震后输水接口渗漏初步研究

王琼 侯宇 陈洪昌 唐晨阳 侯笑焜

摘 要：城市供水管线是一个城市的生命之源，重要性不言而喻。我国的领土位列世界第三，城市更是多不胜数，城市供水管线总长度更是惊人。我国又是一个多发地震的国家，城市供水管线经历地震后会发生严重的破坏，导致灾后救援工作难以开展，所以研究地震对城市供水管线的破坏势在必行。

关键词：输水管线; 接口;位移荷载;破坏形式;破坏机理

众所周知，我国是一个地震多发的国家，大大小小的地震发生过很多[1]。但由于震后防范次生危害的意识不够，导致地震次生危害[2]引发的人员损失和经济危害甚至高于地震所引发的主要危害。国内外以往的遭受地震损坏的管线工程比比皆是，例如1995年1月17日的日本阪神地震，管线修复工作持续了近三个月[3]。又如1996年2月3日我国云南发生的地震，导致丽江供水功能瘫痪[4]。还有1999年9月21日的台湾集集地震，管线造成的经济损失高达9.5亿元[5]。又比如2004年12月26日，印度苏门答腊发生的地震[6]。最后我国在2008年5月12日发生的汶川大地震，导致绵竹市供水管网的80%都有不同程度的损坏[7]。

上述的例子都表明了地震对城市供水管线有着巨大的危害，而城市供水管线[3]又对灾后救援以及灾后重建有着很大的帮助[9]。但由于我国供水管线情况复杂，有使用时间达百年的老式供水管线，也有经过现代工厂生产后新投入使用的新型管线，这也就导致了新旧管线的同时使用，并且这些旧管线以及新管线在投入使用之前并未经过抗震设计及试验，所以在经历地震时不堪一击。所以研究城市供水管线在地震时的破坏情况，对我国日后减少地震对城市的危害有着莫大的好处。

管线在地震中表现出的破坏模式主要为两种：

（1）地震波引起管线结构的震动或摆动：管线和围岩在正常情况下就会承受很大的压应变。而在地震引起的地震波作用下，会发生使管线产生张应变的摆动和使管线产生压应变的振动，兩种应变会交替循环产生，并且这两种应变会在管线和围岩原有的压应变上继续叠加，当应变过大时，管线会发生局部弯曲。

（2）地层错动：由地震引起强大的地层错动会让围岩发生剪切位移，地层错动产生的剪切位移作用范围可达地表，但却限制在活动地层附近内一个较小的区域。这种剪切位移对管线造成的破坏为整体破坏，后果严重。在管线铺设的设计初期，就应该尽量避免管线铺架在该类区域。

在众多震后的分析报告中指出，管线破坏的主要原因便是由管线不同结构产生了相对位移。

1、管线围岩体系反应平衡方程

对管线进行受力形式的分析时，我们用非线性接触模型对围岩沿断层错动造成的管线破坏进行建模。对模型中的管线进行加载时，加载的荷载为刚才提到的错动荷载，模型会把荷载传递到管线上，模型中的管线单元在该荷载作用下会产生新的内力和变形，体系的一个新平衡状态便达成了。新的动力平衡方程如式1

围岩的永久变形是地震时断层错动造成的，地震时造成管线破坏的原因大多如此。所以可以用拟静力方法计算，忽略动力项来计算管线在活动断层作用下的动力反应。根据有限元原理忽略速度项和加速度后，管线结构体系的运动方程可简化为

在围岩的边界施加强制位移荷载 ，这便是围岩与管线的作用过程。对管线与围岩的接触部分做一个不发生变形和位移的可行性假设，利用平衡方程（式2）得出围岩等效荷载分布，并且根据两者的平衡关系来提取两者接触部分的围岩等效荷载值来求出等效管线外的荷载大小。并利用式3求出管线的位移，而管线的最终位移可用迭代求解得出。在计算过程中，利用有限元分析软件的位移荷载功能使该反应分析方法得以实现。

在本文中，采用的管线就是分段管线，也就是连接而成的管线。在地震中对管线进行破坏的主要是轴向应力和位移，但是分段管线还包括接口处的相对位移。经过这么多的地震后分段管线的破坏情况调查结果显示，分段管线的破坏形式大都是接口处的相对位移量大于本身管线材料所允许的位移量导致的破坏。由此可以推断，在地震过程中分段管线的破坏形式主要是由于接口处相对位移过大而引起的。

参考文献：

[1] 胡聿贤主编.《中国地震动参数区划图》 宣贯教材 [M]. 北京：中国标准出版社， 2001. 90 - 95.

[2] 李杰.生命线工程抗震—基础理论与应用[M].北京：科学出版社，2005.

[3] 孙绍平.阪神地震中给水管道震害极其分析.特种结构，1997，14（2）：51-55.

[4] 戚务柏，叶燎原，王亚勇，地下管线震害等级的模糊评定.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.汶川地震震害调查与启示[J].建筑结构学报，2008，29（4）： 10-19.

[8] 韩阳.城市地下管网系统的地震可靠性研究[D].大连：大连理工大学，2002.

[9] 陈伶俐.城市供水管网系统抗震功能可靠性能与优化[D].上海：同济大学，2002.