城市供水管网抗震可靠性研究及应用

姬永红

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引言

城市供水管网系统是指保证城市用水的各类构筑物和供水管网所组成的系统。供水管网系统是城市生命线工程的重要组成部分。随着城市现代化建设的迅速发展，供水管网发挥着日益重要的作用。当地震发生后，除了城市中数量庞大的人群的饮水外，医疗和消防用水量等都将剧增。供水管网系统除了面临着如何在地震中保全自身外，还面临着如何保证城市中这些非常之需。然而，国内外的震害调查表明，在地震作用下，如所有的生命线系统一样，供水管网系统自身也是很脆弱的，在强烈地震中易于遭受破坏,导致整个城市的功能严重丧失甚至处于瘫痪状态。供水管网系统是生命线工程系统的重要组成部分,其对城市功能的作用是不言而喻的。

1 供水管网地震破坏分析

1.1 供水管网的特点及抗震特性

供水管网系统作为生命线系统的一类，具有的特点主要表现在：（1）分布广。生命线一般都分布在一个很大的地理范围内。（2）生命线工程网络系统具有很大的复杂性。（3）生命线工程结构的破坏具有强烈的相关性。

根据国内外震害调查分析，地下管线的破坏有如下的规律：

（1）震烈度越大，管线震害越严重；

（2）震害以石棉水泥管、塑料管、铸铁管、延性铸铁管和钢管的顺序逐渐减轻；

（3）柔性接口的管线震害轻于刚性接口；

（4）管径越细、埋深越深则震害越严重。

大量的地震震害经验表明：地震对地下管线的破坏作用主要源于地表变形和地面运动。前者主要包括断层错动、土壤液化、河岸滑坡、地表塌陷等。在发生地表变形处，地下管线的震害率明显升高。后者主要指地震波的传播效应，行进中的波可导致管线发生过量的变形而破坏，震害调查表明这种破坏是地下管线的破坏的主要原因。另外，实际地震观测表明：对于相同的加速度量级，面波引起的管线应变大于体波应变。一般说来，对于断层错动、河岸滑坡、地表塌陷等造成的管线破坏，由于属于难以抗拒因素，因此，多采用避开这类地段铺设管线的措施或专门研究特殊的抗震措施。而对于地震波传播效应导致的地下管线破坏，则是抗震研究的主要对象。

1.2 供水管网抗震标准等级

从供水管网系统各元件在完成城市与企业供水功能的重要性来看,可以把供水管网系统的元件分为三类:第一类为供水系统的关键部位,比如地面水的取水构筑物、取用地下水的水源井、送水泵房，以及相应的配电室等；第二类为供水系统的主干管线和相应的接头、闸阀等；第三类为供水系统的支线管道等。从完成供水系统的功能来看,这三类供水系统的元件中第一、第二类是较为重要的,第三类为一般的。因此,对于同一城市而言,这三类供水系统元件的抗震设防标准应该有所差别。

（1）供水系统第一类建(构)筑物的抗震设防标准：供水系统的第一类建（构）筑物是供水系统的关键部位,一旦发生严重破坏将导致整个供水系统的中断。根据上述分析结果,对于这类建(构)筑物,建议在地震作用效应项上乘以1.5倍的重要性系数,其地震作用取值相当于100 a一遇的地震,并提高一度采取构造措施;对于水厂中的水泵房、水塔和变电站等小型而又重要的建(构)筑物,可采取抗震性能好的结构体系,并提高一度采取抗震构造措施。

（2）供水系统干线管道、接头等工程设施的抗震设防标准:在城市供水管线中的干线管道主要是指从水源地至水厂和城市供水的主要线路。干线管道不仅对城市的供水起着关键作用,而且消防用水阀门也多设置在主干线上。因此,对于供水系统的干线管道和接头的抗震设防标准应高于支线管道,也就是说,在预估的罕遇地震作用下,供水系统的主干线不应丧失功能,管道和接头的破坏应处在轻微至中等破坏状态;而支线管道和接头的破坏可处于中等至严重破坏,甚至允许一些地段出现断水。

2 埋地管线地震震害分析

埋地管线的震害分析有两类方法。一类是理论分析法，即通过力学分析得到地震作用下埋地管线的应力或应变，并与管线的允许应力或应变比较，最终确定管线破坏与否或破坏状态。另一类是经验法，即直接用埋地管线的历史震害记录来估算待分析管线的震害。以下分别介绍这两类分析方法。

2.1 理论分析法

理论分析法包括多种计算方法:简化计算法、有限元分析法、多质点模型分析法、弹性地基梁法等。在大型供水管网的抗震分析中，简化计算法应用较为广泛。因此，这里仅对三种简化计算法作简单介绍。

2.1.1 基于共同变形理论的简化计算法

地震时，地基土的变形传给管道，使管道发生响应变形，由管段的变形可以得到管道的应力、应变。假定管线与周围地基土在地震中变形一致。依据共同变形理论计算埋地管线的地震反应是根据土在地震中的变形定义管道的相应变形，再由管道变形计算管道的应力、应变等。

2.1.2 正弦波动输入简化分析法

该方法为早期工程研究当中提出的一种简化算法，迄今还被一些抗震规范所沿用，其假设地震波动为正弦地震波，并估计埋地管道的应变与变形。

2.1.3 地震波输入的简化分析法

在地震波作用下，场地中不同的点将产生相对位移，这种位移通过土体传到埋设管道，将使管道产生轴向变形与弯曲变形。通常认为，对于直埋管线，与轴向拉压应力相比，弯曲应力较小，因此，可忽略其在地震反应分析中的影响。这一方法称为基于地震波输入的简化分析方法。

2.2 统计经验法

现阶段，通常采用的经验方法是美国生命线联合会(ALA)建议的埋地管线震害估算法。2001年，ALA根据更多的管线地震震害资料对1989年以前的埋地管线震害经验估算公式进行了修正，得到新的震害估算公式。该公式的关注对象由原来的小管径管线（管径小于300 mm）扩展到主干管线（管径大于300 mm）,考虑的管材及接头形式也进一步丰富，能够更为准确地反映出管线震害的总体破坏情况。

在管线的抗震分析中，直接估算法形式简单，考虑了影响管线震害率的主要因素:地震动参数、管材、管径、接头形式、场地土条件等。虽然，人们还可以列举出影响管线震害率的更多因素，如施工质量、铺设历史等，这些因素在经验公式中没有体现，但是与建立在理想环境下的理论分析法相比，经验估算法能从宏观上反映出管线的破坏率，具有重要的工程应用价值。

2.3 地下供水管线抗震可靠度分析

地下管线在地震作用下的变形主要取决于地震动峰值、场地平均剪切波速等基本参数。在实际工程中，这些参数的取值受多种复杂因素的影响，具有明显的随机性。因此，合理的分析应将这些参数取为随机变量，采用概率的方式分析管线破坏的可能性。

通过前述地下管线地震反应分析方法可以得到管线的最大接头变形量，假定管线接头变形服从正态分布，超越概率0.3%的分位值（假设最大变形值位于平均值加3倍标准差处）取为最大接口变形量，变异系数取为0.4，可以计算得到管线接头变形的均值和标准差。在已知管线接头界限变形的均值和标准差的基础上，就可以得到管线接头的抗震可靠度。利用管线接头的抗震可靠度可以计算管线的抗震可靠度，从而可以得到管线在地震作用下的破坏程度。

以管线在地震波作用下的接口损坏作为主要破坏模式。在已知管线地震作用效应及管线接口允许变形的基础上，管线抗震可靠性可以由常规的结构抗震可靠性分析方程给出。为此，设管线状态的功能函数为：

其中，R为管线接口渗漏位移极限；S为管道接口变形。当Z＜0，管道接口处于破坏状态，当Z＞0，管线接口处于不渗漏状态，当Z＝0，管线接口处于极限状态。

假定R与S均服从正态分布，则由概率论基本知识可知，Z亦服从正态分布，且其概率密度函数为：

式中，μ与σ为随机变量Z的期望值与标准差，且：

这里，μR与σR为R的均值与标准差，而μS与σS则为管道接口最大变形的均值与标准差。于是，管道破坏的概率为：

而管道不破坏的概率为：

上面计算出来的可靠性实际上是一个管道接口的抗震可靠性。在实际工程中，通常要求考虑一段包含多个管道接口的管线的抗震失效概率。这就必然涉及多个管线接口的失效相关性问题。

考虑到管线的施工工艺、施工人员、施工时间等要素，可以认为管线可以分为若干段，每段管线的管线接口破坏是与完全统计相关，而各段管线之间管线接口破坏则为统计独立，因此，当各管线接口可靠概率求出后，管线可靠概率可由下式给出：

式中：n——管线接口破坏统计相互独立的管线段数；

mi——每段管线接口破坏统计相互独立的管线中的管线接口数。

以管线可靠概率为评价指标，可以对管线破坏程度进行综合评价，分为基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏五个等级，其定义见表1所列。

3 工程应用

3.1 工程概况

某水源地供水项目是为了解决其所在地区中长期供水需求的重大工程项目，其输水系统整体方案流程如图1所示。

水源地水库出库采用2×DN5500重力流输水盾构至过江管中间工作井，通过2×DN5500过江管输送至总泵站。总泵站为陆域输水枢纽泵站，负责将水源地原水向两个方向输送：其一为YQ方向，采用双管管径为DN3600的钢管，供水规模为440万m3/d。其二为JH、CS、NH方向，采用双管管径为DN2800的钢管，供水规模为208万m3/d。

表1 管线破坏程度进行综合评价表

图1 输水系统整体方案流程图

该地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10 g。管道附属构筑物（永久性工作井、接收井）属于抗震乙类建筑，按8度采取抗震措施。根据勘察资料表明，该工程沿线整个不存在液化土层，场地为不液化场地，设计可不考虑场地地震液化影响，据该地区工程经验，沿线厂区浅部软土层等效剪切波速大于90 m/s，可不考虑软土震陷影响。顶管段中心标高-4.40，-6.50，大部分位于③淤泥质粉质粘土、④淤泥质粘土，为不液化土层。

该工程管线采用钢管，管线连接接头为焊接或与管道井接头连接，管线总长度156 km，管材为钢材，管径为DN1200～DN5500不等。

3.2 管线抗震可靠性分析

由于该工程场地经过严格的地质勘查，在管线设计时可以尽量使管线避免场地断层或液化区域，而且，这里管线采用的钢管具有较好的抵抗场地土变形及液化的能力，因此，在对管线进行抗震可靠度分析时，主要考虑地震剪切波的波动作用对管线反应的影响。

采用前面所述地震波输入的简化分析方法对每根管线进行地震反应分析，再对其进行抗震可靠度进行分析。分析结果表明，在8度地震作用下，保持完好无损的管线有37.01 km，占总管线的23.7%，发生轻微破坏的管线有47.09 km,占总管线的30.1%，发生中等破坏的管线有72.15 km,占总管线的46.2%，各管线可能的破坏情况如表1所列。

表1 8度地震下供水管线可能破坏情况一览表

由上述分析可知，从宏观角度讲，在8度地震作用下，可能会有大部分的管线发生不同程度的破坏。对于轻微程度的破坏对管线功能影响较小，只需做适当的检修即可使用；对于中等破坏的管线，可能会对管线的供水功能造成一定的影响，需对其进行适当的处理方可安全使用。

3.3 提高管线抗震可靠性的基本策略

本文研究管线可靠度偏低的原因有：

（1）该案例分析时提高了抗震设防等级。由于工程的重要性，为了安全起见，在进行分析时，对相应的抗震设防等级提高了1度，这会使管线破坏增大可能性，因此，该分析偏于保守。

（2）管段与管段之间、管段与关断井之间的连接采用柔性连接。管线的薄弱环节是管段接头及管段与其他设备连接处，由于这里的管段接头采用焊接，其破坏可能性较小；而管段与管道井的连接采用了柔性连接，并在分析时进行了弱化处理，从而降低了管线的抗震可靠性。

若采用ALA提供的管线震害经验估计公式，可以估算得到整个管线可能的震害率为RR=0.018处/km,而总管线的破坏数为3处。

这里需要说明一点的是，尽管利用统计经验法计算的管段破坏数与理论计算结果相比看似偏低，但是由于经验估计法本身及管线属性的特点，事实上很难得到上面的结论。这是因为，一方面，经验估计法是从总体上对管线震害情况进行的估计，因此，它所反映出的信息是总的破坏情况，并不能给出具体的破坏地点，对工程应用缺乏指导价值；另一方面，对于较长的输水管线而言，一点处的破坏将可能会是整根管线失去功能性，因此，宏观上管线破坏数较少并不能说明管线破坏的后果不严重。

因此，结合理论分析与经验统计两种方法将会更好地评估管线在未来地震发生时破坏情况。利用经验统计法从宏观上评估管线系统整体的破坏率，以此来反映在一定场地上选择合适的管材、管线接头等对管线整体可靠性的影响。而对于具体每段管线抗震可靠性的评价，则需要具有理论依据的地震波波动分析法进行分析。

根据现有的分析结果，可针对可能发生不同程度破坏的管线进行分别处理：

（1）从防震角度来考虑，城市供水管网最好采用多水源的环状管网。

（2）管材应尽量选用铸铁管、预应力管及镀锌焊接钢管。施工时加强对埋管场地的处理，增加场地土的刚度，控制场地土的变形，从而减小管线的变形。

（3）加强对管道破坏的检查与监测，及时了解管线的变形动向，及早进行处理。

（4）对于长管道，适当设置柔性接头，通过柔性接头的吸能能力可以减小管道管体应变及其他接头的位移。柔性接口是提高抗震性能的有效措施，它可以减少地震波引起管道沿轴向波动变形的影响。

4 结论与建议

本文主要是对供水工程的管线进行管线地震反应分析、抗震可靠度研究及改造加固对策。主要结论与建议有：

（1）输水管线进行了抗震可靠度评估，研究表明，在8度地震作用下，大约有将近一半的管线会发生中等程度的破坏，这些可能破坏的管线主要集中在过江管线、YQ支线、NH支线等处，这些管线都是潜在的比较危险的线路。

（2）用经验统计法对地震作用下整个管线可能的破坏率进行了估算，虽然计算结果显示管线可能的破坏率非常低，但由于该工程为输水主管线，一处的破坏将会引起整根管线的功能丧失，因此，有必要进一步采取措施降低管线破坏的可能性。

（3）给出了供水管网加固改造具体的方法，这对于工程实际具有指导意义：

a.对于跨越管道要加强抗震处理的场地，当跨越管道场地地震动峰值加速度大于或等于0.05g时，应进行抗震设防。由于该工程为大型管道跨越工程，应按批准的地震安全性评价结果进行计算。管道跨越工程的结构体系应根据场地的地震动参数等级、场地类别、水文与工程地质条件、跨度、管径、材料和施工条件等因素，经技术经济综合比较确定。

b.选择合适的钢管及钢材。铺设管道使用钢管、附件的选用应根据场地地震动参数、跨度、管径、介质压力、使用要求等因素，经技术经济综合比较确定。采用的钢管和其他钢材，应具有良好的韧性和焊接性能。

c.加强施工处理，提高施工水平。该工程采用的管道为钢管，管道焊口应按相关标准进行射线检查及超声波检查。管道敷设时的应注意填实，在适当的位置设置截断阀，在管线变形较大处尽量采用柔性接头进行连接。

d.加强对管线运行状况监测和检测，及早发现管线薄弱环节，及时进行加固和维修。

[1]李杰，生命线工程抗震——基础理论与应用[M].北京：科学出版社，2005.

[2]候忠良.地下管线抗震[M].北京：学术书刊出版社,1990.

[3]ALA(American Lifeline Alliance),Seismic fragility for mulations for Water system,ASCE，2001.

[4]《给水排水工程结构设计手册》编委会，给水排水工程结构设计手册[M]，北京：中国建筑工业出版社，2007.

[5]美莫泽(Moser A.P.)著、北京市市政工程设计研究总院《地下管设计》翻译组译，地下管设计[M].北京：机械工业出版社，2003.

[6]艾晓秋.基于随机地震动模型的地下管线地震反应及抗震可靠度研究[D].上海：同济大学，2005.

[7]陈玲俐，城市供水系统抗震功能分析与优化[D].上海：同济大学，2002.

[8]牛燕利，基于GIS的城市供水管网动态震害预测[D].北京：北京工业大学，2004.

[9]李昕，供水系统地震可靠性分析[D].大连：大连理工大学，2000.

[10]张孝奎，城市供水管网系统震害分析[D].北京：北京工业大学，2004.

[11]王小菊，城市供水管网震害预测[D].昆明：昆明理工大学，2002.

[12]罗惠云，旧城给水管网改造探讨[J]，给水排水，1998，（12）：35-37.

[13]高小旺，李荷，王菁，肖伟，等.供水系统抗震设防标准的研究[J].建筑科学，1999,(4).

[14]李杰，刘威.大型城市管网抗震可靠性分析与优化[J].地震工程与工程振动，2006，（2）：172-175.