既有给排水管线的震害及管道抗震能力关键问题综合分析.pdf

2 0 1 3 年 3 月第 3 期 城 市道桥 与防洪 防洪排水 1 1 1 既有给排水管线的震害及管道抗震能力关键问题 综合分析 舒 亚 俐 ( 北 京市 市政 工程设 计研 究总 院 ， 北 京市 1 0 0 0 8 2) 摘 要： 近年来我国和世界各地地震频发 ， 地震活动进入多发期 ， 对城镇生命线管道结构的安全造成很大威胁， 管道结构的抗震 能力亟待提高。 针对上述情况， 开展对城镇既有市政给排水管线震害的归纳总结， 对相关问题进行深入的综合分析。 在此基础上， 分析阐述增强管道结构抗震能力和在抗震设计时应关注的要点问题。 关键词： 给排水管线； 管道结构 ； 震害情况 ； 抗震能力 中图分类 号 ： T U 9 9 0 3 文献标 识码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 3 一 O 1 1 1 - 0 4 0前言 近年来 ， 地震 频发 ， 地壳 活动 已进入 活跃期 。 我 国汶川 5 1 2大地震 、 日本福 田大地震 、 智利和海 底 大地震 等 ，对市政公共设施均有不 同程度 的破 坏 ，既有市政给排水管道结构深受其害 ，震害严 重 。因此 ， 管线 的抗震能力是管道结构安全可靠的 关键 要素。本 文针对 国内外既有管道 的地震 灾害 的情况进行了归纳总结 ，分析了其发生的各方面 原因 ， 及其应对策略 。在此基础上 ， 提 出了增 强管 道 结构抗震 能力 和在抗震设计 时应关注 的要 点问 题。希望本文的内容， 能够为科学合理地进行既有 管道结构的抗震设计 ，避免或减轻地震灾 害提供 借鉴 ， 并且能给相关标准的编制提供有益的参考。 1 国内外既有管线的震害情况及分析 1 1 我国 5 1 2汶川特大地震 2 0 0 8年 5月 1 2日，我 国四川 汶J i I 县发生 了 M8 。 0强震 ， 重灾 区大量市政公用设施严重破坏。 经 调查 ，地震对城镇 给排水结构造成不 同程度 的损 坏 ， 震损最为严重的是给排水管 网。汶J i J 地震造成 4 4 8 个乡镇的供水设备地下管网遭到严重破坏， 重 灾区的2 3 个乡镇供水设施破坏更为严重， 其中的 1 3 1个 乡镇 供水设 施全部 损毁 ， 1 1万处供 水管 线 破坏， 受损管道长度约 8 0 7 0 k m， 与管网相接的城 镇供水结构亦造成不同程度的损坏。 供水受灾人口 达 1 0 5 8 万人 ， 直接经济损失约 2 6 7 8 亿元。 毁坏自 来 水 厂各类构筑 物 8 2 9个 ，破坏 取水工 程 1 2 8 1 处， 受损水厂 1 5 6 座。 地震后重灾区给水管网供水压力明显下降， 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 2 0 5 作者简介： 舒亚俐( 1 9 6 0 一 ) ， 女 ， 四川成都人， 高级工程师 从事 科技 期刊 工作 。 如绵竹市正常 出厂水压力为 0 3 8 M P a ，震后 的出 厂 水 压 力 仅 为 0 ， 1 M P a ， 经 抢 修 后 逐 步 达 到 0 1 3 0 1 9 MP a ；都江堰市 因城 区管 网和市 内建筑 损坏严重 ， 部分城区供水压力基本为零 ， 只能靠街 道上 的消火栓供水 。 地震造成管 网大范 围损坏和震 裂 ， 城区大面积停水 ， 地下管网遭到严重破坏。 都江 堰市管径 为 1 0 0 mm以上的给水管总长约 1 4 0 k m， 地震中破坏了约 6 7 k m； 江油城区供水公司的管径 1 0 0 6 0 0 m m主干管共约 4 0 0 k m， 地震后造成供水 主干管损坏共计约 2 4 0 k m 。干管破坏既使给水管 网不能正常工作 ， 又给抗震救灾带来极大的困难。 排水管 网也遭到严重破坏 ， 从排水管 网中的相 邻检查井可以观察到排水量的突变 ，不少城镇震 后进入污水厂 的水 量大于震 前水 量。都 江堰 市一 根管径 8 0 0 m m的排水管埋置于沟渠 内， 地震 时一 处三通堵头受损 ， 地下水大量涌人 ， 加上整个城市 排水管网受损严重 ，致使进入污水厂的水量约为 正常时期水 量的两倍。 地震中刚性管材的管道受损严重， 柔性较好的 新型管材损坏相对较轻。地震时位移协调性好的 管道受损 较轻 ， 反之 ， 位移协调性差 、 相互约束较 强 的部位受损 较严 重 。从损 害严 重程度 由重 到轻 排序为： 入户管和出地面处、 支管、 配水干管、 输水 主管。管道埋深越浅 ， 地震时管道受损越严重 。这 是 因为 土层位 移 大小 是 引起 管道 破坏 的主要原 因， 土层位移大管道破坏严重， 土层位移小管道破 坏就轻 ， 而土层的位移随深度的增加而减小。 总体来看， 市政给排水管道在汶川地震中的震 害有以下关注点： 刚性管材受损严重， 柔性较好的 管材损坏相对较小 ； 管道受损与埋深有关 ， 浅埋的 管道受损较重 ；管道埋设在地质条件不 良处受损 严重 ；管道铺设年代久远的管道，特别是 2 O 世纪 6 O 、 7 0 年代铺设的管道基本损毁 ； 不同管材受损程 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 2 防洪排水 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 3 月第 3 期 度不同， 从损害严重程度由重到轻排序为： 混凝土 管( 特别是 自应力混凝土管) ， 灰口铸铁管， 硬聚乙 烯管 ， P E管 ， 球 墨铸铁管 ； 管道 接 口破坏 ： 承插式 管道接 口填料松动 ， 插头拨 出或承 口破损 ， 连续式 管道在焊接处开裂 ， 法兰螺栓松动或拉断 ， 刚性接 口破碎 ， 错位或开裂等； 管体破坏 ： 管体产生纵向 或斜向裂缝 ， 这种形式常见于断层或小口径管， 严 重的锈蚀管材折断等； 连接破坏： 在三通、 弯头 、 阀 门及管道与地下建( 构) 筑物连接处的破坏 ； 灾区 供水管网遭到严重破坏，绵竹市管网震后基本完 好和轻微破坏的管道共 占 2 5 4 6 都江堰市管网 损失更加惨重， 震后基本完好和轻微破坏的管道一 共仅有 6 7 3 。 1 2 国外管线震害情况 美 国旧金 山地区 8 3级地震， 3条 主要输水管 线遭破坏， 城市 配水和排水管 网上 万处破裂， 不 少 消防水源断绝， 全市 5 O余处起火无法抢救， 火灾造 成的损失是地震直接损失的 3 倍。 美国洛杉矶大地震发生在 1 9 9 4年 1 月 1 7日， 震级 6 8级 。洛 杉矶 大地 震后 A WWA( A m e r i c a n Wa t e r Wo r k s A s s o c i a t i o n美 国供水 协会 )和 A S C E ( A me r i c a n S o c i e t y o f C i v i l E n g i n e e r s美国土木工程 师协会 ) 都进行了管道破坏情况的调查并发表报告 。 A S C E的结论是： 材料的韧性越高， 破坏率越低； 在 各种连接的类型中， 熔接的 P E管的受损可能性是 最 低 的 。南 加 利 福 尼 亚 燃 气 公 司 ( S o u th e r n C a l i f o rni a g a s c o mp a n y ) 有 8 4 0 0 0英 里燃气 输配管 道( 受灾地区 4 1 是 P E管) ， 在地震中输配管道发 生 7 0 4处泄漏 ， 大部分泄漏发生在较老 旧的钢管 ， P E管较少受到地震的破坏 。 阪神大地震发生在 1 9 9 5年 1月 1 7日，震级 7 2级 ， 震 中在大阪湾 中 A w a j i 岛下 1 4 k m处 。 管道 破坏形式主要是接 口破坏 ，铸铁管道震后破坏点 为达 十几万 ， 破坏率 达 7 0 8 1 。根据 13本供水 协会 ( J a p a n Wa t e r W0 r k A s s o c i a t i o n ) 1 9 9 6年 2月的 报告， 阪神大地震中供水管道的破坏及其评估在 3 个受灾城市( 神户， 西宫， A s h i y a ) 中的破坏率见表 3 表 1各种给水 管材的破坏 率 1 9 8 5年 9月 1 9日，墨西 哥首都墨西哥 城约 4 0 0 k m海域发生 8 1 级强烈地震 ，导致 8 0 0 余处 供水主干线破坏 ， 4 0 0余处煤气管网中压管线破 坏 ， 引起 了市区火灾 ， 国内国际通讯全部停止工作 。 1 9 9 5年 1月 1 7日清晨 ， 在 日本神户东南的兵 库县淡路岛 ， 发生 7 2级地震 ， 震 源深度 2 0 k m， 地 震使城市的水 、 电、 气 、 电话线全部中断 ， 生命线工 程瘫痪。由于煤气管道和电缆线破坏 ， 引起熊熊大 火， 同时由于供水管网的破坏而无法救火， 造成巨 大的损失。 2 市政管道结构地震破坏影响因素分析 以球墨铸铁管和聚乙烯 P E管为主的柔性管 道接 口， 可以更有效抵抗外界运动 ， 产生 自适应变 形 ， 有利于吸收介质 中的冲击波能量 ， 因此其耐震 性较好 ， 破坏较轻 ， 经受住 了考验。在管线中 ， 接 口 部分是较薄弱的部位 ，良好 的连接方 式可 以更好 抵御地震 的冲击 ，减轻管身结构的振动 变形和次 应力 ， 从而减轻损失和破坏。 汶川特大地震 中，江油和绵 竹都 出现 了土地 液化的现象， 使管道埋设基础产生松动和不稳 ， 发 生更大的位移或不均匀沉降，导致大量的管道破 坏。较深的埋深可适当避免地基液化 的影响 ， 且 能 和土体产生更好的相互作用，还可减少建筑物倒 塌产生 的影响 ， 从 而减轻震害 ， 这从地震实例得到 了证实。 沿地震波传播方向布置管线 ，即让震波沿管 道传播 ，使管道的自身变形更多地吸收地震波能 量 ， 也可减轻管线 的震害。 管材也是管线抗震的关键因素，在同等条件 下 ， 柔性管道的抗震能力更强些 。国内外的震害情 况均表 明 ， 球墨铸铁管 、 聚 乙烯 P E管和钢管 的抗 震能力更强。同时 ， 做好管道抗震能力的设计更是 管道结构抵御地震灾害的关键因素。 3 市政给排水管道结构抗震能力的要点问题 地震 作用 对 生命 线工 程 的破 坏是 触 目惊 心 的， 影 响严重而深远 ， 波及面大 ， 震害 目观深刻 、 终 身难忘。因此， 提高埋地市政管道的抗震能力， 减 轻地震对埋地管道的破坏作用 ，对从事给水排水 结构设计的人员来讲就显得特别重要 。市政工程 建( 构 ) 筑物抗震设计有一套完整的计算理论， 规 范相对成熟， 被广大设计人员所掌握， 而埋地管道 至今没有适用于抗震设计的计算方法 ，只能采取 概念性 的抗震措施 ，这是 目前管道结构设计急需 解决的问题。下面就管道抗震能力设计和评估中 的一些要点技术问题给予阐述。 3 1 埋地管线最大地震反应 世界各国计算埋地管道的地震反应计算公式 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 3 月第 3 期 城 市道桥 与防洪 防洪排水 1 1 3 均根据波动理论推导而得 ， 地震反应计算应考虑土 与管道 的相对变形影响 ， 但算法不尽相 同。我 国现 行 室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范 ( G B 5 0 0 3 2 2 0 0 3 ) 在计算埋地管道地震应力时考虑 了土壤 与管道 的相对变形 ，给出的埋地管道 的地 震 反应公式 为 ： 管道 位移 n 口 = ， 其 中 ， 为管道 轴向位移， 为土体轴向位移， 位移传递系数为： 1 式 中 ， L为设计地震波的波长 ，为设计 地震 波 的振 幅。当地震行 波入射 管线 的角度 4= 4 5 。时 ， 埋地管道 的截面应变取最大值 s 一= - 竹7 - u 。 但埋 地管道地震反应取得最大值的地震行波入射角度 是否是 4 5 。值得商榷 ，其与埋地管道的具体特性 ( 如材质、 截面等) 、 地震动参数是否有关也值得探 讨 。最新研究表明， 埋地管道地震反应取得最大值 的地震行波入射角度与埋地管道的具体特性 ( 如 材质 、 截面等 ) 、 地震动参数有关 ， 使得埋地管线地 震反应最大地震波入射角 = c o c t a n 、 丽， 其值 大于 4 5 。， 此时有 ： 8 一 丁 与此相 比， 规范公式计算结果略偏于不安全 。 3 2 埋地管线 的不利地段 ( 1 ) 活动断层 地震发 生时 ，活动断层处地面会产 生激烈运 动 ， 可能造成 三种后 果 ， 即断层水 平分离 、 上下错 动及前后错动 。 ( 2 ) 软弱土层地基 国内外震害调查均表明 ， 软弱土层地基 中的埋 地 管道较硬 质土层 中 的埋地管 道震 害更严 重 ， 土 质越软弱埋地管道地震破坏越严 重。建在岩石地 基中的管道很少破坏 ，建在粗颗粒土壤中的管道 破坏一般 ， 建在细颗粒土壤( 如粘土、 淤泥等) 中的 管道破坏十分常见。就宏观上看， 埋地管道的破坏 率基本上随地震烈度的增高而增大，但场地条件 对这一般规律有显著 的影响。 ( 3 ) 液化土地基 饱 和的粉细砂或粉土在足够强 的地震 波作用 下 ， 孔隙水来 不及排 出 ， 孔隙水压力 迅速 升高 ， 有 效应力减少， 土的抗剪强度下降， 致使砂土呈液体 状态而丧失承载能力 。在强震 区砂 土液化 的结果 往往伴随着大面积冒水喷砂 、 地面沉陷。震害调查 表 明， 液化土地基是埋地管道震害高发 区域。 ( 4) 不同土质交界过渡段 埋地管道穿过不同工程特性土层的交界处时 ， 由于软硬土层对地震 的反应特性不 同 ，对管道 的 震 害产生很大影响。震害表 明， 当埋地管道位于从 一 种 类型 土壤 过渡 到 另一 种类 型 土壤 的过 渡 区 时， 其震害是非常严重的， 破坏程度最高 ， 尤其当 软硬土层相差越悬殊 时越甚 ，特别是 当过渡 区出 现骤然变陡时更是如此 。 ( 5 ) 山坡坡地 地震地质灾害调查显示 ， 处于高山、 深谷、 非岩 质 的陡坡 等 山区 ， 地 震时极易造 成滑坡 、 山崩 、 泥 石流等地质灾害。 ( 6 ) 河 堤及沟坑洼地周边地带 在河流两岸 、 沟坑洼地周边 ， 地震波产生反射 、 折射致使地面产生激烈运动且复杂 ，加之这种地 段一侧为临空面容易产生临空面滑移 。处于这种 地段 的埋地管道必然产生管道破坏 ，且各种型式 的破坏都有可能发生 。 因此 ， 应该建立对既有建设在不利地段管线 的 检测 、 管理的信息系统 ， 加强修复和维护 。对新设 计的管线， 要避开不利的地质地段 ， 防患于未然。 3 3 管径与震害的关系 总体来 看 ， 小管径 的破 坏率高 ， 大管径 的破坏 率低 ， 但也会有所不同， 如日本 1 9 9 5 年阪神一淡路 地震震害调查结果 ，与我 国唐 山调查资料正好相 反。管道震害与管径的关系还未找到科学的比较 关 系。有学者认 为 ， 管道 的刚度可在一定程度上抑 制周围土体的变形 ， 因此， 就一般趋势而言 ， 大 口 径管道震 害率应 当低 于小 口径管道震 害率 。 3 4 管道震害程度的划分 根据安 全系数和对应 的失效概率来划分地震 时埋地管道 的震 害程度是合理 的 ，可 以按 以下条 件来进行划分 ： 基本完好 e f o 2 8 ( F s 1 3 ) ( 注 ： e f为失效概 率 ， 为安全系数 ) 轻微破坏 0 2 8 F s 1 ) 中等破坏 0 5 F s 0 8 ) 严重破坏 P f 0 7 ( F s O 8 ) 3 5 新产 品开发和应用 近年 已成功开发 和大量生产抗 冲击 性聚氯 乙烯 ( P V C M) 管 道系统 ， 并 发布 了行业标 准 C J T 2 7 2 2 0 0 8 ，其抗冲击性能已经接近聚乙烯管道， 和 传统硬聚氯乙烯管比较大约高 5倍，在要求抗震 设 防烈 度 高 的地 区采 用 抗 冲击 性 聚 氯 乙烯 ( P V C M) 管道系统替代传统硬聚氯乙烯( P V C - U ) 管道系统显然是合理的。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 4 防洪排水 城 市道桥与 防洪 2 0 1 3 年 3 月第 3 期 3 6 相关标准和规范的编制 目前， 室外给水排水和燃气热力工程抗震设 计规范 ( G B 5 0 0 3 2 2 0 0 3 ) 正在修编， 其中关于市 政管道结构的抗震部分是重要的修编补充内容， 其 中要着重研究相关系数的选择确定方法 ，对于 整体连接的管道应考虑补充有关节点抗震计算以 及管道穿越断裂底层的计算； 此外对大直径管道， 应增加横 向抗震设计 内容 ， 还应对地下 “ 共 同沟” 的抗震设 计 内容及 直埋 热力 管道 的抗震 进行 补 充 。另外 ， 是否可以考虑根据供水管道 的重要程度 进行适 当的抗震分级 ，以及分级与地震动参数的 对应等 。修 编后的规范对埋地 给排水管道结构的 抗震设计会有所改进。另外 ， 还亟待编制测试和评 价各种材质管道 的抗震性能的标准。 3 7 管道抗震与材质、 连接型式 对于管道材质来讲 ，弹塑性材料 的管道破坏 率低 ， 脆性材料的管道破坏率高 ， 其排序大致为 ： 钢管 、 球 墨铸铁 管 、 预应 力钢筋混凝 土管 、 塑料 管 ( 如 P V C管 ) 、 混凝土管 、 自应力混凝土管 、 石棉水 泥管 、 陶土管 等 ， 各种材质 的管道质量及 老化也将 直接影响其震害。就管道连接型式 ， 连续式管道抗 震性能优于非连续式管道 的抗震性能 。对于非连 续式管道 ，承插式 的柔性接 口管道抗震性能优于 刚性平接 口的抗震性能 。塑料管尤其是近些年来 发展起来的高强度管 ， 较少经地震考验 ， 其抗震性 能尚需进一步的验证。据此， 管道的连接宜优先采 用连续式管道， 钢管采用焊接， 承插式管道优先采 用橡胶圈柔性接 口，以适应地震作用下 的轴 向变 形 。抗震设防烈度不小于 8度区不应采用刚性接 口， 7度区不宜采用刚性接 口，确要采用时应采取 工程措施 。 3 8 埋地管道接口位移 管体接口位移只与地震振动幅值有关，且随 其增大而线性增大，而与土体在振动过程中的非 线性变化发展没有明显的关联性 。 4 结语 综 上所述 ，我 国城镇市政给排水管道工程建 设 13 新 月异 ， 飞速发展 ， 管道工程建设里程数还在 不断增长 ，埋在我们脚下 的既有管线 的抗震能力 影响着其使用安全 ， 乃至城镇 生命线 的安全 ， 加强 对城镇既有市政给排水管线在各次地震 中表现 的 研析 ， 对其抗震性 能进行后续 分析 ， 更合理地对管 道结 构进行抗震设计 ，以及设计方法 的改进研究 等是我们面临的重要的课题， 亟待开展相关工作。 希望本文提 出的管道结构抗震设计的一些关键 问 题能起到抛砖引玉的作用 ，相关课题会尽快开展 更深 入的研究 ， 并得 到可利用的成果 ， 推动相关规 范的编制。 参考文献 【 1 】 李乔， 赵世春 汶川大地震工程震害分析【 M 成都： 西南交通大学 出版社 ， 2 0 0 8 2 郑小明 我国城镇 给水管道 现状和非开 挖技术应用 z 武汉 ： 第 一 届非 开挖管道工程 技术交流会 ， 2 0 1 0 【 3 J3 王汝棵 地下管线 的震害 、 抗 震验算 、 设计与措 施【 M 北 京： 地 震 出版社， 2 0 0 7 【 4 翟贺， 李鹏程， 李永录， 等 地震行波作用下的埋地管线最大地震 反应探讨 特种结构， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 2 4 5 郭天木， 王水华， 李健 埋地给排水管道的震害与抗震设计 川 特 种 结构， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 2 5 【 6 沈世杰 城市轻轨地下隧道结构抗震分析探讨 特种结构， 2 0 0 3 ( 3 ) ：2 0 7 张玉川 塑料管的抗地震性能 M 特种结构， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 2 6 【 8 8 北京市市 政工程设计研 究总 院 地震灾 害对城市地下 管线等 市 政 基础设施 的影响调 查分析【 R 北京 ： 北 京市市 政工程设 计研 究 总院 ， 2 0 0 9 旧金山海湾大桥将成为全球最大动态光建筑 美 国旧金山海湾大桥( S a n F r a n c i s c o B a y B r i d g e ) 建成至今 已经有 7 5年 ， 这座桥仍是 旧金 山地平线上 的重要标志。现此桥将成为全球最大的动态光建筑， 此工程名为 T h e B a y L ig h t s ， 设计师 L e o V il l a r e a l 。 整个动态光工程跨度 2 8 k m， 高度 1 5 2 m， 这个项 目将运行两年时间， 桥上会装 2 5 0 0 0 盏 白色 L E D 灯， 每盏灯都可由程序控制， 进而组合为各种各样复杂的表演效果。 这些灯光从旧金山延伸到更北的区域 都能看得到， 而且在设计方案上力求节能， 据说每天所需的电费仅 3 0 美元( 约合人民币 1 8 8 元) 。 工程的启动可以追溯到 2 0 1 2 年的9月份 ，在施工过程中需要那些经受过特别训练的装配员才能在 如此高度下将这座桥 3 0 0 根铁锁一一装满 L E D灯。 艺术家 L e o V il l a r e a l 使用 自己的软件对每个 L E D灯进 行控制， 产生各种各样奇妙的动态效果。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m