寒区生命线工程的灾害特征与防灾减灾措施

汤爱平,赵安平,唐立军

(黑龙江大学 建筑工程学院,哈尔滨 150080)

1 简 介

随着全球人口增长和物资、能源的快速需求,一些原本没有被开发和利用的约占地球陆地面积50%的寒冷、极寒冷地区也开始进入人类生产、生活的活动范围,与之相配套的基础设施也得以建设。我国寒区面积约占全国总陆地面积的50%(冻结深度＞80 cm地区),其中一些寒区如黑龙江、吉林、辽宁、新疆、内蒙古和青海等地区为国家的重要粮食、能源和工业产品生产基地。随着我国西部大开发、振兴东北老工业基地大战略的开展,为这些地区的日常生活、生产等提供基本保障功能的生命线系统建设的规模迅猛扩大、广度不断加深。所谓的生命线系统是指维系社会功能与区域经济功能的基础性工程设施系统,承担着物资、能源、信息等输送功能,也称为基础设施系统,它主要包括电力系统、给排水、油气管网系统、交通系统、通讯系统、供热系统、医疗救护系统、治安维护系统等多个子系统。寒区开发力度的加大,一些配套的生命线系统建设以前所未有的速度发展起来,尤其一些具有重大历史意义的大型生命线工程也开始建设,如西气东输工程、青藏铁路工程、南水北调工程、高速公路铁路网建设等。由于寒区工程受季节因素影响巨大,所以一些非典型性灾害事件也影响了寒区生命线工程的建设与安全。本文主要根据21世纪以来全球寒区的生命线系统发生的典型灾害性事件,论述寒区电力系统、给排水、能源输运系统、交通系统、通讯系统、供热系统等的成灾特点,在此基础上提出了目前和未来寒区生命线系统灾害防治的关键科学问题和应对之策,为确保健康、可持续发展的寒区生命线系统建设提供有力保障。

2 寒区21世纪以来造成生命线系统严重破坏的自然灾害事件

生命线系统的最大破坏因素是自然灾害,其中地质灾害、气象灾害为其首要之恶。近年来,发生在全球寒区的对生命线系统造成巨大损害的典型灾害事件层出不穷。这里主要回顾了21世纪以来发生的典型事例。

1)2001年11月14日,中国昆仑山口8.1级地震,地震形成了462 km的地表破裂带,青藏铁路和公路均遭受不同程度的破坏：路基开裂、涵洞、路面翘起变形;兰州-西宁-拉萨通信光缆拉断;大量土坝开裂;输油输气管道因断层而发生了破坏。整个生命线系统损失达到4 000万元,占总损失的80%。

2)2003年7月,欧洲大陆热浪事件,瑞士气温达到41℃(为近200 a最高),欧洲最大的阿莱奇冰川开始融化,从6～7月冰川后退5 m,部分融化的冰川引发了大量的雪崩、滑坡,导致道路冲毁、通信和电力设施破坏。挪威气温达到27℃,芬兰达到29.8℃,多年冻土融化导致路基融化加剧,融化的冰川引发大水,冲毁了道路、桥梁和通信设施。英国和欧洲的铁路因高温而停运或减速。

3)2007年1月中旬,美国西部、中部和东北部受暴风雪和大幅度降温影响,有68万户家庭或商店断电,交通中断。65人在恶劣天气中丧生[1]。

4)2007年1月17—18日,强暴风雪 “西里尔”席卷了欧洲北部地区,英国、法国、比利时、德国、荷兰、波兰、捷克和匈牙利等多个北欧国家遭受严重影响,47人死亡,导致大面积交通中断,上万人出行受阻。此次灾害的强度和影响范围以及造成的人员伤亡均为近年来北欧地区所罕见。

5)2008年1月5日～31日,西亚和东欧遭遇100年一遇暴风雪。1月29日,巴基斯坦、以色列雪厚遭遇了暴风雪的突袭,很多山区积雪厚1 m以上,以色列许多地区的机场和陆上交通都受到了很大影响。29日,耶路撒冷等地的暴风雪致使中小学停课,市内交通完全瘫痪。伊朗北部和中部2 d积雪厚55 cm,为伊朗10年来最大的一场雪。伊拉克巴格达市遭遇百年一遇的大雪,交通系统一度瘫痪。寒冷致使用电量增加了15倍,一些地区因此导致电力中断。阿富汗全国持续普降大雪,局部地方雪深2.0 m,交通、电力、供水和通信瘫痪。保加利亚380个城镇因断电断水而进入紧急状态。

6)2008年1月30日,狂风暴雪横扫美国中西部地区,使得当地气温在几个小时内狂降28℃,有的地方的气温降到了-48℃。芝加哥国际机场取消了大约200次航班。暴风雪还可能导致西部地区发生雪崩等灾害事件,积雪达到了一人多高,基本淹没了一楼,交通完全中断达20 h。冻裂的供水系统比比皆是,导致60多万户居民缺水1～7 d。加州中部和北部电力供应、公路和机场受严重影响。

7)2008年1月,加拿大发生从西至东横扫全境的强风伴随冻雨和大雪,导致大部分地区气温急剧下降,北部一些地区的最低气温降至-60℃。加拿大西部4省从28日起遭遇强暴风雪袭击,温度骤降,一些地区温度达到-50℃。平均雪深20 cm,新布朗斯威克省的蒙克顿市雪深1.65 m,是加西部遭遇的最强的一次寒流。暴风雪严重影响交通。

8)2008年1月10日～2月6日,中国南方20个省市的冰雪冻雨事件,造成 “五纵七横”公路干线近2×104km高速公路、22×104km普通公路交通受阻,大量的公路、铁路和航空旅客滞留,物资运输中断,交通系统的直接经济损失高达近62亿元,192万人滞留。冻雨雪灾造成华中、华东电网几十条500 kV线路倒塔、倒杆,全国因灾停运线路共36 000条,停运变电站1 700多座,线路倒塔8 700多座,国家电网公司和南方电网公司共169个县停电,直接损失约100亿元以上。湖南郴州市停水停电8 h,通信电缆大部分压断、通信塔倒塌。贵州东南地区停电最长达到20 d。中国电信集团的受损杆路869 km、电缆1 200 km、光纤1 004 km,中断模块和接入网点7 186个、各类基站27 600个,直接经济损失7 000万元。

9)2010年7月,俄罗斯和东欧各国为热浪侵袭,温度为近500 a最高。莫斯科的最高温度达到38.2℃。高温引发了大面积的森林大火。航空、陆上交通因浓烟、高温而受阻,电力系统破坏并导致用电量需求居高不下,据统计仅生命线系统损失$1亿,并造成1.5万人身亡。

3 寒区生命线灾害特点

与其它建筑物、构筑物相比,生命线系统具有3个显著特征：①生命线系统各种生命线子系统都是由一批工程结构或次级的子系统所构成,具有复杂的网络结构,网络单元结构复杂多样。电力系统包括电厂主厂房、高压输电塔、各类变电站建筑等,其中的高压输电设备就是另一个子系统,它包括了各类电容互感器、绝缘子、断路器;在城市供水系统中,存在供水泵房、水处理系统、输水管线等各类工程设施,而其中的供水泵房包括了配电间、清水池、加药间与储液池、管道、水泵、阀门、电动机、开关柜、中控系统等设施或设备等单元;②生命线系统往往穿越不同的地质、地貌单元,其系统结构形式又具有网络特征,并且不同的生命线系统单元物理结构形式多样、抗灾设计方法差异大,所以与建筑物相比,生命线系统和单元有更大的灾害易损性,抗灾设计理论和方法更为复杂,这也是生命线工程正迅速发展为一门独立学科的动力;③生命线大多以一种网络系统的形式存在且在空间上跨越很大的地质地理单元,各子系统间存在着功能上的相互依赖和空间中的相互共存。如供电网络、交通网络、供水管网等在功能上相互依赖,断电则停水,停水则使供电系统冷却系统停止工作而导致停电,交通系统的破坏阻碍供电、供水系统的修复等。正是由于系统间功能上的相互依赖,所以网络系统间的功能不仅与组成系统的各个单元的功能密切相关,而且与各个单元之间的联系方式 (主要表现在网络拓扑特征)密切相关。生命线系统的上述特征不仅使其灾害风险巨大、后果严重,而且其成灾的机理和破坏型式有其独特的规律。寒区生命线的破坏特性与温度、冰雪等气象灾害密切相关,而且也与地震、冻土特性、滑坡等地质灾害关系密切。

3.1 寒区交通系统灾害特征

寒区交通系统包括了水陆空3类交通子系统,水上交通系统包括了航道、码头等主要的单元,陆路交通系统包括了铁路系统、公路系统,空中交通系统主要包括地面指挥和服务系统、跑道等单元。

寒区水上交通系统的主要影响因素是温度和其引发的其它灾害,如冰凌、冰堰塞湖等。我国的黄河上游、松花江、嫩江、黑龙江、环渤海湾都曾发生大规模的冰冻、冰凌和冰堰塞湖灾害,造成了航道、桥梁、码头和河岸的交通建筑物破坏,一些船体为冰挤压变形,一些海洋平台为冰所推倒 (如1969年的 “海二井”)。

寒区陆上交通系统受到冻胀、融沉作用和低温损害,冻胀、融沉作用常常使路面发生翻浆与鼓胀破坏,桥梁基础的上拔、沉降和倾斜,涵洞的冻胀。低温损害造成路面裂缝在寒区最为普遍。

道路路面温度与气温有密切关系,根据黑龙江大学寒区工程灾害防治研究中心的实测结果,得到了哈尔滨市道路路面温度与气温的经验关系式如下：

式中 T0为路面温度;Ts为气温 (℃)。

这个公式表明,当外部气温为-30℃时 (冬季),路面温度为约-33℃,当气温为35℃时(夏季),路面温度达到了42℃,如此巨大的温差,势必对路面造成严重的破坏作用,如果进一步考虑温差对季节冻土和多年冻土的影响,路基的破坏概率将更高。

除了气温的影响外,道路和铁路系统还受到冰川的进退变迁、冰融水道、地下冰、冰川阻塞湖、雪崩、风吹雪等因素的影响。如我国的喀喇昆仑公路通过巴托拉、固尔金和格尔密特3座冰川的地段,普遍存在冰融水道引起的路基、路面和桥梁冲毁的现象。新疆维吾尔自治区的叶尔羌河流域、喜马拉雅山的波曲河、朋曲河流域是冰川洪水、泥石流的高发地带,道路系统的严重破坏几乎每年都发生。

有关部门对寒区公路隧道进行调查时发现,我国已建的寒冷地区隧道很多都发生衬砌开裂、路面冒水、结冰等病害,80%的隧道都存在各种各样冻害现象,其中的60%发生渗漏,约24%出现衬砌混凝土剥落、开裂、滑塌、沉陷等问题,严重者导致隧道毁坏,如新疆217国道天山段的玉希莫勒隧道 (长1 007 m,投资约5 480万元)因隧道内冻害严重而形成冰塞报废。吉林的长春珲春高速公路的密江隧道和五虎岭隧道,在春夏秋3季隧道内严重渗漏,冬季滴水成冰。日本曾对铁路隧道进行了详细的病害调查,结果表明严寒地区发生冻害的隧道占隧道总数的34%,凡是漏水的隧道几乎全部形成冻害。这些灾害大大弱化了隧道的使用功能,严重威胁着行车安全。

寒区交通系统的另一灾害事件是冻融和由此引发的泥石流、热融滑塌与滑坡、冰锥等一系列灾害(图 1)。

图1 黑龙江某铁路因热融滑坡而中断Fig.1 Interrupted railwaydue to thawlandslide in Heilongjiang

青藏寒区公路隧道、大坂山寒区公路隧道围岩的冻胀破裂渗水及失稳,每年的维修费用就高达数百万元,并严重影响着正常的交通运行。目前已经运行的青藏铁路全长1 180 km,其中冻土段550 km,是世界上海拔最高,难度最大的铁路工程,其中冻结条件下软弱岩土体的力学特性研究是一个重要难题。同样地,由于寒区冻融条件下岩土体的冻融、缩胀、损伤开裂而导致的寒区公路边坡失稳问题也是急需解决的问题。1995年8月24日,青藏铁路关角隧道东洞口发生冻融滑塌,造成铁路线路58 m被埋,滑塌物总量约2 000 m3。昆仑山K990段路基、布曲河地段K1300+938路基发生了热融滑塌。土层的强烈冻融,会使地表下沉,从而引起塌陷。如玛多县建于黄河沿的旧县城,由于冻融使地表下沉,县城被迫搬至玛查里[2]。

随着我国交通建设在高海拔和高纬度寒冷地区的规划,将建设更多的隧道、道路、桥梁,这些工程的的规模会更大、技术要求更高,但地质、气候条件却更为不利。怎样在这些隧道的修建中采取有效措施以减轻冻害为急需解决的问题。

俄罗斯的铁路建设与运营经验表明,铁路路堤发生融沉变形是多年冻土地区常见的一种变形形式,其中,路堤基底多冰冻土的不断退化又是引起路堤长期发生热融变形的主要原因。1978年,俄罗斯巴穆—腾达线由于腾达河河床中的砾石路堤因基底泥炭层中冰楔的融化而使路堤突然塌陷,造成长1.5 m的轨排悬空的高度达0.7 m。在别尔卡基特—托姆莫特的铁路线上,多处东西走向路堤的阳坡一侧基底富冰冻土发生退化,引起路堤产生的纵向沉陷裂缝,破坏了路堤的南侧边坡。路堤自重与列车动荷载的共同作用下造成高路堤和桥头路堤发生融沉,在15～20 m的路段内,沉陷量可达0.5～1.2 m。10年来,外贝加尔铁路约有85%的路段受热融变形作用,并且已经持续了50 a[4]。

空中交通系统因机场跑道的结冰、强降雪而导致飞机无法起降。一些精密仪器因超低温而不能正常工作,导致指挥系统性能下降。

3.2 寒区电力系统灾害特征

2008年1月16日～2月6日发生的冻雨,贵州、湖南的电线结冰直径达到30～60 mm(图2),造成了线路覆冰厚度超过设计基本值,导致导线张力增加,使线路拉断或将塔、杆拉歪、拉断。这种状况也使风荷载作用下线路水平荷载增大,造成塔、杆破坏。电塔因线路荷载的突然增加或两侧受力差异而导致断裂,电力设备为冰雪冻结 (图3)。同时,由于电塔多为钢结构,其在低温环境下也易产生脆性断裂。

图2 电力线上的覆冰Fig.2 Ice coating on the electric wire

3.3 寒区通信工程

图3 冻雨中倒塌的电塔和冻结的变压器Fig.3 Collapsed pylon and freezing transformer in freezing rain in soutern China

寒区通信系统的破坏主要体现在通信塔和通信杆因基础冻结状态下的隆起、融化状态下的沉陷而导致的破坏 (图4),以及通信建筑结构不均匀冻胀和沉陷产生的墙身开裂、顶棚抬起、门口、台阶隆起,散水坡冻裂而导致的建筑结构的破坏。通信电缆、塔架因冻雨和雪荷载过大而拉断、倒损。在2008年的南方冻雨事件中,通信系统中断和信号质量下降的另一个重要原因是由于供电系统的破坏。

图4 冻雨中倒塌的通信塔Fig.4 Collapased telcommunication tower in freezing rain in soutern China

3.4 寒区供水、排水工程

供水、排水系统的破坏主要来自低温、地震和冻土的冻融作用,表现为管道系统的向上运动、破裂、水表的冻裂和沟内的结冰。埋地管道系统因冻胀而出露地表。河道系统凌汛灾害严重。水库因冻土的冻胀而发生基础的上胀,融沉使其发生渗漏。寒区的水库坝体在冻结季节易开裂,土坝在冻土融化季节易发生坝面热融滑塌。

3.5 寒区供热工程

供热系统的破坏主要表现为管道的爆裂和渗漏。爆裂的管道周围形成热泉、冰幔和鼓丘。管道的渗漏导致冻土的热融沉陷,进一步加重了供热管道的破坏。地震作用导致供热管道元件的破坏,动力系统停止工作。

3.6 寒区能源管道输运工程

寒区的能源管道输运工程主要指油气运输,美国的阿拉斯加TAP管道 (总长约1 300 km,直径1.22 m)、加拿大Enbridge公司的原油管道 (总长11 100 km)和贯山管道 (1 260 km)、长的中俄输油管道 (总长1 035 km,中国境内约965 km,直径0.813 m),格尔木至拉萨输油管道 (总长1 080 km),西气东输工程 (总长4 200 km)等自运行以来,均多次由于寒区冻土的差异性冻胀、融沉等问题已经造成多次露管、泄漏等事故。尽管TAP管道为防止冻土融化和因此而产生的移动用了5 a的时间进行了测量和地质勘探,并设计了低温热棒散热系统,但是由于地震作用导致的散热系统破坏以及输送原油的温度导致的冻土层的融沉仍使管道破坏。新疆的地下输油管线的冻裂和由冻融引起的灾害现象很严重,曾造成巨大的经济损失。

4 寒区生命线工程综合防灾的重要措施

寒区生命线系统由于受多种灾害类型的威胁而易损性较非寒区生命线系统大,由于温度场对寒区灾害种类、生命线系统本身安全都有直接的影响,因此,寒区生命线系统的灾害防治和预防需要更先进的技术手段和减灾思想。本文建议从软硬两个方面制定合理的寒区生命线防灾减灾措施。软的方面主要是指利用高新技术建立合理的数字化减灾平台;硬件方面建议从用抗灾能力更好的建设模式——共同沟体系的建设,改变过去的直埋、架空布置方式。

4.1 综合防灾数字系统

寒区自然灾害成因机制复杂,生命线系统的破坏往往为多种灾害联合作用下的结果。因此,如何厘定寒区生命线系统的成灾机理是建立相应减灾措施的前提。同时,为提高生命线系统的综合抗灾能力,单一或多种灾害联合作用下 (不得不考虑温度的耦合)的生命线单元、系统的反应机理也是确定减灾措施的重要环节。

为建立合理的寒区生命线系统综合防灾体系,传统靠单一的防灾技术和运行管理平台不可能取得预期的效果,即使达到预期水平则以增加成本为前提。

当今防灾减灾领域的重要发展方向之一是3S技术的应用 (GIS-geographic information system地理信息系统,GPS-globe positioning system全球定位系统,RS-remoting system遥感系统),该技术已经在一些城市、区域和一些行业的防灾系统中得到了成功的应用。基于课题组已有的科研成果,建议寒区生命线系统的综合防灾减灾数字系统的框架见图5。

图5 寒区生命线系统的综合防灾技术系统Fig.5 Disaster mitigation system of lifeline system in cold region

基于上述框架,从建立灾害信息综合数据库着手,结合灾害风险评价方法,可以预估和预测一定时间、空间尺度中的生命线系统易损性和灾害程度,为合理规划、建设生命线系统提供有力支持。

4.2 共同沟建设是提高寒区生命线安全性的重要手段

共同沟生命线是指收容着如供水、供电、通信、供气、排水等各类重要公用管线和管道并留有供检修人员行走通道的隧道结构系统。它是现代城市基础设施科学管理与规划的标志,也是合理利用城市地下空间与改善环境的科学手段,是城市生命线系统建设发展的方向。

共同沟的建设始于1833年,经过近180 a的发展,共同沟已经成为城市中最重要的生命线系统,发达国家中的重要城镇几乎都大力发展共同沟。据统计,到目前为止,法国巴黎的共同沟已超过150 km,全日本共同沟有1 100 km,德国和英国各有约1 000 km,瑞典Stockholm市有共同沟30 km,俄罗斯的Moscow共同沟长130 km,西班牙Madrid有92 km的共同沟。加拿大的Montreal、Toronto、Vancouver,西班牙的 Barcelona、芬兰的Helsinki等大城市均有规模巨大、功能完善的共同沟。美国共同沟非常发达,如纽约的共同沟就已构成了一个巨大的网络结构,几乎所有的生命线系统都收容其中。一些中等发达和发展中国家也开始共同沟的建设。为环境保护的目的,马来西亚在Putrajaya于2002年开始建设共同沟。印度也在Calcutta、New Delhi、Bombay等城市开始建设共同沟。我国最早的共同沟是在1958年建设的(1958年北京建设了一条长约1.3 km的综合管线共同沟),但大规模的建设是在20世纪90年代,1994年上海浦东建设了我国城市第一条现代化的共同沟——张杨路共同沟,该沟全长11.125 km,沟体为钢筋混凝土结构,其横断面形状为长方形,由电力室和燃气室两部分组成。电力室中央敷设给水管道,两侧设有支架,分别设电力和通信电缆,燃气室为单独一孔室,内敷设燃气管道。共同沟里还配有各种安全配套设施,如排水、通风、照明、通信广播、闭路电视监视、火灾检测报警、可燃气体检测报警、氧气检测、中央计算机数据采集与显示等系统等。其后,在江苏连云港 (1997年)、天津塘沽 (1998年)、北京 (2000年)、南京 (其中2002的仙林大学城45 km的弱电共同沟吸收了民间资金)、西安和济南 (2001年)、浙江衢州、福建漳州和上海嘉定区 (2002年)、北京中关村西区、上海松江、深圳大梅沙-盐田坳和广州大学城、佳木斯 (2003年)、杭州钱江新城和广州市科韵路 (2004年)、嘉兴、天津和宁波 (2005年)等都建造了共同沟,其他的一些城市如绍兴、福州、青岛、莱芜、昆明等城市也开始了共同沟的规划和立项。在台湾省,1991年,台北建设了第一条共同沟,至2003年12月31日已经在21个地段建设了干线共同沟、支线共同沟,合计干线共同沟60 km,支线共同管沟52 km。在台湾的其它地方,拟建设共同沟75 km。迄今为止,我国各省会城市、发达省市大中型城市无一例外已经开始了共同沟的规划与建设。上海、福建、云南等已经出台了相应的行业标准,我国共同沟生命线系统正步入快速发展之路。

共同沟生命线系统的建设之所以得到认可,与传统的生命线系统相比,主要因为其节约了空间与土地资源,便于综合管理,更重要的是共同沟体系具有良好的抗灾能力。自第一条生命线系统建成以来,经过近200 a的发展,除为数不多的几次强震及其引发的次生灾害对其造成过破坏之外,其它的灾害如各类气象灾害均没有对其造成破坏。从前述的寒区生命线灾害特征来看,共同沟体系是寒区生命线系统建设最为合适的结构型式。具有隧道结构特点的共同沟体系,由于埋地 (中国共同沟的埋深一般2～5 m,超过一般地区的冻深),其对温度的敏感性也明显降低,这对寒区生命线系统安全度的提高具有决定性的作用,对此,共同沟体系将对由于温度变化导致的冻土性能改变、冻融各类灾害具有很好的免疫能力。

5 结 论

寒区生命线系统对地区经济、生活和环境保护起着至关重要的作用,本文根据近10年来寒区生命线系统的成灾特点,简要阐述了寒区生命线的灾害特点,提出了当今寒区生命线系统建设中急需解决的问题,并提出了有益的建议。

致谢：本文引用的一些图片资料没有找到原始的出处,对此本文作者们对相关图片的作者表示诚挚的谢意。

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