城市供水管網抗震設計研究

唐煒鴻

（四川大學 建筑與環境學院，四川 成都 610065）

城市的供水、供氣、熱力、排污等地下管網系統是現代城市生存和運行的命脈，人們形象地稱之為生命線工程。城市的規模越大，現代化建設的程度越高，對生命線系統的依賴性越強；同時，在自然災害，特別是在強烈地震襲擊下，生命線系統受到的地震破壞和由此產生的次生災害，以及對城市生命財產的危害也越嚴重。進行城市供水系統的抗震研究，是城市生命線地震工程領域的重要研究課題。

1 抗震可靠性分析

（1）供水管道的破壞原因。①地表大變形。主要包括地表塌陷、斷層錯動、土壤液化、滑坡等；于地面運動。主要指地震波的傳播效應產生的土壤應變；③地震振動引起的管道內部流體的沖擊壓力。

（2）供水管道的破壞形式。①管道接頭破壞。如承插式鑄鐵管接口填料松動、插頭脫落或承口破壞，連續式鋼管在焊縫連接處開裂、法蘭螺栓松動等；于管體破壞。如鋼筋混凝土管、石棉水泥管和鑄鐵管縱向或斜向出現裂縫，通過斷層的管體，小口徑管、銹蝕嚴重的管體發生折斷等；③連接破壞。如在三通彎頭、閘門和管道與地下構筑物的連接處，以及相關的連接件，因應變集中和運動相位差異而發生破壞。

（3）影響供水管道破壞的因素。①地震烈度及工程場地條件的影響。供水管道的破壞率基本是隨地震烈度的增高而增大，軟弱地基和復雜地基中比基巖中的埋設管道震害要重得多；于管道接頭形式的影響。管道接頭是埋地管道抗震的薄弱環節，管道接頭一般分為剛性接頭和柔性接頭。柔性接頭較之剛性接頭能吸收較多的變形且延性好，因而具有更好的抗震性能；③管徑和管道材質的影響。根據實際震害資料，一般而言，管徑越大，其管道震害率越低。

2 抗震預測模型

基于供水管網損壞的主要誘因——地震波沖擊造成的管網危險性，介紹一種供水管網抗震預測模型，闡述了建模的流程、預測的步驟。該模型可以預測管網地震相對危險點亦即抗震相對脆弱點（區域），經濟、高效地保障地震期間的用水安全。

（1）預測方法。ANSYS為一基于有限元分析的功能強大的計算軟件。EPANET軟件是由美國環?？偸鹬鞒珠_發研究的水力計算軟件，主要用于壓力管網水力計算、管網平差、水質模擬。相關文獻調查表明：管道在地震中損壞的主要原因多為接頭的位移過大和應力集中，所以可考慮用有限元分析的方法計算出某一管道在特定條件（地震波、土質等）下的位移和應力分布以判斷損壞情況。對微觀管網模型抗震性能研究后，進行多組模型的平行模擬以積累基本數據，將試驗結果推廣到實際城鎮的供水管網中進行宏觀管網模型預測。

（2）預測流程。整個預測的流程首先進行若干平行試驗（模擬），然后將試驗數據進行處理加工，再建立城鎮供水管網宏觀模型，將試驗數據應用到宏觀模型中對供水管網的地震危險值分布作出計算從而完成預測。預測詳細流程如圖1所示。

圖1 預測模型流程

3 抗震性能化設計

（1）設計流程?？紤]用戶節點抗震性能需求的供水管網設計流程如圖2所示。研究內容集中在步驟1、3、4，主要解決如何評價用戶重要性、如何進行管網布局和管段結構抗震能力分配問題。

圖2 供水管網抗震性能化設計流程

（2）設計參數優化分配模型。根據供水專業規劃中的優化設計的思想，李杰等提出生命線網絡抗震拓撲優化模型，對所有用戶節點采取相同的抗震可靠度約束指標，不能體現“重點保障和分級設防”的抗震理念。本例提出考慮用戶節點重要性和管段不同抗震能力的管網抗震連通可靠度優化設計模型：

式中：c（lij，dij）=（a1+a2·dija3）·lij為管線的造價，lij、dij分別為節點i、j之間的管線長度（m）和直徑（m）；γij為連通系數，鋪設該管線取1，不鋪設則取0；a1、a2和a3是管段造價常數，可以根據實際工程的造價擬合得到。φij為管段抗震能力造價調整系數，管段抗震能力及相應的φij與實際可選的管材及抗震措施有關。Pj為源點到用戶節點的抗震連通可靠度，可采用基于寬度優先搜索（BFS）的Monte Carlo隨機模擬求得；Rj為節點連通冗余度，其取值與該點相連的邊數有關，本節采用節點連接度表示；［Pj］和［Rj］分別為第j節點的抗震連通可靠度和冗余度約束，對應圖2中步驟2的設防目標，需要根據節點的重要程度設定不同的約束指標值。

4 結語

城市供水管網系統是生命線工程的重要組成部分。近些年來發生的多次破壞性地震中，城市供水系統的破壞不僅影響救災工作的順利進行，而且引起的次生災害會直接造成嚴重的人員傷亡和國民經濟損失。因此，開展城市供水管網系統的抗震可靠性研究，以加強其抗震能力，是城市防震減災工作的重要內容之一，具備相當的學術意義和實用價值。

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