運城市中心城區供氣系統震害預測研究

李奮勇，韓曉飛，薛曉東，曾金艷，董 斌

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

生命線工程系統的定義是上世紀70年代由美國UCLA(加利福尼亞大學洛杉磯分校)的C.M.Duke提出來的。生命線系統通常認為包括能源系統、供排水系統、運輸系統和通信系統等[1-3]。城市現代化發展的需求,供氣工程系統已成為重要的生命線工程，是保障城市正常運行的一個重要環節。

此次研究在山西壓縮天然氣集團運城有限公司、運城市經緯燃氣有限公司和山西民生天然氣有限公司協助下，完成運城市城區供氣系統的數據調查和收集，為供氣系統的地震災害預測提供基礎。在收集數據的基礎上，根據《地震災害預測及其信息管理系統技術規范》(GB/T19428—2014)要求，參考相關供氣行業規范和供氣系統現有的抗震研究成果，對運城市城區供氣系統開展地震易損性分析[4-7]。

1 供氣系統概述

運城市壓縮天然氣的輸送由山西壓縮天然氣集團運城有限公司負責，主城區的燃氣供應主要由運城市經緯燃氣有限公司和山西民生天然氣有限公司負責。運城市壓縮天然氣輸送示意圖如圖1所示，供氣系統主要門站和設備現狀如第7頁表1、圖2所示。

2 供氣系統震害預測

供氣系統中的樞紐建筑物包括燃氣公司主辦公樓和門站的控制樓，其地震易損性按照建筑物的分析方法進行，管網的則按照震害率計算的方法進行分析。

圖1 運城市壓縮天然氣輸送示意圖Fig.1 Schematic diagram of compressed natural gas transportation in Yuncheng City

2.1 供氣系統建筑物易損性分析

利用運城市中心城區小區劃數據和地震危險性分析結果，綜合考慮城市地震危險性評估中的不確定性，以結構基本類作為城市建筑群模型，考慮地震動不確定性對建筑群地震易損性的影響，建立同時考慮地震危險性和地震易損性不確定性的地震風險評估模型，最終給出供氣系統建筑物結構基本類不同極限破壞狀態的年平均超越概率和50年內地震風險概率。由于供氣門站建筑物通常為低矮的磚混建筑物或簡易板房，地震中受損時對管線造成的破壞預計很輕微，故不詳細論述。

表1 供氣系統主要門站信息統計表Table 1 Statistical table of main gate station information of gas supply system

圖2 運城供氣系統主要門站設備示意圖Fig.2 Schematic diagram of the main gate station equipment of the Yuncheng gas supply system

2.2 供氣管網易損性分析

管線在地震中遭破壞的形式基本有以下幾種：管道變形、彎曲、屈曲；接口松動、撥出；焊縫開裂、管道破損、斷裂等。影響管道破壞的因素是多方面的，除了地震動的強烈程度外，還與管線所在的場地類型，管線通過地區是否有活動斷層、液化、沉陷、滑坡，管道的材料、接口方式、敷設方式以及管道的直徑等因素有關。其中，場地地面變形、震陷、斷裂和滑坡是造成埋地管道破壞的最重要因素。當然，管道本身的物理、力學性質及腐蝕也是不容忽視的影響因素。

供氣系統是覆蓋很大區域的網絡系統，為了進行供氣系統的震害預測分析，需要將復雜的供氣網絡系統簡化成由節點和鏈路組成的網絡模型。文章采用震害率計算的方法來評估供氣管網的地震易損性。管道震害率是指每10 km長度的管道中發生破壞的處數。

管道震害率經驗統計模型采用地震烈度作為地震動強度參數，主要是建立單位長度內管道的平均破壞率與影響因素之間的經驗函數關系，并用歷史震害資料綜合統計給出這類函數中的經驗系數，從而計算管道的震害率。管道震害率模型需要考慮管道的材質、接口形式以及施工質量、鋪設年代等的影響，可以通過統計得到的修正系數對模型的計算結果進行修正。

運城市燃氣管網為中壓管網，管徑主要在110～300 mm之間，管材為PE，燃氣壓力約為0.3～0.6 MPa。根據管道統計震害率，計算不同材質管道在不同地震烈度輸入下的破壞處數，進而匯總得到整個管網在不同地震烈度下總的破壞處數。根據管網分布，按照長度百分比加權求解每個管段上的破壞處數，參照表2、第8頁表3震害等級的劃分標準(參考《運城市中心城區震害預測項目生命線工程地震災害預測專題報告2供水系統震害預測》)(1)李奮勇，曾金艷，韓曉飛，等.運城市中心城區震害預測報告，2018.，確定所預測的管網系統在不同地震烈度下的震害等級。

表2 管道震害率統計表(處/10 km)Table 2 Statistical Table of Seismic Damage Rate of Pipeline (Location/10 km)

表3 管道平均震害率統計表(處/10 km)Table 3 Statistical Table of Average Seismic Damage Rate of Pipeline (Location/10 km)

按照上述方法，利用編制的計算程序，對運城市城區供氣干網內的管道進行地震易損性分析計算，不同材質管道的地震破壞處數根據管道的材質、接口形式和鋪設年代的不同，進行統計匯總后得到供氣門站和加壓站的易損性分析結果(見表4)。在X度烈度下的震害如圖3所示，供氣系統在X度下出現破壞管段，造成的失效范圍如第9頁圖4所示。

3 結語

對運城市中心城區供氣系統的震害預測分析結果表明，不同地震烈度影響也不同。

表4 燃氣門站加壓站震害分析結果Table 4 Results of seismic damage analysis of gas gate station pressure station

圖3 Ⅹ度下供氣系統震害圖Fig.3 Earthquake damage diagram of the air supply system under X degree

圖4 Ⅹ度下供氣系統功能失效區分布圖Fig.4 Distribution of functional failure zone of gas supply system under X degree

(1) 整個供氣系統的抗震性能較好，在地震烈度Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度影響下，供氣主干網大部分基本完好或輕微破壞，供氣功能基本正常；在地震烈度Ⅸ影響下，鹽湖大道、禹都路部分地段管段出現破壞，會影響較大面積的供氣；在地震烈度Ⅹ度影響下，中心城區大面積供氣管網會出現破壞，供氣功能完全失效。

(2) 根據上述震害預測結果，對城市供氣系統進行抗震加固改造時，建議優先改造鹽湖路和禹都大道，增加管道鋪設，形成環狀網，提高供氣系統整體的抗震性能。