震后輸水接口滲漏初步研究

王瓊 侯宇 陳洪昌 唐晨陽 侯笑焜

摘 要：城市供水管線是一個城市的生命之源，重要性不言而喻。我國的領(lǐng)土位列世界第三，城市更是多不勝數(shù)，城市供水管線總長度更是驚人。我國又是一個多發(fā)地震的國家，城市供水管線經(jīng)歷地震后會發(fā)生嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致災(zāi)后救援工作難以開展，所以研究地震對城市供水管線的破壞勢在必行。

關(guān)鍵詞：輸水管線; 接口;位移荷載;破壞形式;破壞機理

眾所周知，我國是一個地震多發(fā)的國家，大大小小的地震發(fā)生過很多[1]。但由于震后防范次生危害的意識不夠，導(dǎo)致地震次生危害[2]引發(fā)的人員損失和經(jīng)濟危害甚至高于地震所引發(fā)的主要危害。國內(nèi)外以往的遭受地震損壞的管線工程比比皆是，例如1995年1月17日的日本阪神地震，管線修復(fù)工作持續(xù)了近三個月[3]。又如1996年2月3日我國云南發(fā)生的地震，導(dǎo)致麗江供水功能癱瘓[4]。還有1999年9月21日的臺灣集集地震，管線造成的經(jīng)濟損失高達9.5億元[5]。又比如2004年12月26日，印度蘇門答臘發(fā)生的地震[6]。最后我國在2008年5月12日發(fā)生的汶川大地震，導(dǎo)致綿竹市供水管網(wǎng)的80%都有不同程度的損壞[7]。

上述的例子都表明了地震對城市供水管線有著巨大的危害，而城市供水管線[3]又對災(zāi)后救援以及災(zāi)后重建有著很大的幫助[9]。但由于我國供水管線情況復(fù)雜，有使用時間達百年的老式供水管線，也有經(jīng)過現(xiàn)代工廠生產(chǎn)后新投入使用的新型管線，這也就導(dǎo)致了新舊管線的同時使用，并且這些舊管線以及新管線在投入使用之前并未經(jīng)過抗震設(shè)計及試驗，所以在經(jīng)歷地震時不堪一擊。所以研究城市供水管線在地震時的破壞情況，對我國日后減少地震對城市的危害有著莫大的好處。

管線在地震中表現(xiàn)出的破壞模式主要為兩種：

（1）地震波引起管線結(jié)構(gòu)的震動或擺動：管線和圍巖在正常情況下就會承受很大的壓應(yīng)變。而在地震引起的地震波作用下，會發(fā)生使管線產(chǎn)生張應(yīng)變的擺動和使管線產(chǎn)生壓應(yīng)變的振動，兩種應(yīng)變會交替循環(huán)產(chǎn)生，并且這兩種應(yīng)變會在管線和圍巖原有的壓應(yīng)變上繼續(xù)疊加，當(dāng)應(yīng)變過大時，管線會發(fā)生局部彎曲。

（2）地層錯動：由地震引起強大的地層錯動會讓圍巖發(fā)生剪切位移，地層錯動產(chǎn)生的剪切位移作用范圍可達地表，但卻限制在活動地層附近內(nèi)一個較小的區(qū)域。這種剪切位移對管線造成的破壞為整體破壞，后果嚴(yán)重。在管線鋪設(shè)的設(shè)計初期，就應(yīng)該盡量避免管線鋪架在該類區(qū)域。

在眾多震后的分析報告中指出，管線破壞的主要原因便是由管線不同結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了相對位移。

1、管線圍巖體系反應(yīng)平衡方程

對管線進行受力形式的分析時，我們用非線性接觸模型對圍巖沿斷層錯動造成的管線破壞進行建模。對模型中的管線進行加載時，加載的荷載為剛才提到的錯動荷載，模型會把荷載傳遞到管線上，模型中的管線單元在該荷載作用下會產(chǎn)生新的內(nèi)力和變形，體系的一個新平衡狀態(tài)便達成了。新的動力平衡方程如式1

圍巖的永久變形是地震時斷層錯動造成的，地震時造成管線破壞的原因大多如此。所以可以用擬靜力方法計算，忽略動力項來計算管線在活動斷層作用下的動力反應(yīng)。根據(jù)有限元原理忽略速度項和加速度后，管線結(jié)構(gòu)體系的運動方程可簡化為

在圍巖的邊界施加強制位移荷載 ，這便是圍巖與管線的作用過程。對管線與圍巖的接觸部分做一個不發(fā)生變形和位移的可行性假設(shè)，利用平衡方程（式2）得出圍巖等效荷載分布，并且根據(jù)兩者的平衡關(guān)系來提取兩者接觸部分的圍巖等效荷載值來求出等效管線外的荷載大小。并利用式3求出管線的位移，而管線的最終位移可用迭代求解得出。在計算過程中，利用有限元分析軟件的位移荷載功能使該反應(yīng)分析方法得以實現(xiàn)。

在本文中，采用的管線就是分段管線，也就是連接而成的管線。在地震中對管線進行破壞的主要是軸向應(yīng)力和位移，但是分段管線還包括接口處的相對位移。經(jīng)過這么多的地震后分段管線的破壞情況調(diào)查結(jié)果顯示，分段管線的破壞形式大都是接口處的相對位移量大于本身管線材料所允許的位移量導(dǎo)致的破壞。由此可以推斷，在地震過程中分段管線的破壞形式主要是由于接口處相對位移過大而引起的。

參考文獻：

[1] 胡聿賢主編.《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》 宣貫教材 [M]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2001. 90 - 95.

[2] 李杰.生命線工程抗震—基礎(chǔ)理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3] 孫紹平.阪神地震中給水管道震害極其分析.特種結(jié)構(gòu)，1997，14（2）：51-55.

[4] 戚務(wù)柏，葉燎原，王亞勇，地下管線震害等級的模糊評定.工程抗震，1997，（3）： 28-31.

[5] The Chi-Chi， Taiwan Earthquake of September 21， 1999： Reconnaissance Report，MCEER， 2000.

[6] Suresh Ranjan Dash and Sudhir K Jain. An overview of seismic considerations of buried pipelines. Journal of Structural Engineering. Vol. 34， No. 5， December 2007-January.2008 pp. 349–359.

[7] 李宏男等.汶川地震震害調(diào)查與啟示[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2008，29（4）： 10-19.

[8] 韓陽.城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)的地震可靠性研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2002.

[9] 陳伶俐.城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)抗震功能可靠性能與優(yōu)化[D].上海：同濟大學(xué)，2002.