给水管道抗震

浅谈地震对给水管道的破坏与抗震措施田**

(建筑工程学院，给水排水专业，112班，3100408214)二O—四年五月【摘要】：我国是世界上遭受地震灾害最为频繁的国家之一；给水管道在地震中经常受到严重破坏，造成供水生命线中断，严重威胁到灾区供水安全。本文首先介绍了中国地震背景；接下来介绍了地震对给水管道破坏实例；阐述了地震对给水管道的破坏形式和因素，最后在参考多本行业规范，大量的专业论文等权威资料的基础上归纳出了给水管道的防震施；其中重点阐述了破坏因素和抗震措施。【关键词】地震；给水管道；破坏实例；破坏形式；破坏因素；抗震措施。IntroductiontotheEarthquakeDamagetotheWater

SupplyPipelineandAseismaticMeasuresTianYiwu(Constructionengineeringcollege,Watersupplyanddrainageprofessional,Class112,3100408214)May2014[Abstract]:Chinaistheworld'soneofthemostfrequentearthquakecountry;watersupplypipelineisoftenseverelydamagedintheearthquake,causingwaterlifelinedisruptions,aseriousthreattothesafetyofwatersupplyindisasterareas.ThispaperfirstintroducestheChineseseismicbackground;thenintroducedtheearthquakedamagetowatersupplypipelineexamples;theearthquakeonthepipelineofwatersupplyanddestroyformfactors,refertomanyindustrynormsintheend,basedonalargenumberofprofessionalpapersandauthoritativeinformationonthesumoftheshockproofwatersupplypipelineconstruction;whichfocusesonthedamagefactorsandseismicmeasures.[keywords]:earthquake;watersupplypipeline;destroytheinstance;destructionalforms;damagefactors;aseismaticmeasures.冃IJ言本文的震害分析和抗震措施是在参考了大量权威资料的基础上提出的，所以更系统，更全面。我国2010年颁布的《GB50011-2010建筑抗震设计规范》【】】显示，全国大致有41%的国土、一半以上的城市位于地震基本烈度7度或7度以上地区。地震对给水系统造成破坏威胁了人们的饮用水安全。通过对以往地震灾害对市政管网的破坏进行分析，总结经验教训，提出应对措施，对保障供水安全的重要意义。我国地震背景概况与给水管道防震意义地震又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象【2】。我国位于太平洋地震带和欧亚地震带之间，决定了我国强震多发、震灾严重的基本国情。中国大陆受印度板块北东方向的碰撞和挤压，同时也受到太平洋板块向西偏北方向的俯冲推挤。印度板块的碰撞挤压，导致中国大陆西部强烈隆升，形成了世界屋脊-青藏高原，并伴随强烈的地震活动。受太平洋板块俯冲的间接影响，我国东部的地震活动也较强【3】。中国大陆地震活动呈现以下特点，地震多：平均每年发生5级地震20次。强度大：2000年以来全球仅有的2次大陆8级地震都发生在我国大陆。分布广：我国30个省份发生过6级以上地震。震源浅：对震级相同的地震来说，如果震源越浅，震中距越短，则烈度一般就越高，破坏性越强【3】。2004年7月，在北京召开的第三届大陆地震国际会议上，中国地震局提供的资料显示，全球每年发生约五百万次地震；另据中国地震局的统计结果表明，我国大陆地震占全球大陆地震的三分之一【4】。所以说我国是世界上遭受地震灾害最为频繁的国家之一。地震不仅对地上建筑产生严重的破坏，同时也对地下公用设施如地下供水管网、地下电缆线等造成中断性破坏。被人们形象地称之为生命线工程的供水系统、供气系统、供电系统等工程设施是现代社会生产和人民生活赖以维持的基础性设施，是维系现代城市功能与区域经济功能的基础性工程设施系统。水是生命之源，是地震发生后维持生命的必需品，在人体新陈代谢中，三天不喝水则可能死亡，而且汶川大地震统计结果表明给水系统中遭地震破坏最多的是给水管，危害最大的也是给水管道破坏；因此，通过对以往地震灾害对给水管道破坏分析,总结经验教训,提出应对措施具有十分重要的意义。地震对给水管道的破坏介绍下面介绍了几次典型地震中城市供水管网被破坏实例。1975年我国辽南海城地震时，受到地震影响的的营口市，震后24h内发生36起火灾，城市给水管道受到严重破坏，经过一个多月的抢修才基本恢复正常供水。地震造成营口市150公里长管道发生接口松动、损坏以及管体折断等震害372处，平均震害率达到为2.35处/公里【5】【6】。1976年唐山市发生地震时，唐山市区的地面烈度达到10~11度，城市供水管网处于全部瘫痪状态，配水管网遭到破坏444处，接口拔出及管材断裂点79.6%。震后初期只能取洼坑、鱼塘、游泳池、浴池内积水作为生活饮用水【6】。2008年5月12日发生了8.0级汶川大地震，在震中北川、汉川、青川及什郁和绵竹部分乡镇供水设施严重损毁，爆管频率猛增，供水产销差增大，管网压力急速下降，很多地区供水中断。绵竹市城区80%的供水管网遭到破坏而漏损，漏失水量在50%以上【7】。据统计，地震造成448个乡镇的给水管网严重破坏，重灾区的233个乡镇给水设施破坏更为严重，其中的131个乡镇给水设施全部损毁。强烈的地震造成四川供水受灾人口达1059万人，损坏给水管道8070余公里，毁坏给水厂各类构筑物839个，破坏取水工程1281处，受损水厂156座【8】【9】。从这些震害事例中我们可以看出，城市供水管网抵御地震的能力非常脆弱，地震已成为供水管网破坏的主要因素。同时，某些大地震过后在该地区或其辐射区往往伴有多次余震，对灾区重建的供水管网产生了新一轮的破坏而导致管网漏损，对供水安全造成危害。我国大多数城市人口密度大，城市基础设施差达不到抗震要求，且我国很大一部分地区被划分为地震频发区，遭受着频发地震的危险，这将导致供水管道被地震破坏而影响供水安全【10】。在此背景下对地震对给水管网的破坏形式，破坏因素进行研究，提出防震措施意义重大。地下管道破坏分析管道破坏的主要形式和特征地震对地下管线的破坏主要是由地表变形和地面运动引起的，其破坏形式主要有连接破坏、接口破坏、管体破坏三种。其中，地震烈度、场地地质条件、管道直径及接口形式等是管道工程抗震性能的主要影响因素。在破坏形式中，管体破坏一般是由于地面断裂、滑坡等严重场地震害引起，或由于管体本身缺陷和腐蚀严重等原因造成。管道破坏中，接头破坏最为普遍【11】。影响管道破坏的主要因素1984年，S.K.Dattae】将圆柱壳模型引入无限空间和半无限空间中对管道进行了研究，结果表明：管道铺设过程中的回填土对管道受地震作用的应力有较大影响。1996年，梁建文、孙绍平等【13】提出管道的地质特性甚至比地震烈度影响更具决定性。但在一个特定条件下除外，即地震震源很浅（中国的地震特点之一是震源浅），否则地震波对埋置在均匀介质中的管道不易造成损坏；而对处于不规则场地的液化区和非液化区的交界面、过渡区等区域的管道却极易造成破坏。《汶川特大地震中城镇供水系统地震灾害与抗震救灾调查报告》【9】中统计结果显示。受地震损坏的管道中小管径管道破坏率较高占90%以上；不同管材管道每公里破坏率（处/km）从大到小排列为：钢筋混凝土管，灰口铸铁管、硬聚氯乙烯管、聚乙烯管（PE）、球墨铸铁管、钢管；刚性接口损坏率远大于柔性接口；老化的管道破坏率高。地震对管道的破坏因素可以总结为以下几点：管道震害率随着地震烈度的增加，总体上呈规律性上升趋势【9】；随着土壤液化程度的升高，管道震害率呈总体性上升趋势。震害记录中发现，同一管线在土质较差地段，管道接口破坏严重；而在坚实土质处，破坏较轻【14~16】。柔性接口比刚性接口抗震性能好；大量震害表明，同样条件下，由于柔性接口的管道能吸收较多的场地应变，因此抗震性能好于刚性接口【9】。韧性好的管材比脆性管材有更好的抗震性能，强度高的管材比强度低的管材抗震性能好【16】。管径与管道震害率的关系为随着管径的增大，管道震害率呈逐步下降趋势；因为大口径管道的刚性强，且它与土壤接触的摩擦力大，可抑制周围土壤的变形，故在同等条件下大口径管的抗震性能强【9】。管道的弯头、三通和闸门，以及和构筑物的连接处，由于运动相位不一致，易产生应力集中，造成破坏【16】。其他方面，如管道的设计、施工、使用年限等对管道的破坏也有一定影响。此外，地震中管道方位的不同受破坏亦有差异【16】。地震中（中国）的供水管道破坏程度主要起决于地震烈度，其次为场地条件，而管段的基本属性也起着非常重要的作用。给水管道防震措施【1】【5~10】【15~25】为了应对地震灾害，有这样一个受到大家认同的说法——“与其预报地震不如建好房子”所以说建造合格的管网是最有效的防震措施。4.1抗震设防标准给水管道抗震设计应符合下列国家标准：《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008；《建筑抗震设计规范》GB50011-2010；《建筑抗震鉴定标准》GB50023—2009；《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》GB50032-2003；《室外给水排水工程设施抗震鉴定标准》GBJ43—82。另外对超越规范适用范围的结构，应说明其抗震设计依据，并论证相应抗震措施的可靠性。人员密集的公共服务设施，应当按照高于当地房屋建筑的抗震设防要求进行设计。抗震总目标是：所有建筑均要求达到小震不坏，中震可修，大震不倒的设防目标。汶川地震表明，严格按照现行规范进行设计、施工和使用的建筑，在遭遇比当地设防烈度高一度的地震作用下，没有出现倒塌破坏，有效地保护了人民的生命安全。总的抗震措施科学规划，合理布局。工程场地应选择对抗震有利的地段尽可能避开不利抗震的地段。严格按照国家现行法律、法规、规范进行工程建设。规范设计，规范施工，规范运行，是工程抗震的基本保证。抗震设防城市在建设供水工程前，必须认真收集有关资料，对地质构造、工程地质特征及管线经过的河流、湖泊地带、地面大型建筑物等资料进行考查。对地震多发的地区的供水系统进行抗震分析，优化供水管网，降低震害率。对于如医院、避难所、学校、高层和超高层建筑等人员密集而疏散较困难的场所，消防和供水设施的抗震应加强。保管好设计文件和设备运行文件，以便其他人员能及时了解和掌握、修复系统。4.3管道定线大、中城市的给水主干管应敷设成环状，达不到此要求的，应增建主干管，形成环网，以达到城市供水安全的要求。地下给水干管的埋设位置，应与建筑物，特别是高大建筑物保持适当的水平距离，以免建筑物震塌后废墟将管道埋压，增加抢修工作的困难。给水干管应尽量避免穿越大型的下水道和人防工事，必须穿越时应采取加固措施。以免给水管破坏，水流入防空洞，大量积水，造成洞体损坏，从而又扩大给水管的损坏。管道定线尽可能避开地质断裂带、滑坡、泥石流、小规则场地、土壤易液化区、回填土上或河岸边、海湾、峭岩壁、沼泽、地段淤积土、地壳易下陷断层等不利抗震的地段；应优先选择土质坚实、不易液化的地段，宜布置在均匀土质中。如果不能避免这这些不利情况则应作地基基础处理或管道加固处理，必要时采用混凝土回填，具体情况如下。（1） 当管道和厂站内构筑物靠近河、湖、塘边坡建造时，如地基内存在液化土或软土时，应通过对边坡的抗震滑动稳定验算，做好边坡加固处理。（2） 如在软硬地基交界处，必须考虑不均匀下沉，应设置柔性接头（伸缩接头等）；（3） 当管道必须通过液状化区、河岸边、滑坡弯时，必要时需用桩基，尤其对过河的倒虹吸管道（渠道），桩端应落在硬土层内。（4） 当靠近发震断裂建造时，应避开一定的距离；避开的最小距离，不应小于规范规定的要求；（5）当输水埋地管道不能避开活动断裂带时，应采取下列措施：①管道宜尽量与断裂带正交；②管道应敷设在套筒内，周围填充砂料；③管道及套筒应采用钢管；④断裂带两侧的管道上（距断裂带有一定的距离）应设置紧急关断阀。对管网应根据其运行功能，分区、分段设置阀门，以便按需切断，控制震害；阀门处应设置阀门井。4.4管材，管径，管道接口，管道使用年限。管材1应优先选用球墨铸铁管、钢管、PE管等抗震性能强的管材。下列地段应采用钢管：过河倒虹管或架空管；穿越铁路或主要交通干线及位于地基土为液化土地段的管道；不能避开活动断裂带的埋地给水管道及其套管，钢管采用焊接连接。3管径DNW300宜采用聚乙烯管材（PE管）及管件，热熔或电熔接口；管径DN>300宜采用球墨铸铁管材及管件。当设防烈度为7度、8度且地基土为可液化土地段或设防烈度为9度时，管道干线的附件均应采用球墨铸铁或铸钢材料。采用钢管时，应具备可靠的管内、外及管件的防腐措施；管径防震要求高的地区宜采用大口径管道作干管，大口径管道的刚性强，且它与土壤接触的摩擦力大，可抑制周围土壤的变形，防震性能好。有的地区宜采用小口径管道，如管道小可避免地要铺设在小均匀土质区及场地条件差异较大的交界区。管道接口管道接口用胶圈柔性接口，而不用刚性接口。管道在下列部位应设置柔性接头：地基土质突变处；穿越铁路及其他重要的交通干线两端；过河倒虹管的上部弯头两侧；承插式管道的分支点、转弯（三通、四通、弯头）处、阀门、消火栓、水表井、大于45度的弯头等附件与直线管段连接处；当设防烈度为7度且地基土为可液化地段或设防烈度为8度、9度时，管道与泵房、水池等建筑物连接处；管道穿越墙体或基础为嵌固时的穿越管道上。3直管段上柔性接头间距不超过100m。若管线通过松软地带、液状化地区则建议每30-50m设置一个伸缩接头以增强管线抗拉、抗压能力，沿河、湖、沟坑边缘敷设的承插式给水输水管及配水干管管段，当场地土为III类或场地土为II类但岸坡范围内夹有软弱粘性土层、可液化土层可能产生滑坡时，该管段上不大于20米距离应设有一个柔性接口。不符合要求时，应增设。使用年限城市管网合理使用年限。管道年久失修易受损坏，内壁锈蚀影响水质，抗震性能下降，有必要建立城市管网合理使用年限制度，定期更换，以保障供水安全。4.5结构材料1钢筋混凝土盛水构筑物和地下管道管体的混凝土，不应低于C25。2砌体结构的砖砌体强度等级不应低于MU10，块石砌体的强度等级不应低于MU20；砌筑砂浆应采用水泥砂浆，其强度等级不应低于M7.5。3当设防烈度为7度、8度且地基土为可液化土地段或设防烈度为9度时，管网的阀门井、检查井等附属构筑物不宜采用砌体结构。如采用砌体结构时，砖不应低于MU1O，块石不应低于MU20，砂浆不应低于M1O,并应在砌体内配置水平封闭钢筋，每500mm高度内不应少于2©6。4混合结构的矩形管道应符合下列要求：⑴砌体采用砖不应低于MU10；块石不应低于MU20；砂浆不应低于M10；⑵钢筋混凝土盖板与侧墙应有可靠连接。设防烈度为7度、8度且属III,IV类场地时，预制装配顶盖不得采用梁板系统结构（不含钢筋混凝土槽形板结构）；⑶基础应采用整体底板。当设防烈度为8度且场地为｝III，IV类时，底板应为钢筋混凝土结构。4.6施工1地下直埋承插式圆形管道和矩形管道，在下列部位应设置变形缝：⑴地基土质突变处；⑵穿越铁路及其他重要的交通干线两端；⑶承插式管道的三通、四通、大于45°的弯头等附件与直线管段连接处。2在施工过程中，不宜以屈服强度更高的钢筋替代原设计的受力钢筋；当不能避免时，应按钢筋强度设计值相等的原则换算，并应满足正常使用极限状态和抗震要求的构造措施规定。3毗连构筑物及与构筑物连接的管道，当坐落在回填土上时，回填土应严格分层压实，其压实密度应达到该回填土料最大压实密度的95%~97%。4混凝土构筑物和现浇混凝土管道的施工缝处，应严格剔除浮浆、冲洗干净,先铺水泥浆后再进行二次浇注，不得在施工缝处铺设任何非胶结材料。5为防止设备及管道移位、倾倒、掉落损坏，设备和管道的抗震支吊架应与建筑主体结构牢固相连（可用埋件、膨胀螺栓，不用射钉）不应设在填充墙上。4.7其他1管网上的阀门宜设置阀门井，管径大于75毫米的阀门应建有阀门井。凡采用闸罐做法的应予改建。架空管道的支座上，应设置侧向挡板。附件支墩的设计应符合该处设置柔性连接的受力条件。在管道变向地区必须实施支墩加固措施，必要时加设柔性防脱接口。在管件上不得有水平或垂直的突然拐弯，因地震时不连续点容易产生复杂应力。7消火栓及管径大于75毫米的阀门邻近有危险建筑物(指缺乏抗震能力又无加固价值的建筑物)时，应调整阀门及消火栓的设置部位。阀门及消火栓应设置在便于应急使用的部位。震中可降低管网控制压力，保护管网；加强管网巡查，及时排除隐患。9建立健全数据采集和监控系统(SCADA)，地震中管网多处破损且余震不断，人工监控效率低，危险性大，故用SCADA系统代替人工。总结抗震措施就是抵抗地震的外力作用可形象的归纳为：“以柔克刚”，采用柔性接口柔性材料吸收场地应变；“以硬碰硬”，采用强度高的材料抵抗外力；“管地合一”管道埋在均匀稳固的地基上(回填混凝土等)，地震时管道随着地基一起同步运动，可使管道受力均匀减少破坏。供水是关乎社会稳定的问题，供水系统在震后仍要具备供水功能，或者可以迅速将这些功能恢复。作为一个给排水人在设计、施工、使用给水系统时必须综合考虑各种因素，特别是地震等极具毁灭性的灾害因素的影响，必须要严格按照现行规范进行设计、施工和使用给排水系统以保证人民的生命安全。参考文献GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].2010.百度百科中国地震信息网中国地震局网唐山市自来水公司•唐山城市供水的抗震措施和防震建议[J].给水排水,1977(2):1-3孔庆进.地震对城市供水管网的破坏和防震措施[J].管道技术与设备.1995(6):17-18卢金锁，黄廷林等.汶川地震对城市给水系统设计及应急启迪[J].给水排水,2008，。1。34(8)：42-45熊易华，罗万申，陈沟.汶川“5.12”地震给排水设施震损情况与启示[J].给水排水.200935(10)：21-24.中国城镇供水排水协会科技委管道技术部等.汶川特大地震中城镇供水系统地震灾害与抗震救灾调查报告[M].同济大学出版社.2013卫书麟，李杰，刘威等•沈阳市主干供水管网系统抗震可靠性优化[J].世界地震工程.2008(01)：17-22。WangLRL.Seismiccountermeasuresforburiedpipelines.ProceedingsofConferenceonPipelineInfrastructure，AmericanSocietyofCivilEngineers，USA，1988DattaSK,WongKC.Dynamicstressesanddisplacementsinburiedpipe[J].JournalofEngineeringMechanics.1984,110:1451.SunLJ