韧性城市视角下日本排水管网抗震设计体系与启示.pdf

第41卷第8 期2023年8 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)0 8-0 2 8 9-0 7市放技术Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.8Aug.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.08.289韧性城市视角下日本排水管网抗震设计体系与启示吴舒畅1,2*,王亮3,林彤晖12,林天扬4,周望开1,2,朱世俊5(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州31112 2；2.浙江省华东生态环境工程研究院，浙江杭州31112 2；3.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江杭州310 0 2 8；4.日本工程咨询公司，东京10 10 0 2 2；5.浙江工业大学土木工程学院，浙江杭州310 0 14)摘要：排水管网是生命线工程的重要组成部分，过去的地震灾害表明排水管网抗震能力非常薄弱，而地震时排水管网受损会造成极大的社会经济损失。日本作为地震多发国家，吸取了其东北地区太平洋近海地震的教训，改变了过去仅以防灾为手段的抗震方针，通过总结多年抗震实践经验，逐步形成了以抗震目标为导向，合理设定功能要求优先级，防灾为主、防灾减灾相结合的排水管网抗震设计体系，并总结出一系列因地制宜的抗震手段和强化措施。值得我国在排水管网抗震设计工作中学习借鉴。关键词：排水管网；韧性城市；地震；抗震设计；日本中图分类号：TU992.02Seismic Design System and Enlightenment of Drainage Pipe Network inWu Shuchangl.2*,Wang Liang,Lin Tonghui-2,Lin Tianyang,Zhou Wangkai-2,Zhu Shijun(1.Huadong Engineering Corporation Limited,Hangzhou 311122,China;2.Zhejiang Huadong Eco-Environmental EngineeringInstitute,Hangzhou 311122,China;3.The Architectural Design and Research Institute of Zhejiang University Co.,Ltd,Abstract:The drainage pipe network are important parts of lifeline engineering.According to the past earthquakedisasters,the seismic capacity of drainage pipe network is so weak that the drainage pipe network damage caused byearthquake will cause great social and economic losses.As an earthquake-prone country,Japan has learned from thelessons of the Pacific offshore earthquake in the Northeast region,changed the seismic policy of disaster preventiononly in the past.By summarizing years of practical experience,a seismic design system of drainage pipe network hasbeen gradually formed which guided by seismic targets,reasonable set function by priority,disaster prevention firstand combined disaster prevention with control.A series of seismic measures and strengthening measures by localconditions are summarized.It is worth learning from the seismic design of drainage pipe network in our country.Key words:drainage pipe network;resilient city;earthquake;sesmic design;Japan文献标志码：AJapan from the Perspective of Resilient CityHangzhou 310028,China;4.Nippon Engineering Consultants Co.,Ltd,Tokyo 1010022,Japan;5.College of Civil Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)收稿日期：2 0 2 3-0 4-14基金项目：浙江省自然科学基金探索项目（LQ23E080020）；EO D 背景下的交易结构设计与生态价值实现的路径研究（KY2022-HS-02-02）；污染控制与资源化研究国家重点试验室开放课题资助（PCRRF21027)作者简介：吴舒畅，女，工程师，硕士，主要从事城市供排水系统优化设计及城市水环境综合治理研究工作。引文格式：吴舒畅，王亮，林彤晖，等.韧性城市视角下日本排水管网抗震设计体系与启示.市政技术，2 0 2 3，41（8）：2 8 9-2 95.（WUSC，WANG L,LIN T H,et al.Seismic design system and enlightenment of drainage pipe network in Japan from the perspective of resilientcity.Journal of municipal technology,2023,41(8):289-295.)290现代城市由于人口密集、城市功能高度集约复杂，导致其对外部冲击的敏感度越来越高，潜在影响和造成的灾难性后果也愈发显著，其中尤以地震灾害最为严重1-3。2 0 0 8 年512汶川地震导致建筑物大面积跨塌、市政基础设施大范围瘫痪，给人民的生命财产造成了极大损失4。2 0 11年东京大地震给日本带来了巨大灾害，归宅困难、灾后供水排水困难等问题突出5。为缓解城市危机、提升城市防灾减灾能力，国内外均提出“韧性城市”的相关概念和理论方法6：英国于2 0 11年提出了管理风险与增强韧性；美国于2 0 13年发布了一个更强大、更有韧性的纽约城市更新计划；日本作为灾害频发国家，于2014年发布了国土强韧化基本规划7;我国也将“韧性城市”写入了“十四五”规划8，并提出要以提高城市韧性为宗旨，实施城市公共基础设施安全加固工程，提高地震等自然灾害防御工程标准。排水管网是生命线工程的重要组成部分，过去的地震灾害表明排水管网抗震能力非常薄弱9。汶川地震后，都江堰市对城区污水管道进行了CCTV内窥检测，发现地震对都江堰市的污水管网造成了毁灭性破坏，检测管道长度约2 6.5km，震损率为16.06处/km,城市污水系统近乎瘫痪10。目前我国的排水管网抗震设计主要依据为GB50032一2 0 0 3室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范1,该规范虽详尽地给出了管道地震反应的计算方法，但仅局限于简单的直管段节点，并未给出系统性的排水管网整体抗震设计思路，且未给出具体的管道和检查井施工工法以及现状和新建排水设施针对性抗震目标1）确保人民生命安全2）保障地区公共卫生3）控制暴雨内涝风险4）生活污水正常排放5）灾后应急救援支持6）公共水域水质保障Fig.1 Seismic countermeasures of drainage pipe network in Japan1.2排水管网抗震功能要求为满足抗震目标，根据地域和排水设施特性合理制定功能要求优先级，并合理结合防灾减灾手段。其中，排水管网的安全卫生功能和避难逃生功能主要是指在地震发生时，通过确保排水设施内的安全Journal of Municipal Technology手段功能要求防灾1）安全卫生功能2）避难逃生功能3）公共交通功能4）正常排水功能图1日本排水管网抗震对策图路线以及构筑物加固等措施以保障人民生命安全。而公共交通功能和正常排水功能主要是指在地震发生时，通过抑制检查井井盖上浮以及减少因管道受灾破损导致的道路塌陷，维持正常排水功能的同时，不阻碍灾后救援应急车辆的正常通行。第41卷的抗震对策。从“韧性城市”视角来看，仅依据该规范不足以支持当面临地震时排水管网能够保障居民基本生活需求并迅速恢复其功能。日本在经历了诸多地震灾害后，不断总结修正其排水管网抗震理念，形成了以“韧性城市”为基底,防灾为主、防灾减灾相结合的系统化排水管网抗震设计体系。如今无论是设施水平、管理水平、技术水平，抑或是公众满意度，日本均处于世界领先地位。为全面深入了解日本排水管网抗震设计体系，总结借鉴其先进理念，分析汲取其教训和不足。笔者从总体抗震对策、排水设施的重要程度和优先级、新建和现状排水管网抗震设计以及排水设施抗震具体措施的比选等诸多方面进行详尽阐述，以期为我国排水管网抗震工作做好顶层设计、融入科学先进的抗震理念、规避潜在风险提供有益参考。1日本排水管网抗震对策1.1排水管网抗震总体思路对于地震多发地区，要保证城市排水设施在地震时仍能正常运行，不仅要求对所有的排水设施进行抗震耐震评估，而且须进行统一的高抗震性改造及新建，这显然在经济、技术条件上都极为困难。因此，日本吸取了其东北地区太平洋近海地震的教训，改变了过去仅以防灾为手段的抗震方针，并通过总结多年抗震实践经验，逐步形成了以抗震目标为导向，合理设定功能要求优先级，防灾为主、防灾减灾相结合的排水管网抗震对策，如图1所示。临时使用性能减灾灾后可修复性能性能要求耐震性能第8 期2#排水管网抗震设计假定条件2.1用于抗震设计的设计地震如表1所示，设计地震是指在排水管网及构筑物抗震设计中假定的两类地震。表1抗震设计中的设计地震Tab.1 Designed earthquakes in seismic design设计地震类别一类地震12次的地震在排水设施使用期间（日本为50 年）几乎不二类地震发生的地震，但地震强度很大特别重要排水管线一4）受灾时可能对应急交通要道造成阻碍的排水管道5）重要片区排水主干管6）防灾据点、避难所或者地区防灾规划上规定的排水下游管道L7）其他污水系统中的重要管道重要排水管线一吴舒畅等：韧性城市视角下日本排水管网抗震设计体系与启示设计地震内容在排水设施使用期间（日本为50 年）仅发生2912.2排水设施的重要程度和优先级在抗震设计中，根据排水设施的重要程度、功能要求的优先程度、风险对应等级，设定抗震对策的优先顺序，有计划地稳步实施。抗震设计中重点关注排水系统中的重要排水管线，其又分为特别重要排水管线和其他重要排水管线，如图2 所示。2.3地震时排水设施受损情况为合理制定排水设施抗震对策，有必要在掌握地震时受灾情况的基础上，预先设想地震时排水设施的受损情况，一般包括排水管道受损情况和排水检查井受损情况等，如图3所示。1）污水处理厂连接干管2）跨越河道、轨道交通的排水管道以及易腐蚀条件下的排水管道3）因地震可能引发二次灾害的排水管道以及修复难度极大的排水干管1）与泵站相连的排水管线一其他重要排水管线一L2）避难场所的排水管线图2 抗震设计重要排水管线分类图Fig.2 Classification of important drainage pipe lines in seismic design排水检查井上浮井体周边地基下沉震后地烟体液化也会造成排水管道管节接口碰撞以及与其他地下构筑物碰撞导致损坏。自然地面土体下沉THHI土体管涌地下水位土体管涌地下水位回填土体积压缩一图3地震时排水设施受损情况Fig.3 Damage to drainage facilities during the earthquake1)排水管道受损情况如图4所示，由于地震导致土体液化，排水管道基础下沉，随着管节移位脱落，地下水和泥沙涌入排水管道。可以设想，大量泥沙涌人排水管道，会造成管内泥沙淤堵，从而限制排水管网的正常使用。土自然土体体积压缩孔隙水压增大排水管道上浮地震导致回填土剧烈液化管节移位脱落图4地震时排水管道受损情况Fig.4 Damage to the drainage pipes during the earthquake2)排水检查井受损情况如图5所示，由于地震导致土体液化，从而发生土体管涌,继而引发排水检查井下沉或者上浮。此外，土体液化时，由于检查井井盖部分被沥青道路束缚，泥沙涌人管节扭曲塌陷滞水管道破损市放技术292Journal of Municipal Technology检查井底部受排水管道束缚，因此这两部分不易发生偏移。而检查井中部相对自由，在地震影响下极易发生井筒偏移。日本之前地震时大量排水检查井井筒移位严重导致排水系统瘫痪。而在198 0 年之后由于井筒之间采用特殊连接构造以及通过施加黏合剂防止检查井井筒移位，因此此类情况大大减少。检查井上浮、下沉或者移位以及排水管道破损都会导致泥沙涌入排水检查井，造成其内部淤堵，进而影响排水系统的正常运行。井体破损泥沙涌入图5地震时排水检查井受损情况Fig.5 Damage to the drainage manholes during the earthquake因此排水管道和排水检查井受损是导致地震时排水设施瘫痪的重要原因，也是抗震设计应关注的重点。排水设施重要度分类特别重要排水管线现状排水管线其他重要排水管线普通排水管线Fig.7 Seismic countermeasure map of current drainage pipelines第41卷3#排水设施抗震设计3.1新建排水管网抗震设计为减轻地震灾害对排水设施的侵害以及助力地震灾后救援重建，事先对新建排水管道、排水检查井等构造物采取适当的防灾对策是经济有效、技术可行的措施之一。如图6 所示，在对新建排水设施采取抗震对策时须充分考虑设施的重要程度、现场条件、维护管理等因素，合理制定安全且经济性突出的具体对策。排水设施重要度分类特别重要排水管线抗震性能+强化措施强化措施主要是指必要时采用如下抗震手段：设具备一类、二类地震1置可活动的连接新建排水管线其他重要排水管线抗震性能+强化措施检查井上浮对策具备一类地震抗震性普通排水管线能+强化措施图6 新建排水管线抗震对策图井体偏移井体上浮耐震评估简易评估或详细评估图7 现状排水管线抗震对策图抗震对策具备一类、二类地震管、抑制回填土液化对策、抑制等。Fig.6 Seismic countermeasure map of new drainage pipelines3.2现状排水管网抗震设计不同于新建排水管线抗震对策，对于现状排水管线的抗震设计须根据优先等级，合理分阶段进行。如图7 所示，现有排水设施原则上以所有设施为对象实施简易诊断，评估其耐震性能，同时根据排水设施的重要程度，预估其受损形态和程度，进行受灾工况下的风险分析,并以此为基础确定抗震对策的优先顺序。抗震对策不满足具备一类、二类地震抗震性能（通过管道再生技术、管道置换技术等）+强化措施满足采取强化措施不满足具备一类、二类地震抗震性能（通过管道再生技术、管道置换技术等）+强化措施满足采取强化措施不满足具备一类地震抗震性能（通过管道再生技术、管道置换技术等）+强化措施满足采取强化措施1）强化措施主要是指必要时采用如下抗震手段：设置可活动的连接管、抑制回填土液化对策、抑制检查井上浮对策、抑制检查井井筒移位对策等；2）简易评估是指根据现有资料（受灾历史资料及土质资料）的简单耐震评价；3）详细评估是指根据一类、二类地震进行详细耐震计算所得的耐震评价。第8 期对现有排水设施进行耐震评估是现状排水管线抗震设计的重要一环。简易耐震评估是定性评价现有排水设施的耐震性能，并以此为基础确定需要紧急采取的抗震对策。但值得注意的是,在简易耐震评估中被认定为具有耐震性能的设施，其在详细耐震评估中有可能出现不满足耐震要求的情况。详细耐震评估一般是在简易耐震评估的基础上进行定量评估，并据此追加详细地质勘察以及设施老化度调查。3.3排水设施抗震措施的比选一般地，排水管道的抗震措施主要有：检查井与管道连接处设置活动接头、抑制回填土液化对策、排水管道再生技术以及排水管道置换技术等；排水检查井的抗震措施主要有：检查井上浮抑制措施、检查井井筒移位抑制措施以及检查井翻新修复工艺等。1)排水管道再生技术如图8 所示，日本根据再生管类型将排水管道再生技术分为3类：自立管：不考虑旧管的强度，内衬管自身可以承受外部荷载，内衬管具有与新建管道相同的耐荷载能力；Tab.2 Comparison of seismic improvement technology of manhole pipe connection工艺类型在井内切割既有管道后，在井壁设置普通耐震改造工艺由弹性润滑环氧树脂和耐震橡胶圈等组成的耐震接头现状管道耐震改良切割管井连接短管，换之以橡胶和钢工艺制套筒组成的耐震连接管现状检查井耐震改切除管外周井壁，管井间隙采用聚氨良工艺酯类弹性密封材料填实将现状管道与检查井连接处接头更不锈钢圈耐震改良替为由具有密封性、柔性及耐震性能的工艺不锈钢和橡胶组成的耐震接头3）检查井上浮抑制措施如表3所示，在抗震设计中，一般通过增加井重以及疏导孔隙水压力的方法抑制检查井上浮。4经验与启示1)基于韧性城市理念，制定符合排水管网特点的抗震目标。吴舒畅等：韧性城市视角下日本排水管网抗震设计体系与启示表2 井管连接处耐震改良工艺对比工艺概要适用管材钢筋混凝土管、陶土管钢筋混凝土管、陶土管钢筋混凝土管、陶土管钢筋混凝土管、钢管、球墨铸铁管、玻璃钢夹砂管地震会导致排水管网大面积破损和渗漏，不少学者通过建立数学模型及调研指出排水管网破损和渗漏还会造成不小的环境污染问题12。与我国基于建筑结构抗震的设防目标“小震不坏、中震可修、大震不倒”不同13,日本基于本土诸多地震灾害的惨痛教训,提出“强韧化国土”的概念,并将其分解为4个基本目标：最大限度保护人的生命；保障国293翻转法（CIPP)自立管牵引法（CIPP)复合管制管法排水管道再生技术翻转法（CIPP)二层结构管牵引法（CIPP)其他短管内衬法排水管道抗震措施大开挖法排水管道置换技术其他图8 排水管道抗震措施分类图Fig.8 Classification of seismic measures for drainage pipes复合管：旧管和内衬管形成一体后共同承受外部荷载，二者合体后具有与新建管道相同的耐荷载能力；二层结构管：旧管和内衬管以双层结构形式共同承受外部荷载，达到修复管道的目的。2)检查井与管道连接处设置活动接头如表2 所示，对井管连接处进行耐震改良设计在日本也是十分常见的抗震设计手法。工艺特性适用于DN200400的管道，耐震角度偏移5,耐震管轴位移10 0 mm，是目前相对最经济的工艺，符合二类地震抗震要求适用于DN150400的管道，耐震角度偏移1,耐震管轴位移40 mm，符合二类地震抗震要求适用于DN200700的管道，耐震角度偏移1,耐震管轴位移40 mm，符合二类地震抗震要求适用于DN2003000的管道，耐震角度偏移0.9 耐震管轴位移30 mm，符合二类地震抗震要求胀管置换法294工艺原理工艺类型环帽法凝土块，并在其上部用碎石回填以增加整体重量在检查井底部设置特殊底板，抑制因地基液化导致的井体上浮。开孔底板法通过特殊底板上的小孔释放液化土体气泡以及孔隙水压力增加井重将检查井底板外延，并在外延部分上装载土体来抑制井体上浮。底板外延法此外，外延底板的重量亦有利于抑制井体上浮通过在井内内衬配重块，使得增重后的检查井重量与液化地基内衬增重法上浮浮力相同当因地震产生超量孔隙水压时，利用井周设置的孔隙水压消散阀孔隙水压消将地下水引入检查井内，消散多余水压，减轻土体液化，抑制检查散阀法井上浮。孔隙水压消散阀还配置有过滤网，以免泥沙侵入检查井内集水管消散通过井周设置的集水管消散地震时检查井周围产生的过量孔隙疏导孔隙法水压力渗管引水平衡法引人检查井内，通过井内积水的重量与浮力平衡，抑制井体上浮通过桩机将金属杆件打入地下着力层，通过着力金属杆件形成物锚定抗浮法理束缚从而抑制井盖上浮家及社会重要功能不受致命损害并能继续运作；保证国民财产与公共设施受灾最小化；迅速恢复的能力2。而具体至排水管网的抗震设计，则以“韧性城市”为基底，提出了6 项符合排水特征的具体抗震目标：确保人民生命安全；保障地区公共卫生；控制暴雨内涝风险；生活污水正常排放；灾后应急救援支持；公共水域水质保障。2)合理设定功能要求优先级，制定防灾减灾相结合的抗震方针。基于“韧性城市”理念，日本提出排水管网抗震的4项功能要求：安全卫生功能；避难逃生功能；公共交通功能；正常排水功能。针对不同城市地区所需实现的功能优先级不同，抗震对策须依据功能优先级的排布进行因地制宜地调整。东京大地震后，日本应对地震灾害的对策发生了深刻转变,从之前一味防灾,逐渐形成防灾为主、防灾减灾相结合的抗震对策,既考虑了经济效益,也整体提高了排水管网的灾后韧性。3)根据排水设施的重要程度和优先级，采取不同的抗震手段和强化措施。根据排水设施的重要程度，将抗震设计中重点关注的排水设施分为特别重要排水管线、其他重要Journal of Municipal Technology表3检查井上浮抑制抗震工艺对比Tab.3 Comparison of anti-seismic technology of manhole floating suppression工艺概要在新建或现状检查井周围开挖，在检查井人孔井筒设置环状混水压，降低土体液化引起的与井周边摩擦力，从而抑制井体上浮利用地震时土体液化产生的过量孔隙水压力，将地下水通过渗管5结语日本的排水管网抗震设计体系为我们提供了一个可供借鉴的成功案例，为我国排水系统的抗震设计提供了有益的启示和帮助。笔者主要探讨了日本排水管网抗震设计体系，第41卷工艺特性新建和现状检查井均适用，通过增加重量抑制检查井上浮，不需要特殊材料与工艺，施工时不用断水，且开挖深度浅仅适用于新建检查井，通过增加重量抑制检查井上浮，施工时须停水仅适用于新建检查井，通过增加重量抑制检查井上浮，施工时须停水新建和现状检查井均适用，通过增加重量抑制检查井上浮，施工时无需停水，不需要开挖路面即可施工不用开挖路面即可在井内设置孔隙水压消散阀，虽然配置了过滤网，但孔隙水压消散阀亦有泥沙淤堵的风险新建和现状检查井均适用，不需要开挖路面即可设置集水管，但集水管有被泥沙淤堵的风险仅适用于新建检查井，在检查井底部设置排水孔，随着压力变化，疏导地下水，消除作用于检查井的浮力，渗管有淤堵风险可以低振动、低噪声施工，但施工费用较高排水管线和普通排水管线，并根据重要程度添加强化措施。其中强化措施主要是指必要时采用如下抗震手段：设置可活动的连接管、抑制回填土液化对策、抑制检查井上浮对策等。不同于新建排水管线，对于现状排水管线须进行简易耐震评估或者根据需求进行详细耐震评估，根据评估结果制定对应的抗震对策。4)采取可实施性强的排水设施抗震措施。日本从多年抗震历程中总结出一套成熟的排水管道和排水检查井的抗震措施。排水管道抗震措施主要有：检查井与管道连接处设置活动接头、抑制回填土液化对策、排水管道再生技术以及排水管道置换技术等。排水检查井的抗震措施主要有：基于增加井重及疏导孔隙水压力的检查井上浮抑制措施、检查井井筒移位抑制措施以及检查井翻新修复工艺等。第8 期并对其进行了分析和总结，以期为我国的排水管网抗震设计提供一些有益的经验。首先，日本的排水管网抗震设计体系注重灾害预防和减灾,具有较强的实用性和可操作性。其核心思想是“综合管理、分层设计、防灾减灾”，将排水系统分为不同层次，根据地震等级的不同采用不同的设计方案，实现了整个排水系统的抗震能力提升和减灾效果的最大化。其次，日本的排水管网抗震设计体系采用了先进的技术、设备以及施工工法，有效提高了排水系统的抗震性能。此外，还注重人员培训和技术交流，不断完善设计方案和技术手段，为排水系统的抗震设计提供了强有力的支持。最后，针对我国的实际情况，可以借鉴日本的排水管网抗震设计经验，结合我国地质地形和水文气象等特点，更加详细地制定适合我国的抗震设计方案和标准，比如提出更适合我国国情的抗震设计目标、将防灾和减灾举措并重，从而降低抗震措施成本，制定相应的排水管网抗震设计标准图集、震区出台适合当地的排水管网抗震设计手册等，以提高我国排水系统的抗震性能，保障人民生命财产安全。参考文献【1邵亦文，徐江.城市韧性：基于国际文献综述的概念解析J.国际城市规划，2 0 15,30(2）：48-54.（SHAOYW,XUJ.Under-standing urban resilience:a conceptual analysis based on inte-grated international literature reviewJ.Urban planning interna-tional,2015,30(2):48-54.)【2 吴浩田，翟国方.韧性城市规划理论与方法及其在我国的应用：以合肥市市政设施韧性提升规划为例J.上海城市规划，2016(1):19-25.(WU HT,QU G F.Resilient city planning theoryand method and its practice in China:a case study of the improve-ment planning of Hefei infrastructures resilienceJ.Shanghaiurban planning review,2016(1):19-25.)【3王永，刘遂庆，郑小明，等.供水管网地震损失分析与评估指标研究J.给水排水,2 0 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