig.2 Schematic diagram of the main gate station equipment of the Yuncheng gas supply system

2.2 供氣管網(wǎng)易損性分析

管線在地震中遭破壞的形式基本有以下幾種：管道變形、彎曲、屈曲；接口松動(dòng)、撥出；焊縫開裂、管道破損、斷裂等。影響管道破壞的因素是多方面的，除了地震動(dòng)的強(qiáng)烈程度外，還與管線所在的場地類型，管線通過地區(qū)是否有活動(dòng)斷層、液化、沉陷、滑坡，管道的材料、接口方式、敷設(shè)方式以及管道的直徑等因素有關(guān)。其中，場地地面變形、震陷、斷裂和滑坡是造成埋地管道破壞的最重要因素。當(dāng)然，管道本身的物理、力學(xué)性質(zhì)及腐蝕也是不容忽視的影響因素。

供氣系統(tǒng)是覆蓋很大區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為了進(jìn)行供氣系統(tǒng)的震害預(yù)測分析，需要將復(fù)雜的供氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡化成由節(jié)點(diǎn)和鏈路組成的網(wǎng)絡(luò)模型。文章采用震害率計(jì)算的方法來評估供氣管網(wǎng)的地震易損性。管道震害率是指每10 km長度的管道中發(fā)生破壞的處數(shù)。

管道震害率經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型采用地震烈度作為地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，主要是建立單位長度內(nèi)管道的平均破壞率與影響因素之間的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系，并用歷史震害資料綜合統(tǒng)計(jì)給出這類函數(shù)中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，從而計(jì)算管道的震害率。管道震害率模型需要考慮管道的材質(zhì)、接口形式以及施工質(zhì)量、鋪設(shè)年代等的影響，可以通過統(tǒng)計(jì)得到的修正系數(shù)對模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。

運(yùn)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)為中壓管網(wǎng)，管徑主要在110～300 mm之間，管材為PE，燃?xì)鈮毫s為0.3～0.6 MPa。根據(jù)管道統(tǒng)計(jì)震害率，計(jì)算不同材質(zhì)管道在不同地震烈度輸入下的破壞處數(shù)，進(jìn)而匯總得到整個(gè)管網(wǎng)在不同地震烈度下總的破壞處數(shù)。根據(jù)管網(wǎng)分布，按照長度百分比加權(quán)求解每個(gè)管段上的破壞處數(shù)，參照表2、第8頁表3震害等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)(參考《運(yùn)城市中心城區(qū)震害預(yù)測項(xiàng)目生命線工程地震災(zāi)害預(yù)測專題報(bào)告2供水系統(tǒng)震害預(yù)測》)(1)李?yuàn)^勇，曾金艷，韓曉飛，等.運(yùn)城市中心城區(qū)震害預(yù)測報(bào)告，2018.，確定所預(yù)測的管網(wǎng)系統(tǒng)在不同地震烈度下的震害等級(jí)。

表2 管道震害率統(tǒng)計(jì)表(處/10 km)Table 2 Statistical Table of Seismic Damage Rate of Pipeline (Location/10 km)

表3 管道平均震害率統(tǒng)計(jì)表(處/10 km)Table 3 Statistical Table of Average Seismic Damage Rate of Pipeline (Location/10 km)

按照上述方法，利用編制的計(jì)算程序，對運(yùn)城市城區(qū)供氣干網(wǎng)內(nèi)的管道進(jìn)行地震易損性分析計(jì)算，不同材質(zhì)管道的地震破壞處數(shù)根據(jù)管道的材質(zhì)、接口形式和鋪設(shè)年代的不同，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總后得到供氣門站和加壓站的易損性分析結(jié)果(見表4)。在X度烈度下的震害如圖3所示，供氣系統(tǒng)在X度下出現(xiàn)破壞管段，造成的失效范圍如第9頁圖4所示。

3 結(jié)語

對運(yùn)城市中心城區(qū)供氣系統(tǒng)的震害預(yù)測分析結(jié)果表明，不同地震烈度影響也不同。

表4 燃?xì)忾T站加壓站震害分析結(jié)果Table 4 Results of seismic damage analysis of gas gate station pressure station

圖3 Ⅹ度下供氣系統(tǒng)震害圖Fig.3 Earthquake damage diagram of the air supply system under X degree

圖4 Ⅹ度下供氣系統(tǒng)功能失效區(qū)分布圖Fig.4 Distribution of functional failure zone of gas supply system under X degree

(1) 整個(gè)供氣系統(tǒng)的抗震性能較好，在地震烈度Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度影響下，供氣主干網(wǎng)大部分基本完好或輕微破壞，供氣功能基本正常；在地震烈度Ⅸ影響下，鹽湖大道、禹都路部分地段管段出現(xiàn)破壞，會(huì)影響較大面積的供氣；在地震烈度Ⅹ度影響下，中心城區(qū)大面積供氣管網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)破壞，供氣功能完全失效。

(2) 根據(jù)上述震害預(yù)測結(jié)果，對城市供氣系統(tǒng)進(jìn)行抗震加固改造時(shí)，建議優(yōu)先改造鹽湖路和禹都大道，增加管道鋪設(shè)，形成環(huán)狀網(wǎng)，提高供氣系統(tǒng)整體的抗震性能。