埋地燃氣管網(wǎng)地震破壞及抗震減災(zāi)措施研究

摘 要

摘要：對燃氣管網(wǎng)的地震破壞機理和形式以及影響燃氣管網(wǎng)地震破壞的因素進行了分析，探討了燃氣管網(wǎng)的震害風(fēng)險評價，提出了燃氣管網(wǎng)的抗震措施及減災(zāi)的技術(shù)措施和管理措施。關(guān)鍵詞
摘要：對燃氣管網(wǎng)的地震破壞機理和形式以及影響燃氣管網(wǎng)地震破壞的因素進行了分析，探討了燃氣管網(wǎng)的震害風(fēng)險評價，提出了燃氣管網(wǎng)的抗震措施及減災(zāi)的技術(shù)措施和管理措施。
關(guān)鍵詞：燃氣管網(wǎng)；地震破壞；抗震減災(zāi)；震害風(fēng)險評價
Study on Earthquake Damage and Earthquake.resistance and Disaster Reduction Measures for Buried Gas Network
ZHAO Xintao，CHENG Guihai
Abstract：The mechanism and forms of earthquake damage to gas network and the factors affecting earthquake damage to gas network are analyzed.The earthquake disaster risk assessment of gas network is discussed.Earthquake-resistance and disaster reduction measures for gas network are proposed in terms of technologies and management.
Key words：gas network；earthquake damage；earthquake-resistance and disaster reduction：earthquake disaster risk assessment
1 地震對燃氣管網(wǎng)的破壞
1.1 燃氣管網(wǎng)的地震破壞機理和破壞形式
    埋地管網(wǎng)在地震作用下易發(fā)生破壞[1～3]，其破壞機理分為兩種情況：一是地震時土壤結(jié)構(gòu)嚴重破壞，失去整體性和連續(xù)性而導(dǎo)致管網(wǎng)破壞，比如：山崩、地裂、斷層錯動、岸坡滑動和砂土液化等；二是地震波在土壤中傳播，引起土壤變形，夾裹管網(wǎng)產(chǎn)生過大變形而破壞，這時土壤并未失去整體性和連續(xù)性。針對第一種情況，在規(guī)劃、工程選線時應(yīng)盡可能避開這些場地，否則應(yīng)從管道結(jié)構(gòu)上采取必要的抗震措施；對于后一種情況，因其涉及面較廣，是不可避免的，因此是研究的重點。大量調(diào)查表明，對埋地管網(wǎng)破壞最嚴重的是斷層引起的地表斷裂，其次是砂土液化和不均勻沉降，然后是強地面運動引起的管網(wǎng)破壞，后者也是最常見的。
    燃氣管網(wǎng)在地震后的破壞形式主要表現(xiàn)為：接口破壞、管體破壞、管道附件以及管道與其他地下結(jié)構(gòu)連接處破壞[4]。由相關(guān)研究可知，燃氣管道的地震應(yīng)力和應(yīng)變一般小于管材極限強度和應(yīng)變，因此管道本身破壞概率較小，破壞主要集中在接口位置。接口破壞包括：三通、彎頭或承接口壓扁、開裂、拉脫、法蘭漏氣、折斷等，管道破壞一般呈管身彎曲、破裂、折斷等形式。
    由于震后用氣量減少而泄漏量增加，因此依靠管網(wǎng)壓力和流量判斷管網(wǎng)受損情況難度較大。在管網(wǎng)狀況和地基土一定的條件下，可根據(jù)地震動強度初步判斷各個區(qū)域內(nèi)燃氣管網(wǎng)的破壞情況，常用的分析參數(shù)包括地震動峰值速度、地震動峰值加速度、永久地面變形和波譜強度等[5]。
    燃氣管網(wǎng)破壞的密集程度可用管網(wǎng)的震害率表示，震害率用下式計算：
 
式中η——震害率，處/km
    n——在調(diào)查距離內(nèi)的管網(wǎng)破壞處數(shù)量，處
    d——凋查距離，km
   地震烈度越大，震害率越大，震害率還和管材、管徑、壁厚、接口類型、地基土類別等有關(guān)。
1.2 影響燃氣管網(wǎng)地震破壞的因素
   依據(jù)相關(guān)理論研究，并通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計和災(zāi)后損失情況調(diào)查，可知地震對燃氣管網(wǎng)的破壞作用主要受以下因素的影響：地震動強度、場地類別、管道口徑和壁厚、管材、接口形式、管道服役年限及腐蝕情況、管內(nèi)氣壓。
   ① 地震動強度。距離震中越近或地震震級越大，則地震動強度越大，那么管網(wǎng)的破壞也就越嚴重。
   ② 場地類別。管網(wǎng)破壞易發(fā)生在不同地質(zhì)、地形單元交界處或巖土條件變化比較大、覆蓋層厚、土軟的地段。根據(jù)筆者進行管道在地震作用下的動力響應(yīng)研究可知，管道的破壞一般與周圍土體變形密切相關(guān)，埋在基巖里的管道破壞概率很小，埋在粗顆粒土體中的管道破壞一般，而埋在細顆粒土體(如黏土、淤泥等軟地基)中的管道破壞比較嚴重。
   ③ 管道口徑和壁厚。管道截面積大則破壞概率小，剛度大可有效抑制管道和周圍土體的變形，大口徑或壁厚大的管道截面積和剛度都大，其破壞率明顯小于小口徑或薄壁的管道。
   ④ 管材。延展性好、強度高的管材抗震性能好，鋼質(zhì)管道抗震性能明顯強于鑄鐵管，采用熱熔連接的聚乙烯管和室內(nèi)銅管也表現(xiàn)出了良好的抗震性能，因此，大力發(fā)展聚乙烯管道是頗有前途的。
   ⑤ 接口形式。柔性接口的抗震性能明顯好于剛性接口，例如：橡膠圈柔性接口管道的抗震性能好于剛性接口，焊接和機械接口好于螺紋接口。
   ⑥ 管道服役年限及腐蝕情況。管道服役年限越長，其強度和延展性就越差，管道越易遭到破壞。如果管道腐蝕比較嚴重，壁厚就會有明顯減小，管道的地震應(yīng)力就會增大，從而導(dǎo)致管體發(fā)生破壞的概率增大。
   ⑦ 管內(nèi)氣壓。管道內(nèi)的氣壓對破壞也有顯著影響，低壓管道破壞概率相對于廠站設(shè)備和高、中壓管道要大得多。由文獻[6]計算結(jié)果可知，這是由于隨著管道內(nèi)氣壓的升高，由地震引起的管道應(yīng)變下降，管道應(yīng)力也隨之下降，管道破壞概率降低，抗震性能增加，因此，高氣壓可以增加管道抗地震破壞能力。
    在以上因素中，屬于外在因素的有地震動強度和場地類別，由黃強兵等[2]和筆者的理論研究可知這兩個因素是影響管道破壞的主要因素，其中場地類別可以人為控制。管道口徑和壁厚、管材、接口形式、管道服役年限及腐蝕情況、管內(nèi)氣壓這5個因素屬于內(nèi)在因素，在制定抗震措施時應(yīng)主要考慮。
1.3 震后燃氣管網(wǎng)搶險的復(fù)雜性
    震后城市各生命線系統(tǒng)相互影響，對燃氣管網(wǎng)搶險工作的開展有一定阻礙作用。如供電系統(tǒng)失效引起燃氣控制系統(tǒng)斷電失效、照明中斷；供水系統(tǒng)失效導(dǎo)致泄漏的水灌入失效燃氣管道，消防用水緊張，水壓不足，發(fā)電機組缺少冷卻水；交通系統(tǒng)癱瘓導(dǎo)致人員、機械無法高效輸送，燃氣公司通往各站點的道路中斷，通往火災(zāi)現(xiàn)場的道路中斷；通信系統(tǒng)失效導(dǎo)致信息傳遞和通信不便，燃氣公司與用戶之間的聯(lián)系被切斷；余震也給搶修工作帶來麻煩，震后多處險情并發(fā)，指揮中心往往負荷較重，人員設(shè)備緊缺，影響到抗震減災(zāi)工作的正常進行。震后情景模式的預(yù)測若僅僅考慮燃氣供應(yīng)系統(tǒng)本身，結(jié)果會將震后情況簡單化，不利于震后救災(zāi)工作的安排與實施。
2 燃氣管網(wǎng)震害風(fēng)險評價
    為了既保障地震后城市燃氣系統(tǒng)基本處于安全狀態(tài)，又能使投資的成本收益達到最大化，我們需要開展震害風(fēng)險評價。在進行震害風(fēng)險評價時需要對城市空間進行網(wǎng)絡(luò)劃分，城市空間網(wǎng)絡(luò)劃分可通過GIS綜合信息系統(tǒng)和地震強度空間分布預(yù)測系統(tǒng)來實現(xiàn)。
    災(zāi)害的風(fēng)險可用下式表示[7]：
 
式中F——風(fēng)險
    W——危險性
    S——易損性
    Z——防災(zāi)減災(zāi)能力
    城市燃氣管網(wǎng)震害風(fēng)險評價涉及到場地類別、地震強度、燃氣管網(wǎng)參數(shù)與抗震性能、抗震減災(zāi)措施和GIS信息系統(tǒng)等方面，其典型流程見圖1[8]。
 

    由圖1可知，燃氣管網(wǎng)震害風(fēng)險評價流程分為以下4個步驟：
   ① 先把燃氣管網(wǎng)抗震性能輸入燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)，然后將場地類型數(shù)據(jù)、燃氣用戶數(shù)據(jù)和燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入GIS綜合信息系統(tǒng)，再通過城市地震災(zāi)害數(shù)據(jù)庫對地震發(fā)生的概率性(或確定性)進行預(yù)測，然后將預(yù)測結(jié)果輸入地震強度空間分布預(yù)測系統(tǒng)，再將GIS綜合信息系統(tǒng)與地震強度空間分布預(yù)測系統(tǒng)進行系統(tǒng)復(fù)合分析，得到燃氣管網(wǎng)震害，進而得出直接、間接經(jīng)濟損失。
    ② 通過燃氣管網(wǎng)抗震性能對待評估的抗震減災(zāi)措施進行評估，得出降低損失及實施成本。
    ③ 通過步驟①得到的直接、間接經(jīng)濟損失和步驟②得到的降低損失分析可實現(xiàn)的減災(zāi)效益，然后運用可實現(xiàn)的減災(zāi)效益與步驟②得出的實施成本進行成本效益分析與方案選擇。
    ④ 通過步驟③得出的成本效益分析與方案選擇來實施選定方案，然后控制系統(tǒng)其他風(fēng)險。
    震害風(fēng)險評價的主要目的是在保障震后城市燃氣系統(tǒng)基本處于安全狀態(tài)的基礎(chǔ)上，使投資的成本收益達到最大化。通過對所采取的不同抗震防災(zāi)措施安全性和經(jīng)濟性的定量評價，有針對性地作出決策。在資源有限時，將主要資金和精力投入到最薄弱環(huán)節(jié)，防止短板效應(yīng)的出現(xiàn)。風(fēng)險評價的實踐經(jīng)驗表明，制定合理的震后應(yīng)急反應(yīng)預(yù)案的成本效益較好。燃氣公司可根據(jù)實際情況進行決策，既要保證系統(tǒng)的安全性，也要避免過量的投資。
3 埋地燃氣管網(wǎng)抗震及減災(zāi)措施
3.1 埋地燃氣管網(wǎng)抗震措施
    ① 增加場地地基土強度
    地基土類別對管網(wǎng)抗震性能具有很大的影響，堅硬地基中的管道變形小、應(yīng)力小，具有較好抗震性能；軟弱地基中的管道變形大、應(yīng)力大，抗震性能差。
    在敷設(shè)管網(wǎng)時應(yīng)避開軟弱地基[8]，如：飽和砂土、人工填土、松弛的細砂地基、具有較高地下水位的細砂地基等，要選擇堅硬的場地，如：基巖、堅實的碎石、硬黏土等。避開地質(zhì)構(gòu)造上的斷層帶，且不應(yīng)平行于斷層可能變形最大的走向。當穿越斷層時，應(yīng)斜交以減少管道的剪切變形。應(yīng)選擇地勢平坦開闊的場地，避開陡坡峽谷、孤立的山丘等地質(zhì)構(gòu)造不連續(xù)的地方。
    當管網(wǎng)埋在易液化的場地時[9]，管網(wǎng)應(yīng)盡量淺埋，且用疏松、較輕容重的土回填，以減小土的彈性常數(shù)，進而減小管道應(yīng)力。在可能的條件下，可采用將管網(wǎng)自由放置于支撐墩上的地上敷設(shè)方式，若不能放置于地上，可將管網(wǎng)自由放于砌筑的管溝內(nèi)，溝頂用混凝土預(yù)制板鋪蓋，再回填松土。
    對于軟弱地基，可通過強夯、做混凝土基礎(chǔ)或打樁基礎(chǔ)等措施來增大地基的承載能力，從而提高地基土體類別，使管網(wǎng)具有較好的抗震性能。
    ② 調(diào)整管道內(nèi)在因素
    管體在地震時不會輕易被破壞，但鋼管和鑄鐵管容易銹蝕，因此應(yīng)加強防腐措施，并對管道定期檢查、及時更新。鋼管的薄弱環(huán)節(jié)在于焊縫處，鑄鐵管的薄弱環(huán)節(jié)在于接口處，對焊縫處應(yīng)加強防腐處理，并定期檢查，接口應(yīng)采用柔性抗震接口。從抗震角度來看，耐腐蝕、延展性好的聚乙烯管道頗有前途，因此應(yīng)大力發(fā)展聚乙烯燃氣管道。應(yīng)盡量采用大外徑管道，定期對管道的有效壁厚進行檢查，有效壁厚達不到設(shè)計要求的，必須及時修補或更換。對于服役年限長達數(shù)十年的管道，應(yīng)進行更換。對于地震多發(fā)區(qū)的服役年限較長的中低壓管道，應(yīng)制定可行的更換計劃。
3.2 埋地燃氣管網(wǎng)減災(zāi)技術(shù)措施
    ① 震時自動切斷系統(tǒng)和震后管網(wǎng)故障排查
    地震后震害比較嚴重的區(qū)域，管網(wǎng)破壞程度和震害率均較大，燃氣將大量泄漏，如不能及時切斷該區(qū)域的燃氣供應(yīng)，將會產(chǎn)生重大次生災(zāi)害。由于燃氣管網(wǎng)覆蓋面較廣，地震時人群情緒恐慌，震后又常常面臨大面積交通癱瘓、通信中斷、人員短缺等問題，因此靠人工切斷燃氣供應(yīng)是比較困難的，而建立震時燃氣自動切斷系統(tǒng)才是最合理的解決方案。
   震時燃氣自動切斷系統(tǒng)按照安裝地點可分為3種情況：a.用戶端或樓棟前管網(wǎng)的自動切斷系統(tǒng)可通過安裝具有感震功能的智能燃氣表實現(xiàn)，這部分量大、成本高，但效果好。b.對具有高、中、低壓力級制的管網(wǎng)系統(tǒng)，一般在中-低壓區(qū)域調(diào)壓站內(nèi)安裝地震強度傳感器來控制低壓管網(wǎng)緊急切斷閥的自動關(guān)閉，雖然區(qū)域調(diào)壓站相對量少，但是一旦切斷可確保一個區(qū)域的安全，可操作性強。c.對于主干管道和相應(yīng)燃氣設(shè)施的切斷，則由遠程控制系統(tǒng)根據(jù)震害情況實施，此外各燃氣廠站、居民小區(qū)、大型公共建筑物以及學(xué)校醫(yī)院等重要部門，也應(yīng)裝設(shè)自動或遙控切斷系統(tǒng)防止燃氣大規(guī)模泄漏。
    主干管道應(yīng)能檢測到燃氣的大量泄漏，在管道破裂或斷裂時能自動關(guān)閉切斷閥，減少燃氣泄漏，對不能實現(xiàn)自動或遙控切斷的受損管段應(yīng)由巡查人員手動切斷。在緊急情況下，可通過遠程控制系統(tǒng)開啟放散管排空管道內(nèi)氣體。必須注意的是，切斷燃氣的決策應(yīng)在充分考慮地震規(guī)模、抗震條件、管網(wǎng)受損狀況、搶修能力、對險情判斷準確的基礎(chǔ)上進行，否則由于恢復(fù)供氣的流程復(fù)雜，耗時較長，可能造成一定的被動局面。
   震后應(yīng)加強對城市燃氣管網(wǎng)設(shè)施的監(jiān)控和巡查，密切注視主干管道的壓力變化，及時全面地掌握供氣系統(tǒng)的失效受損和泄漏情況。在大量用戶關(guān)停的情況下，要注意監(jiān)視燃氣管網(wǎng)的壓力變化，防止長輸管道及市內(nèi)輸配管網(wǎng)的超壓爆管。如：汶川地震后8h，輸氣干線北干線末點、威青線起點的青白江站的管道壓力逼近最高節(jié)點控制壓力2.5MPa，爆管隨時可能發(fā)生[10]。對于可能存在安全隱患的供氣區(qū)域，應(yīng)采取降低壓力、增投加臭劑等措施，最大限度地保證供氣安全。對有明顯壓力降的管道，安排專業(yè)的搶修人員和必要的探測搶修設(shè)備，根據(jù)各管段用戶的重要性及恢復(fù)重建的速度和成本，確定優(yōu)先搶修次序。對受損管段進行排查和修復(fù)，特別是地表發(fā)生永久變形的區(qū)域和有群眾報險的區(qū)域，應(yīng)重點巡查。
   ② 震后恢復(fù)供氣
   地震對城市功能的破壞影響往往是區(qū)域性的，根據(jù)實際情況，震后部分城區(qū)需要及時恢復(fù)供氣，部分城區(qū)需要停氣檢修。依據(jù)調(diào)壓站的布局，可以將整個供氣區(qū)域劃分為若干個子區(qū)域，使各子區(qū)域供氣不受其他區(qū)域影響。子區(qū)域的劃分應(yīng)考慮到燃氣管網(wǎng)的分布狀況、場地條件和燃氣公司的應(yīng)急搶修能力等因素。在區(qū)域邊界處裝設(shè)手動或自動切斷閥。子區(qū)域的大小可依據(jù)實際情況確定，以保證因地震導(dǎo)致的局部影響最小為原則，即地震發(fā)生時根據(jù)管網(wǎng)受損情況適時切斷相應(yīng)子區(qū)域的供氣，能在防止二次災(zāi)害發(fā)生的前提下盡量減小停氣范圍，同時燃氣管網(wǎng)應(yīng)盡可能連成環(huán)狀，以減小局部管道失效的影響。停氣區(qū)域內(nèi)居民對燃氣的需求，可通過臨時提供瓶裝LPG、灶具、便攜式LPG發(fā)電(或熱電聯(lián)供)機組的方式解決，LPG可通過槽車運輸。盡可能對集中居民安置點提供臨時管道供氣，特別是保障醫(yī)院、學(xué)校、抗震搶險部門等重要公共服務(wù)部門的供氣。
    停止供氣后的恢復(fù)供氣工作是分區(qū)域進行的，一般應(yīng)在查明管網(wǎng)受損、道路房屋損壞、設(shè)備材料調(diào)撥等狀況的基礎(chǔ)上，從受害較輕、修復(fù)時間較短、重要性較高的區(qū)域開始恢復(fù)供氣?；謴?fù)應(yīng)遵循從高壓管道、中壓管道、低壓管道到用戶端的順序，逐一排查檢修和試壓，在確定整個供氣區(qū)域內(nèi)無異常情況和安全隱患后，方可恢復(fù)供氣。
    ③ 實時地震監(jiān)測與震害信息分析系統(tǒng)
    地震發(fā)生后，應(yīng)急指揮人員必須在最短時間內(nèi)了解震害的地理分布和嚴重程度，有效地組織減災(zāi)工作，確定能否繼續(xù)正常供氣或恢復(fù)供氣。由于燃氣管網(wǎng)的覆蓋區(qū)域較大，震后各種情況錯綜復(fù)雜，條件惡劣，震害情況很難在第一時間內(nèi)獲得，因此建立實時地震監(jiān)測和震害信息分析系統(tǒng)是非常有必要的。
    實時地震監(jiān)測與震害信息分析系統(tǒng)成功的例子是：日本東京煤氣公司開發(fā)的超密集實時地震監(jiān)測系統(tǒng)SUPREME[11～12]。(Super-dense Real-time Monitonng of Earthquake)，這是一個典型的實時地震監(jiān)測與震害信息分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括3800個波譜強度傳感器，5臺基巖地震儀和20臺場地液化傳感器，能在震后迅速將各區(qū)域的地震強度、管段流量、壓力、切斷閥動作情況等信息通過公用數(shù)據(jù)專線和無線電系統(tǒng)向指揮中心傳遞。系統(tǒng)中儲存了各子區(qū)域的土壤類型、場地特性、管網(wǎng)參數(shù)和用戶分布等數(shù)據(jù)，SUPREME系統(tǒng)通過與GIS系統(tǒng)復(fù)合，可迅速估算出各供氣區(qū)域管網(wǎng)的受損狀況，為抗震決策提供依據(jù)。
    在1995年阪神地震和2004年新溺地震中，此類系統(tǒng)起到了明顯的減災(zāi)作用，引起了世界各國專家的重視。如果沒有地震實時監(jiān)測系統(tǒng)，就要通過現(xiàn)場巡查和搶險人員利用便攜式通信設(shè)備、影像設(shè)備和定位設(shè)備，以無線傳輸?shù)姆绞綄⒐芫W(wǎng)受損信息返回應(yīng)急指揮中心。對于低壓管道和用戶端燃氣設(shè)施，由于其破壞概率相對較高且分布區(qū)域較廣，而專業(yè)人員數(shù)量有限，這時就需要通過群眾報告來獲取震害信息，因此應(yīng)保障燃氣搶險熱線的暢通和及時處理。將獲取的震害信息導(dǎo)入GIS系統(tǒng)[13～14]和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為及時決策提供有效信息。由此看來，沒有實時地震監(jiān)測系統(tǒng)，不僅需要大量人力、物力和時間，而且還會遺漏信息和延誤信息分析處理進程，進而延誤搶險工作進度，不利于減災(zāi)。
3.3 燃氣管網(wǎng)減災(zāi)管理措施——應(yīng)急預(yù)案制定
    地震災(zāi)害的不確定性較強，即使是最好的抗震措施也有可能面對罕見烈度地震的威脅，因此做好應(yīng)急預(yù)案顯得尤為重要。燃氣企業(yè)應(yīng)加強抗震防災(zāi)的意識，結(jié)合企業(yè)建設(shè)和發(fā)展的實際情況，根據(jù)震害預(yù)估的結(jié)果，制定合理可行的多級抗震防災(zāi)應(yīng)急預(yù)案[15～18]。同時應(yīng)考慮重大災(zāi)難緊急處置的法制化，保證燃氣事故的應(yīng)急處理能夠在震時獲得較高的優(yōu)先權(quán)，適當簡化搶險中的各種行政審批手續(xù)，以免延誤抗震減災(zāi)工作的及時進行。應(yīng)和燃氣用戶合作，即通過傳單、告示、電視、廣播、宣傳車、手機短信等媒體平臺向用戶宣傳燃氣安全處置方式。
    在假設(shè)的地震震級下，利用城市燃氣管網(wǎng)震害模擬仿真系統(tǒng)對地震的動參數(shù)進行模擬計算，然后結(jié)合GIS系統(tǒng)中的場地性質(zhì)、管網(wǎng)參數(shù)等數(shù)據(jù)，分區(qū)域計算管網(wǎng)破壞情況及由此導(dǎo)致的震害損失，找出易受震害區(qū)域和最危險區(qū)域，為制定工程計劃和應(yīng)急處置預(yù)案提供科學(xué)依據(jù)。
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(本文作者：趙新濤1 程貴海2 1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400045；2.廣西大學(xué) 資源與冶金學(xué)院 廣西南寧 530004)