地震作用对长输管道的震害特性分析及建议

史 飞

(郑州大学综合设计研究院，河南郑州 450000)

管道运输是能源输送的主要手段之一。管道在人们生活和现代化的工业生产中占有重要的位置，管道运输在输送水、煤、气、油以及交通、供电、通信等方面得到了广泛的应用，成为工业生产和居民生活的大动脉，被称为生命线工程。油气储运管网是国家基础设施的一大部分。随着对洁净能源需求量的增加，天然气长距离输气干线建设已得到国家的高度重视，长达4 200多千米，跨越8个省市区的“西气东输”工程堪称当今世界级管道工程，该管道工程通过沙漠、戈壁、高原、山地、丘陵、平原及水网等地貌，穿越地区广，地质情况复杂，环境地貌千差万别。西气东输管道工程全线所经场地地震烈度6度区有2 242.1 km，7度区约1 184.5 km，8度区约46 714 km;经过地震断裂带8条13个交叉点，因此有必要对管道在地震作用下的震害特性进行分析，对管道进行抗震设计、管道加固等措施，确保油气管道安全可靠地运行。

1 长输天然气管道系统的特点

长输天然气管道系统通常是以线状形式分布在较广阔的场区，它具有以下特点:途经区跨度大，覆盖面积广，受环境地质条件的影响，各处管道或其他元件所受到的地震强度和地震作用是不同的;具有系统性，系统中的各种功能元件相互作用，构成一个网络系统，共同发挥作用;地下管线是地震易损元件，它不仅在高烈度区发生严重的破坏，在烈度为7度时也可能发生破坏;次生灾害严重，由于管网的破坏，特别是城市燃气管道的破坏，可能导致火灾和爆炸等次生灾害引起人员的伤亡;震后地下管线的破坏位置和状态难以检测。

2 管道本体的震害特性分析

由于长输天然气管道系统很长，分布的范围也很大，途经地区的环境地质条件差异性明显，可能遭遇各种地震作用，如断层地带地区地面的断裂和错动、砂土液化、震陷和震裂、滑坡、地震波动等。

2.1 埋地管线本体破坏的基本类型

在地震作用下，埋地管线本体的破坏形式主要有3种基本类型:1)管道局部变形与悬空，在地震波动作用下，管道随地面的运动和变形而发生运动和变形;其次，由于管道地基可能产生的震陷而使管道产生局部悬空。2)管道断裂，主要表现为管道接口破坏会在管道腐蚀严重的部位、转弯处等产生断裂。3)在三通、弯头、阀门以及管道与地下构筑物连接处的破坏。

2.2 影响埋地管道震害因素分析

1)地震烈度的影响。通过大量的地震灾害调查表明，地震烈度对埋地管道的震害有显著影响。在相同的场地土条件下，平均震害率随着地震烈度的增大而增加。通常情况下，地震烈度在7度以上就有可能对管道造成显著破坏。美国地震学家H.利赫杰指出，多遇地震震害作用下，已锈蚀的管道也可能发生破坏[1]。

2)空间方位的影响。管道对地震作用的反应和破坏的特点取决于管道与地震波传播的方向。在管线走向与地震作用方向平行的情况下管道(首先是地下管道)损坏最大。如果地下管道(甚至大口径)纵轴与地震作用方向垂直，损坏则不明显。如1964年日本新泻地震后，发现土层明显变形，地表出现裂缝，管线与地震作用方向平行的管道中沿环向截面大量断裂。

3)管道埋深的影响。在一般情况下，埋地管道的破坏随埋深的增加而减小，由于地质构成及管道结构的不同，深埋的地下管道可能出现破坏比较严重的情况。采用基本参数的模型，管道埋深分别取1 m，2 m，3 m，4 m进行计算。图1分别为管道埋深为1 m，2 m，3 m，4 m情况下管道最大剪应力和轴向应变图。由图1可看出，当管道埋深为1 m时管道的最大剪应力和轴向应变最小，因此管道在穿越断层时应浅埋[2]。管道埋深较浅时，作用在管道上的土压力、纵向摩擦力就越小，管道在地震作用下就不易发生破坏。

图1 管道埋深对管道应力应变的影响

4)场地条件的影响。埋地管道的震害与管道所处的场地条件有密切关系，在地震行波作用下随土壤介质不均匀程度的提高，埋地管线的轴向应变增大，轴向应力也增大，软土中管的地震反应比硬土中管的反应大。在不同介质的交界面，埋地管道的应变最大，且最大值位于软土一边。地下管道在不同地质地理单元交界处或者在岩土条件变化大、覆盖土层较厚、土质较软的地段容易发生破坏。

5)管道直径。如图2所示，管道动应力随埋地管道管径的增大表现出明显异常的反应。最大轴向应力随埋地管径的增大而逐渐减小，埋地管径的最大弯曲应力随管径的增大却逐渐增加。研究表明埋地管径越大，埋地管道的抗震分析采用圆柱壳模型比地基梁模型更趋于合理[2]。同时增大埋地管道直径可以提高埋地管道的抗震能力。震行波作用下位于非均匀介质中的地下管道的地震反应与管径有关，粗管中产生的轴向应变比细管中产生的轴向应变小，而且得出的管道轴向应变增大系数与管径有关，管径大增大系数就小，反之则大[4]。说明小口径管道易受损坏，这与唐山及海城地震震害调查结果一致。

6)管土摩擦的影响。管—土相互作用在埋地管道破坏中起非常重要的作用，特别是在管道主要受力破坏上，不管是位移还是应力大小方面，管—土摩擦均使研究数值有数量级的变化[2]。增大管—土间摩擦系数，埋地管道的破坏减轻。因此管—土摩擦系数较大时，管—土之间的相互作用就可以降低埋地管道的应力作用。

图2 管道应力与管径D的关系

3 抗震措施及建议

3.1 抗震措施[8]

1)在多数情况下，埋地管道埋置越深，震害破坏几率越小。2)提高埋地管道的延性。3)正确选择埋地管道穿越断层的位置。4)提高埋地管道的壁厚。5)具有较低摩擦系数的砂或砂砾石进行回填。6)选择曲率较大的弯头，以吸收较大的地震能量。

3.2 建议

1)伴随埋地管道安装地震监测系统。地震作用时通过安装在不同地方的地震传感器监测地震动信息，根据地震动频率和加速度检测地震级别，当地震级别超过设定值时，通过系统快速切断与地震传感器相连的阀门。同时通过无线或者网络，将信息传送到中央控制中心。必要时由中央控制中心对各地设备实行远程操作，从而达到减轻埋地管道地震灾害的目的。2)进行管道安全性评价和风险分析。在地震作用下，会给管道造成各种损伤和缺陷，正确评价各种损伤和缺陷对管道强度、寿命以及安全性的影响，对于保障油气管道的安全运行，避免经济损失和对生态环境的破坏，具有非常重要的现实意义。

[1] 郑永来，杨林德.地下结构震害与抗震对策[J].工程抗震，1999(4):23-28.

[2] 朱春生，朱庆杰，贾西法.场地条件对地下管道地震破坏的影响分析[J].岩土力学，2006(S27):8-9.

[3] 黄强兵，彭建兵，杨天亮.埋地管道在地震波作用下的抗震性能分析[J].工程勘察，2004(3):64-67.

[4] 高 海.地下管线抗震分析与实验[J].港工技术，1999(1):27-30.

[5] 肖静萍.地震灾害对输油管道的影响[J].油气储运，1996，15(2):57-62.

[6] 李晓丽.钢制管道地震地质灾害若干问题研究[D].大庆:大庆石油学院，2007.

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[8] 尹力峰，王 坚，高 杰.地下管道的震害特征与研究概述[J].高原地震，2004，16(2):15-17.