北京供水管线地震脆弱性评价

吴 婧,刘万象,梁 军,冯博然

(北京市自来水集团有限责任公司 安全保卫部，北京 100031)



北京供水管线地震脆弱性评价

吴 婧,刘万象,梁 军,冯博然

(北京市自来水集团有限责任公司 安全保卫部，北京 100031)

供水管网作为供水系统的重要组成，在地震作用下易遭受破坏，给人民群众的生活、生命和财产安全带来严重危害。针对如何定量化评价供水管线地震脆弱性问题，降低此类危害发生的可能性，从而提升供水管线的抗灾复原能力，首次基于蝴蝶型突变理论，选择与抗震能力密切相关联的因素，组成评估管线抗震能力系统，并对北京供水管线进行地震脆弱性评估，使得评估结果更具有科学性和可靠性。

供水管线；突变理论；脆弱性评价

供水系统是城市生命线工程的主要组成部分，在地震作用下易遭受破坏[1-2]。由于圈、压、埋、占现象严重，极易产生各种次生灾害，给人民群众的生活、生命和财产安全带来严重危害[3]。以1976年唐山7.8级地震为例，地震波波及天津，烈度达7～8度，致使天津市供水管网发生了1 000余处漏水，干管破坏0.18处/km，支管破坏1 113处/km，DN 75 mm以上干管漏水161处，其中4条主要过海河干管破坏2条，造成河东区一带严重缺水、断水。塘沽区灾情更为严重，曾一度全区停水，干管破坏4.0处/km，DN 75 mm以上干管漏水332处。因此，对供水系统地震工程的研究受到了学术界和工业界的广泛关注[4]。

城市供水系统的抗震设计/分析可以追溯到O’ROURKE等[5]的首次相关科学研究工作。然而，供水管网作为供水系统的重要组成，具有建设时间跨度大的特点，而且混合了各种不同管材的类型和不同的技术连接方法等，这些因素共同决定了其抗震能力。而如何选择与地震影响密切相关的要素[6-7]，是一个关键的问题，只有抓住关键要素才能使评价结果更加科学、可靠[8]。笔者结合供水系统地震灾害特点，在供水管网地震地质环境分析的基础上，选取了供水管线地震脆弱性评价指标，制定了分级标准，建立了基于蝴蝶型突变理论的供水管线地震脆弱性综合评价模型，并利用该模型对北京供水管线进行了地震脆弱性评估。

1 北京供水管网特点

北京市市区配水管网已形成以老城区为中心，呈环状分布管网相互连通的大型城市配水管网，市区管网总长达9 268.23 km，供水服务面积为727.82 km2，供水用户达307万户。通过数据汇总分析，发现北京市城区供水管网的几大特点：

(1)建设年代跨度大，增长速度快。从解放前夕的367 km，发展到2014年的12 000 km，其中市区管网9 268.23 km。特别是进入21世纪以来，城区供水管线平均每年增长约280 km；市区供水范围从建国初城区中心地带，发展到五环以外，涵盖近郊区县1 000 km2的范围。

(2)管材种类复杂，工艺方法多样。由于时代、经济、技术背景不同，市区管网材质有预应力混凝土、玻璃钢管、球墨铸铁管、铸铁管、镀锌管、钢塑复合管、钢管、PE管，接口施工方法有承插口胶圈、打口胶圈、丝扣和焊接接口。

(3)供水格局改变，管网压力升高。自20世纪初到1983年以前，市区供水全部依靠地下水，管网压力偏低。此后，市区供水格局转变为地下水和地表水相结合、以地下水为主的供水方式。自2002年国务院批复了《南水北调工程总体规划》开始，至2013年实现了本地水、外调水、地下水的联合调度。供水格局的改变，使市区大量管网运行呈管径由小渐大供水的状态，对管网的水力冲击很大。

(4)市区地质环境对管网安全运行影响较大。北京地区位于燕山台褶带(山区)与华北断坳(平原区)两个构造单元交汇部位。历史上曾发生过多起较强烈的地震，是灾害的发育区。西部和西北部管网经过八宝山断裂和黄庄-高丽营断裂带，城区经过顺义-良乡断裂带，东部和东南部经过南苑-通县断裂带。由于城区人工回填土具有不均匀性及活动断裂带的通过，对各种管材的管线及铺设年代较长的供水管网会带来不利条件。

2 供水管线的地震脆弱性评价模型

2.1 供水管线地震灾害风险

供水管线的地震灾害风险包含了管线本身的脆弱性和地震发生后造成的损害。地震事件就是造成损害、损失、毁坏和痛苦的事件，即威胁。“可能性”就是风险的概率，即威胁发生的概率，“所造成的损害”称为风险后果。因此，风险的评估就是R=P×C。其中：R为风险；P为威胁发生的概率；C为威胁作用于系统产生的后果。

为了考虑系统自身属性，对城市供水管线的地震灾害风险进行改进，即得到了风险评估公式为R=P×C×V，V为管线的脆弱性。脆弱性是依附于风险而产生的概念，是管线本身固有的属性，反映了管线在面对特定威胁发生时受影响的程度，并且系统的脆弱性会随威胁的变化而发生改变。

地震灾害资料表明，供水管网的破坏与地震强度和管网所处的场地条件有关。地震作用对输水和配水管线产生破坏的原因可分为两类：一类是强地面运动，即地震波的传播所引起的管线失效；另一类是地面的永久变形，如由断层运动、砂土液化、滑坡等引起的场地破坏。其中，对埋地管线影响最大的是断层引起的地表破裂。但由于断层对管线的影响段很短，突发错动影响带宽度一般在100 m左右，且分析断层错动对管线的影响，一般还需要工程地质勘察才能确定断层与管线夹角、断层位移等输入参数。因此，在此着重考虑管线沿线区域性的地震风险，重点考虑较普遍的第一类影响。在地震波作用下，场地中不同点产生相对位移，这种相对位移将通过土体传播到埋地管线，使埋地管线产生轴向和弯曲变形，当变形位移超过管体或接口容许的位移时，管线即发生破坏。另外供水管网地震破坏严重程度也与供水管网自身的结构属性有关。不同结构属性的管线在同样区域和地震强度条件下，其破坏程度也会有很大差别。

综上所述，供水管网的破坏一方面与地震属性有关，另一方面与自身结构属性有关。笔者在进行供水管线地震脆弱性评价时，考虑的假设条件是在同等烈度的地震威胁下、同样场地条件中的供水管线地震脆弱性评价，地震脆弱性评价对象是北京的供水管线。

2.2 供水管线结构地震脆弱性分析及分级标准

2.2.1 地震脆弱性指标

在大量文献研究的基础上，分析得到管线的接口形式和管材对管线抗震性能的影响较大。大量地震灾害表明：同样条件下，由于柔性接口的管线能吸收较多的场地应变，因此抗震性能优于刚性接口；韧性好的管材比脆性管材有更好的抗震性能。同时，按照管材与管线周围土壤相对刚度的不同，管线可以分为柔性管线和刚性管线。在土壤荷载作用下，柔性管线的截面会产生很大的变形，而刚性管线的截面几乎不变形。这说明了柔性管线和刚性管线在与周围土壤相互作用时有着明显的区别。

另外，大口径管线的破坏率小于小口径管线，说明管线的刚度可抑制周围土壤的变形。同时，管线的设计、施工、使用年限等对管线的破坏也有一定的影响。因此，选取管材、管龄、管径和接口形式4个指标对输水管线和配水管线的结构地震脆弱性进行分析。

2.2.2 地震脆弱性分级标准

通过对《汶川特大地震中城镇供水系统地震灾害与抗震救灾调查报告》[9]和《给水排水管材实用手册》[10]的分析可知，就管材来说，PE管、钢塑复合管抗震性能最好，钢管、球墨铸铁管、镀锌管次之，再者为普通铸铁管，预应力混凝土管和玻璃钢缠绕管相对最差。就管径来说，中等管径的破坏率比小管径要低1～2个数量级，管径越大越不容易破坏。就管龄来说，在地震中使用时间较长的管线受损情况比较严重。同时，接口形式是体现管线抗震性能的最重要因素，在同样条件下，柔性接口的抗震性能比刚性接口好得多，因为柔性接口能较大限度适应于地面破坏所引起的变形，刚性接口则不然，因此刚性接口的地震灾害情况明显比柔性接口严重。结合北京供水管网情况，建立供水管线结构地震脆弱评价指标及分级标准，如表1～表4所示，其对分析供水管线地震设防有重要意义。

表1 不同管材的抗震性能分级标准

表2 不同管径的抗震性能分级标准

表3 不同接口形式的抗震性能分级标准

表4 不同管龄的抗震性能分级标准

2.2.3 地震脆弱性综合评价

突变理论是常被用来认识和预测复杂系统的行为，强调突变性，根据上述地震灾害特点，显然地震灾害具备突变性的特征。这就决定了供水服务功能是否稳定取决于供水管线的稳定性。笔者采用蝴蝶型突变理论[11]对供水管线的脆弱性进行综合评价，其特点是不需要对指标的权重进行计算，仅考虑各评价指标的相对重要性。根据评价目的，将系统分解为若干评价指标组成的多层次系统，以便得到更具体的指标。当系统分解到可计量的子指标时，分解就可以停止，此时，对底层指标进行相对重要性排序，并结合相应的突变模型归一化公式计算出脆弱性评价总指标值。蝴蝶突变是七种初等突变之一，其归一化公式是根据突变模型的势函数推导出相应的交叉集方程，在交叉集方程的基础上通过进一步推导而得出的。

在此，由接口形式、管材、管径和管龄作为供水管线脆弱性系统的4个独立的控制性变量u1、u2、u3、u4，Xu1、Xu2、Xu3、Xu4为对应控制变量的突变级数值。利用蝴蝶突变型归一化公式则有：

供水管线的脆弱性指数计算公式为：

最终求得表征系统状态特征的总突变级数值，即供水管线的抗震能力等级。供水管线脆弱性分级标准如表5所示。

表5 供水管线的脆弱性分级标准

3 案例分析及结论

按照上述脆弱性评价方法，对北京存在的不同接口形式、管材、管径、管龄的供水管线进行地震脆弱性定量化评价。根据基于突变理论的供水管线地震脆弱性综合评价模型及分级标准计算结果显示， 300 mm以下、50年以上管龄的普通铸铁管；600 mm以下、30年以上管龄的钢管；全管径、50年以上管龄的预应力混凝土管和300 mm以下、30年以上管龄的钢塑复合管和镀锌管抗震能力等级最低。

研究结果表明，管径越小，管龄越久，管线抗震能力越差，普通铸铁管和预应力混凝土管的材质没有球墨铸铁管好，因此建议将普通铸铁管材和预应力混凝土管替换为球墨铸铁管。近年来北京配水管网改造工程中，针对大口径管线(≥DN300 mm)实施的消隐工程采用球墨铸铁材质、胶圈柔性接口和撞口连接的施工技术对老旧管网进行改造。仅2015年消隐工程累计完工8.39 km，其中管网改造二期消隐工程完工2.44 km，三期消隐工程完工5.95 km。全年小口径换管工程累计完工47.98 km。以上数据验证了研究的结果，也为以后工作的开展奠定了数据理论支持。

[1] LANZANO G, DE-MAGISTRIS F S, FABBROCINO G, et al. Integrated approach to the seismic vulnerability assessment of industrial underground equipment and pipelines[J]. Bollettino Di Geofisica Teorica Ed Applicata, 2014,55(1):215-226.

[2] DAVIS C A, BARDET J P. Responses of buried corrugated metal pipes to earthquakes[J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, 2000,126(1):28-39.

[3] KANG G C, TOBITA T, IAI S. Damage to sewerage systems during the 2004 earthquake in Niigata-ken Chuetsu, Japan[J]. Engineering Geology, 2013,164(12):230-242.

[4] ZHAO X, CAI H, CHEN Z, et al. Assessing urban lifeline systems immediately after seismic disaster based on emergency resilience[J]. Structure & Infrastructure Engineering, 2016，12(12):1-16.

[5] O’ROURKE M J, GERARDO C, NANEEN C. Effects of seismic wave propagation upon buried pipelines[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 1980,8(8):455-467.

[6] 王宇飞.供水管网地震脆弱性评价方法的研究[D].天津：天津大学,2010.

[7] 毛建猛,李鸿晶.跨越断层地下管线震害因素分析[J].国际地震动态,2005(4):27-31.

[8] ZOHRA H F, MAHMOUDA B, LUC D. Vulnerability assessment of water supply network[J]. Energy Procedia, 2012,18(4):772-783.

[9] 刘遂庆.汶川特大地震中城镇供水系统地震灾害与抗震救灾调查报告[M].上海：同济大学出版社,2013:122-136.

[10] 刘慧,孙勇.给水排水管材实用手册[M].北京：化学工业出版社,2005:23-40.

[11] 林大建,蔡嗣经,周永安.基于蝴蝶型突变理论的安全生产保障系统分析和探讨[J].中国安全科学学报,2007,17(10):28-31.

WU Jing:Engineer; Department of Safety and Security,Beijing Waterworks Group Ltd., Beijing 100031,China.

Seismic Vulnerability Evaluation of Beijing’s Water Supply Pipeline

WUJing,LIUWanxiang,LiangJun,FENGBoran

Water supply network as an important component of the water supply system, it is easy to suffer damage under the earthquake, resulting in serious harm to the people's life, life and property safety. In view of how quantitative assessment of water supply pipeline seismic vulnerability problem, reducing the occurrence of the possibility of such harm, so as to enhance the water pipeline disaster resilience, it was the first time based on butterfly catastrophe theory, to select closely associated seismic capacity factors, comprising of earthquake ability evaluation system. The Beijing water supply pipeline for seismic vulnerability evaluation was carried out. The evaluation result is more scientific and reliable.

water supply pipeline; catastrophe theory; vulnerability evaluation

2095-3852(2017)02-0140-04

A

2016-10-22.

吴婧(1987-)，女，北京人，北京市自来水集团有限责任公司安全保卫部工程师，主要研究方向为复杂系统建模、安全评价及应急管理.

TU991.33; X915.5

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.004