运城市中心城区供气系统震害预测研究

李奋勇，韩晓飞，薛晓东，曾金艳，董 斌

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

生命线工程系统的定义是上世纪70年代由美国UCLA(加利福尼亚大学洛杉矶分校)的C.M.Duke提出来的。生命线系统通常认为包括能源系统、供排水系统、运输系统和通信系统等[1-3]。城市现代化发展的需求,供气工程系统已成为重要的生命线工程，是保障城市正常运行的一个重要环节。

此次研究在山西压缩天然气集团运城有限公司、运城市经纬燃气有限公司和山西民生天然气有限公司协助下，完成运城市城区供气系统的数据调查和收集，为供气系统的地震灾害预测提供基础。在收集数据的基础上，根据《地震灾害预测及其信息管理系统技术规范》(GB/T19428—2014)要求，参考相关供气行业规范和供气系统现有的抗震研究成果，对运城市城区供气系统开展地震易损性分析[4-7]。

1 供气系统概述

运城市压缩天然气的输送由山西压缩天然气集团运城有限公司负责，主城区的燃气供应主要由运城市经纬燃气有限公司和山西民生天然气有限公司负责。运城市压缩天然气输送示意图如图1所示，供气系统主要门站和设备现状如第7页表1、图2所示。

2 供气系统震害预测

供气系统中的枢纽建筑物包括燃气公司主办公楼和门站的控制楼，其地震易损性按照建筑物的分析方法进行，管网的则按照震害率计算的方法进行分析。

图1 运城市压缩天然气输送示意图Fig.1 Schematic diagram of compressed natural gas transportation in Yuncheng City

2.1 供气系统建筑物易损性分析

利用运城市中心城区小区划数据和地震危险性分析结果，综合考虑城市地震危险性评估中的不确定性，以结构基本类作为城市建筑群模型，考虑地震动不确定性对建筑群地震易损性的影响，建立同时考虑地震危险性和地震易损性不确定性的地震风险评估模型，最终给出供气系统建筑物结构基本类不同极限破坏状态的年平均超越概率和50年内地震风险概率。由于供气门站建筑物通常为低矮的砖混建筑物或简易板房，地震中受损时对管线造成的破坏预计很轻微，故不详细论述。

表1 供气系统主要门站信息统计表Table 1 Statistical table of main gate station information of gas supply system

图2 运城供气系统主要门站设备示意图Fig.2 Schematic diagram of the main gate station equipment of the Yuncheng gas supply system

2.2 供气管网易损性分析

管线在地震中遭破坏的形式基本有以下几种：管道变形、弯曲、屈曲；接口松动、拨出；焊缝开裂、管道破损、断裂等。影响管道破坏的因素是多方面的，除了地震动的强烈程度外，还与管线所在的场地类型，管线通过地区是否有活动断层、液化、沉陷、滑坡，管道的材料、接口方式、敷设方式以及管道的直径等因素有关。其中，场地地面变形、震陷、断裂和滑坡是造成埋地管道破坏的最重要因素。当然，管道本身的物理、力学性质及腐蚀也是不容忽视的影响因素。

供气系统是覆盖很大区域的网络系统，为了进行供气系统的震害预测分析，需要将复杂的供气网络系统简化成由节点和链路组成的网络模型。文章采用震害率计算的方法来评估供气管网的地震易损性。管道震害率是指每10 km长度的管道中发生破坏的处数。

管道震害率经验统计模型采用地震烈度作为地震动强度参数，主要是建立单位长度内管道的平均破坏率与影响因素之间的经验函数关系，并用历史震害资料综合统计给出这类函数中的经验系数，从而计算管道的震害率。管道震害率模型需要考虑管道的材质、接口形式以及施工质量、铺设年代等的影响，可以通过统计得到的修正系数对模型的计算结果进行修正。

运城市燃气管网为中压管网，管径主要在110～300 mm之间，管材为PE，燃气压力约为0.3～0.6 MPa。根据管道统计震害率，计算不同材质管道在不同地震烈度输入下的破坏处数，进而汇总得到整个管网在不同地震烈度下总的破坏处数。根据管网分布，按照长度百分比加权求解每个管段上的破坏处数，参照表2、第8页表3震害等级的划分标准(参考《运城市中心城区震害预测项目生命线工程地震灾害预测专题报告2供水系统震害预测》)(1)李奋勇，曾金艳，韩晓飞，等.运城市中心城区震害预测报告，2018.，确定所预测的管网系统在不同地震烈度下的震害等级。

表2 管道震害率统计表(处/10 km)Table 2 Statistical Table of Seismic Damage Rate of Pipeline (Location/10 km)

表3 管道平均震害率统计表(处/10 km)Table 3 Statistical Table of Average Seismic Damage Rate of Pipeline (Location/10 km)

按照上述方法，利用编制的计算程序，对运城市城区供气干网内的管道进行地震易损性分析计算，不同材质管道的地震破坏处数根据管道的材质、接口形式和铺设年代的不同，进行统计汇总后得到供气门站和加压站的易损性分析结果(见表4)。在X度烈度下的震害如图3所示，供气系统在X度下出现破坏管段，造成的失效范围如第9页图4所示。

3 结语

对运城市中心城区供气系统的震害预测分析结果表明，不同地震烈度影响也不同。

表4 燃气门站加压站震害分析结果Table 4 Results of seismic damage analysis of gas gate station pressure station

图3 Ⅹ度下供气系统震害图Fig.3 Earthquake damage diagram of the air supply system under X degree

图4 Ⅹ度下供气系统功能失效区分布图Fig.4 Distribution of functional failure zone of gas supply system under X degree

(1) 整个供气系统的抗震性能较好，在地震烈度Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度影响下，供气主干网大部分基本完好或轻微破坏，供气功能基本正常；在地震烈度Ⅸ影响下，盐湖大道、禹都路部分地段管段出现破坏，会影响较大面积的供气；在地震烈度Ⅹ度影响下，中心城区大面积供气管网会出现破坏，供气功能完全失效。

(2) 根据上述震害预测结果，对城市供气系统进行抗震加固改造时，建议优先改造盐湖路和禹都大道，增加管道铺设，形成环状网，提高供气系统整体的抗震性能。