地震学报
主办单位:中国科学技术协会
国际刊号:0253-3782
国内刊号:11-2021/P
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供水管网地震理论研究综述_水利工程

  论文导读::本文通过对国内外供水管网的地震理论研究进展分别进行综述,展示了抗震理论的新发展,同时指出了现状研究的一些不足之处和未来研究方向建议。

  论文关键词:供水管网,地震理论,综述

  地震是对于人类文明有着极大威胁的一种自然灾害,地震发生后人类的生命财产都会遭受严重损坏,供水管网系统也不例外,本文拟就关于供水管网地震理论的研究进展从国内外的角度进行综述,为进行管网抗震理论的发展提供有益参考。

  1国内研究进展

  我国古代人民关于地震的最早文字记录可以追溯到殷商时期帝乙三年的《竹书纪年》,距今约3000多年[[1]],其中记录的最早的一次地震是公元前1831年夏朝发生的一次地震,距今已有3800多年,这也是世界上对于地震的最早的文字记录,而地震研究则可追溯至到公元132年东汉时期张衡制作的候风地动仪,古代文献描述其“以精铜铸成,圆径八尺,形似酒樽,外有八龙,首衔铜丸水利工程论文,下有蟾蜍张口承之,如有地动,而蟾蜍衔之”[[2]],因此可以及时监测地震,候风地动仪也是世界上最早的地震监测仪器,因而被称为地震监测仪器的鼻祖。

  国内对于地震的探究,尤其是对于供水管网的地震损失研究,从1976年的唐山地震后开始。刘恢先等人对于唐山地震造成的供水系统的构筑物(如水塔、泵房)、管网等进行了统计和分析[[3]],并率先提出了“小震不坏、大震不倒”的抗震设计准则,随后进一步完善为“小震不坏、中震可修、大震不倒”的准则写入了现行的《建筑抗震设计规范GB50011-2001附条文说明含08局部修订》(以下简称《建筑抗震规范》) [[4]]。

  赵成刚,冯启民等人对生命线工程的研究[4],也以唐山、海城地震中的供水管网损坏为基础资料进行分析。其研究认为影响管网损坏程度的首要因素是场地土,其次是烈度,再次是其他影响如管材、接头、管径等,并特别指出过河管的损坏易受到岸边滑移的影响。其研究还探讨了土壤液化、不均匀沉降、地震波以及场地破坏(如滑坡)对于管道损坏的不同影响;关于地震波影响该研究给出了连续管道、弯头和三通等的解析解,分析了管道抗震规范中的设计计算方法,提出了计算地下管道损坏程度和可靠性的研究方法,提出“基本完好、中等破坏、严重破坏”三种类别的损坏程度判别准则,并对于典型接口(直管、弯头、三通、十字管、一端固定管)以及管体和焊接接口的损坏程度定义了隶属度函数,进行了可靠度的模糊评价。此外,其研究还涉及到经济损失评价,定义了广义的失效时间(即考虑调查时间、管道与水厂及泵站的修复时间),将经济损失分为直接损失(包括管道与水厂及泵站修复费用、紧急供水费用、供水收入的减少)和间接损失(包括损坏工厂等生产部门的机会成本、缺水造成的火灾与传染病等次生灾害损失),最后还给出了管网抗震的对策与建议毕业论文范文。本论文的微观模型即借鉴该研究着眼于典型接口破坏的研究思路。

  李杰等人亦从生命线工程角度出发研究供水管网的地震损坏,通过可靠性分析、连通性分析等得出一些有价值的结论[5],尤其是建立管网带渗漏的供水水力模型[[5]],并建立可靠度分析[[6]],特别适应于地震后灾区管网使用,在汶川地震后的一些地区管网规划中(如绵竹、都江堰)已经得到了实际应用。

  许佳萍,苏经宇利用城市防灾规划的思想探索了城市供水系统防灾规划方法,研究了如何对城市地震后的用水量的进行估算,提出了加固整修供水设施以及制订应急方案的原则[[7]]。武洁探索了为保证城市供水管网在短期内恢复部分供水水利工程论文,如何根据管网供应区的自然状况、设防烈度及管线质量、运行状况,对管线在地震剪切作用下发生的位移幅值进行计算,以推算出的半个视波长内管线应承担的拉伸变形量作为衡量指标,可判断管网能否达到抗震要求[[8]]。

  肖绍雍通过分析了国内外发生的大地震对供水管网的破坏情况,总结了不同管材、管径、接口形式、地基类型等的抗震性能差异,提出管道大口径比小口径抗震能力强的观点,并对如何提高供水管网的抗震性能提出如加套管、柔性接头、设置调控阀等具体建议[[9]]。

  符圣聪,江静贝,黄世敏分析了管线的可靠度,对震后供水管网的可靠性及其功能进行评价。通过直埋管线的地基梁假设,考虑其与地震波引起土层位移的相互作用来建立极限状态函数,给出所有管线的失效概率,对震后管网的可靠性及供水功能进行分析。由Monte-Carlo法进行了管网的连通性模拟计算,给出任意两节点间的可靠概率估计。通过管网的水力分析进行评价供水管网在地震时由于受损可能出现的渗漏情况以及其引发的管网供水功能降低程度,采用点式渗漏模型模拟震后管线渗漏,用管线损坏概率的反正弦函数来表示渗漏面积,实现对震后供水管网的准确水力计算。该研究还建立基于地理信息系统的供水管网抗震能力分析方法,依据来自GIS的管线失效概率、管网的可靠性和供水功能信息可对供水管网的抗震能力做出全面评价[[10]][[11]]。

  李桂荣,郭恩栋,杨克勇对西安市阎良区供水系统在不同强度的地震作用下的震害情况进行了预测,分析了其功能失效状态,估计了系统功能恢复到震前供水水平状态所需要的时间,研究中将失效模式分为本源失效模式、分布失效模式、用户失效模式、混合失效模式[[12]]。

  冯启民,高惠瑛,俞虹桥建立了供水系统震害预测专家系统,结合了计算分析方法和专家经验,涵盖了知识库和推理判断,考虑了管段的地震反应机理和管土相互作用特征,基于震害数据和专家经验,利用地震地质灾害场地的管道震害预测方法进行预测,建立在GIS平台上便于结果展示[[13]]。 冯启民水利工程论文,高惠瑛,张伟林又将震害预测专家系统及失效流分析融入地震反应分析软件SPAWGIS,并利用其对天津开发区供水系统研究了地震作用下的震害及震后功能失效状态[[14]]。

  高小旺,李荷,王菁等人对不同设防烈度的供水构筑物、管道、接头等工程造价进行了调查分析,提出供水系统地震损失的分析方法;对供水系统中的不同部件按其重要性进行了分类,用工程抗震设防标准决策分析方法对不同重要性的元件抗震设防标准进行了探讨[[15]]。

  江建华,李素贞,李杰探讨了GIS在城市生命线地震反应仿真研究中的应用,以上海市内环中心城区的供水系统为例,用网络可靠性分析法进行了供水管网的震害预测,并在GIS 的ArcView平台上开发创建了可视化的地震反应仿真信息系统[[16]]。

  曹邦卿,陈剑,郑辉提出了中小城市供水管道抗震的特殊性,提出了相关的防震减灾对策[[17]]毕业论文范文。姚雨田分析了供水系统地震损坏的特点,包括突然性、分散性、集中性、制约性、次生灾害严重性等[[18]]。陈相立,刘宁,涂广提出了对于历史古城性质的城市的供水管网的抗震特殊性,对于其建筑及人口密度大、功能分区混杂的特点,需要注意利用阀门设立分区等措施确保震后的供水安全[[19]]。

  汶川地震发生后,也涌现一些相应的研究成果,如王绍伟等人探讨了川北陕南一带的汶川地震中烈度稍较小的弱震地区供水水平的和地震损失情况[[20]]。弱震区中个别地区受损也特别严重,例如青川县。其研究中的调查涵盖城市、县城、镇区,包括四川和陕西两省,具有较强的代表性,对弱震地区的损坏分析完善了对供水系统地震破坏规律的认识。而袁文麒等人则针对汶川地震中的经验教训开始关注国外供水系统的抗震技术,对于其抗震基本措施、规划设计、应急供水等问题进行了探讨[[21]]。

  2国外研究进展

  国外研究中,对于地震的工程方面研究大约经历了静力阶段、反应谱阶段、随机振动阶段和数值方法分析阶段[[22]]:最早的的研究始于1900年前后,以日本学者大森房吉、佐野利器、物部长穗、未广恭二等为代表,其中大森房吉1900年提出其地震烈度表,用静力等效水平最大加速度作为地震烈度的绝对指标,此时的研究多处在静力阶段;20世纪40年代水利工程论文,比奥特、贝尼奥夫、豪斯纳等人在取得了强地震动记录之后,提出了反应谱的简化概念,研究进入反应谱阶段;1947年,豪斯纳(Housner)首先把地震动看做随机过程,到20世纪50年代后期地震工程界便广泛开展地震反应的随机过程研究,如罗森布卢思(Rosenblueth,1956)、汤姆森(Thomson,1959)、埃林根(Eringen,l 958)、巴尔斯坦(1958)、博洛京(1960)、扣田治见宏(1958)等,此时研究进入随机振动阶段;1959年,纽马克提出了通用的逐步积分的数值法,可以用于多自由度体系的非线性地震反应的积分,1966年威尔逊(Wilson,1966)提出其θ法,纽马克等(Newmark and Rosenblueth,1971)将反应谱又推广为非线性反应谱,此时地震工程研究开始进入了数值方法分析阶段。

  对于生命线工程系统尤其是供水系统的抗震研究,则以美国和日本为代表,大致经历如下过程[27]:1971年圣费尔南多地震后,各界开始关注生命线工程的抗震防灾问题;l974年,美国土木工程学会(ASCE)成立了生命线地震工程技术委员会(TCLEE),率先系统地开展了生命线地震工程的研究;继美国之后,日本也开展了生命线地震工程的研究,于l976年在东京召开了第一届美日生命线地震工程会议;1979年,日本自来水协会出版了《给水工程设计指南》,综合了日本在供水系统抗震研究方面的成果;20世纪70年代,美国学者G.Panousis.(1974)和G.Table—Agha.(1975)等提出基本网络和SSP网络的概念,M.Shinozuka和R.Isoyama等人将该方法用于供水系统分析中;M.Shinozuka对地下管线震害、场地特征和给水管网震害进行了分析研究,并对LosAngles的给水管网进行了震害分析;Goto等人结合日本京都供水管网,考虑了管道材料、接头、土和地面运动等诸多因素,对其进行了地震反应分析;Kimiyasu Ohtake等(2004)对人工扰动土中的供水管线进行了相应的震害评估;Shinozuka等人将GIS应用于生命线地震工程的研究领域中水利工程论文,利用其采集、处理和分析生命线系统的大量数据信息,并以Memphis市的供水系统为例,做了大量的研究工作,更加完善了生命线系统的震害预测及损失分析方法。对于埋地管网的专题方面,王汝樑等人对管线与断层方向的夹角等问题给予了关注,并对地下管线地震表现的各个方面做了系统研究,包括地震反应下埋地管道的振动频率、管道的抗震设计、地震反应计算中的土参数确定、断层对于管道影响、土壤液化下管道的表现、以及损坏估计、恢复重建都做了详细阐述,他还注意到了埋地管线的动水压力影响(包括发生在管道接头的液体动压力和快关水阀引起的水锤),并对埋地管线进行了非线性动力反应分析[2],其研究可谓“集百家之长,成一家之言”,为地下管线的震害分析、抗震验算及设计研究的集大成者,本文的土参数选用即借鉴了王汝樑等人的研究成果。

  1994年美国北岭地震后,基于美国北岭(Northridge)地震后的南加利福尼亚州的市政供水区(MWDSC)、洛杉矶供水与能源局(LADWP)等机构在地震中积累的资料,不少研究就地震预案、抢修、互助等进行了探讨。Young,Michael B.,Means, Edward G. III.等人针对供水系统地震抢修过程中常遇到的通讯、运输等方面的困难,提出及时保证多途径的通讯、获取交通优先通行权的建议;其研究认为水厂在供水系统中担负着制水的重要任务,而地震时则特别需要对水厂的阀门设置、资料保护、设备关停和消毒调整等做充分地考虑和安排[[23]]。TANAKAS. S.等人对于地震预案、抢修等方面进行了研究,认为为了防止地震对供水系统产生巨大破坏、减小地震损失需要制定详细周密的应急预案,包括成立应急指挥中心、制定决策以及应急处理抗震救灾中出现的突发或困难问题,其研究探讨了在最合理的地方建立指挥中心、第一时间迅速启动应急预案等相关问题,并指出预案演习与实际抗震存在的较大差异,认为应该做好相关工作人员的教育培训工作,尤其重视一线职工职业技能和素养的培训,给予其足够的信任以便在应急时刻充分发挥其潜能,还要充分利用媒体的力量提高抗震救灾的工作效率,依靠媒体做好供水部门和公众、管理人员与一线职工之间的信息沟通和联系等[[24]]。MCREYNOLDSL.,SIMMONSR. L.等人对于供水管网的震灾修复做了探讨:认为修复应以准确掌握受损情况为基础,而管网一旦损坏其抢修也需按预案有条不紊地进行才能促进最大程度地减轻损失,因此应根据管网的线性特点合理安排修复顺序;需要特别注意管道的基础加固,防止其成为在不同地震中一再受损的原因;管道材料的就地加工经常会成为抢修过程中影响施工进度和质量的关键;此外其研究还就地震造成的大面积的渗漏、引起用水水压甚至消防水压不足以及管网密闭性破坏引起的水质问题做了相应分析[[25]]。Riordan, Raymond A则针对抗震救灾互助协议水利工程论文,探讨了协议目的、任务、目的以及援助原则,以便从管理方面建立一个详细具体的互助协议体系,促进高效、公正地安排抗震救灾工作;国内目前的抗震救灾工作基本依靠国家统一调拨进行,在汶川地震中也引起了诸如帐篷涨价之类的诸多问题,这方面可借鉴美国的救灾互助协议[[26]]。

  Takao Adachi1, Bruce R.Ellingwood等人则对于供水系统的地震损坏研究提出失效树结合最短路分析的思路,以便考虑其他系统(例如电力系统)对于供水系统损坏的影响,从而判断供水系统的脆弱性[[27]]。该研究对于管网中管段与节点(包括水池、泵站)的分析采用网络可达性算法NAA(NetworkAccessibility Algorithm),其中进行失效概率计算时使用蒙特卡洛(Meto-Carlo)算法毕业论文范文。研究认为应用对于地震的灾害概率分析法PSHA(ProbablisticSesmic Hazard Analysis)时,要注意该法使用地震重现期而非破坏重现期的不足之处,因此不利于公共决策和抗震规划,所以推荐使用美国地理部提供的反聚分析后得出的破坏灾害重现期,以促进更加客观地衡量评估管网脆弱性。研究建议对供水系统的地震损坏分析时着重考虑峰值地动加速度PGA(PeakGround Acceleration)和峰值地动速度PGV(PeakGround Velocity)两项地震影响衡量指标,而对连通性检验时采用Floyd-Warshall算法求最短路径。其研究还提到对于管网中部件的损坏的0-1两级分布(即失效、有效)判别法和多级分布判别法(认为失效程度在0~1之间),建议在分析中考虑各个供水节点的权重以表明其重要性(例如用水人数或者工业产值、销售额等)。该研究提出的一些较为新颖的理论公式,简摘如下:

  1)认为管道损坏率(以抢修率近似)与管道损坏烈度存在关系:

  (1)

  RR——抢修率(Repair Ratios),处/1000ft(处/305m)。

  k——取决于管材、管径、土地条件的常数;对于美国孟菲斯(Memphis,)考虑k=0.5。

  PGV——峰值地动速度(Peak Ground Velocity),in/s(2.5cm/s)。

  2)假设烈度对连接任何2个设施的管段影响均匀,则认为管道损坏概率符合泊松分布:

  综述(2)

  N——管道损坏(抢修)数。L——等效管段数,以1000ft为单位管段长。

  则认为如果有一处损坏,则该管道考虑失效,因此失效概率为:

  综述(3)

  3)考虑供水系统功能取决于其物质结构和电力供应,同时考虑部分设施的自备电源,即其关系为:

  综述用公式来表示即为:

  (4)这些理论都对于本研究起到一定的启示作用,虽然最终研究成果不同,但可作为比较进行相应讨论。

  对于脆弱性分析方面,Marco Antonio Torres-Vera,Jose′ Antonio Canas等人进行了对于Barcelona(Spain)市的生命线工程震害情况进行了分析,并提出脆弱性主要是针对于体系结构本身而言的,因此与其所在的区域地震烈度无关;生命线的运行对于人类生活是至关重要的,尤其是中震或者大震后对于经济发展有重要影响。在该研究中,将脆弱性分析应用到了包括供水、煤气、供电、污水、交通等生命线工程中水利工程论文,取得了一定的分析成果与结论[[28]]。

  Y.Chen对于埋地管线进行简化分析以代替有限元分析,对于体系结构与土体的相互作用、管道之间的插掰、土壤液化、材料的非线性特征以及地下水的影响都做了比较合理的估算,并以实际地震中的受损管道进行分析进行验证和研究,对于抗震设计公式提出了修改意见[[29]]。

  M. D.Trifunac,M. I. Todorovska对于Northridge-California地震中的管道损坏密度进行了分析,研究了其与表面土体应变之间的关系,其研究中所采用的指标是每km2的管道损坏数,因素为土壤的峰值应变或者场地土震动强度,通过分析其相关关系,建立起了预测模型,可以对San Fernando Valley和LosAngeles的管网在假设的地震场景下的损坏估计其地震损坏概率,对地震危机的应急预案(例如地震后的消防规划)具有重要的指导意义[[30]]。

  Walter W.Chen, Ban-jwu Shih,Yi-Chih Chen等人对Ji-Ji地震进行分析,利用GIS的数据库,在研究中建立了修复率RR和地震峰值地动加速度、峰值地动速度、地震谱强度之间的关系[[31]]。

  YuWang _,Siu-KuiAu分析了地震发生后供水可靠性的空间分布以及如何寻求保证重要用水点的关键管段,建立了损坏影响指数DCI和修复收益指数UBI,采用了蒙特卡洛法进行了不确定性分析,分析结果表明供水可靠性的空间分布取决于各个用水点在供水系统中的分布以及管网布局,而单管UBI指数高的管道并不一定属于区域UBI指数高的管网,即不一定属于关键管段集合[[32]]。

  Jiin-Song Tsai,Lee-Der Jou,Shaun H. Lin分析了台湾Chi-chi地震中的埋地供水管网的损坏以及管道接头的抗震性能初步评价,给出了1999年9月21日发生的7.3级地震中台湾中部的供水管网损失的数据描述,由现场调查得出一些结论,包括:

  1)发生断裂带运动时,管网不可避免地会受到损坏;

  2)管道损坏与场地振动密切相关,但是损坏程度主要由管径决定;

  3)管道损坏受到地震动加速度和砂土液化(场地土性质较差时发生)的影响;

  4)管道材料不同受损形式亦不同毕业论文范文。

  其研究亦表明管道接头非常容易受损,是管网抗震的关键。通过实际实验表明聚氯乙烯(PVC)管的刚性接头极易受损,而球墨铸铁管和聚氯乙烯(PVC)的柔性接头则比较耐震水利工程论文,因此提高管道接头的抗震性能具有非常重要的意义[[33]]。

  Yarg?c? Volkan对于埋地管线进行了深入研究,针对1999年的DüZCE

  地震进行了基于经验的埋地管线地震反应概率分析评价方法研究。该研究探索了DüZCE市供水系统的损坏模式和配水系统、地震以及地理特征之间的联系,地理空间特征被导入GIS系统,以便确定地震参数、地理参数和接头参数,由此可解释地震后关系损坏的分布情况。研究还建立了管线损坏指标基于土壤液化敏感性、场地土厚度(如果存在的话)、峰值地动加速度、场地变形值等因素的有限状态函数,由此建立了管线系统的修复与前述因素的相关关系,这些成果均有助于供水系统运营者做好抗震规划[[34]]。

  Iain Tromans也研究了埋地管线在地震区的损坏特征。该研究在欧洲51次实际地震的资料基础上建立了经验公式,着重探索了管线震害率与峰值地动速度之间的关系,利用GIS系统分析了Düzce、 Turkey两镇在1999年的Kocaeli - Düzce地震后的管网受损情况,发现管线损坏的空间分布与场地特征没有明确的关系,而是与建筑物的倒塌率关系密切,因此以峰值地动速度为因素建立管线震害率损坏指标的关系比较合理[[35]]。

  3 结论

  地震给人类文明带来巨大的威胁,供水管网往往在地震后会遭到不同程度的损坏,对于供水管网的地震损失研究在近年来引起了学界的重视,然而因第一手资料的匮乏导致相关研究举步维艰,如本文所列举的研究大多只能局限于小型试验或者假设模拟。同时资料匮乏也成为阻碍研究进展的一个关键问题,因此许多卷帙浩繁的供水管网地震震害分析资料只能局限于罗列数据并略加分析,很少有文献提出较为实用的统计分析方法。此外相关文献习惯使用修复率代替损坏率,但对这种近似是否会造成统计失真无人论证。这些都是进一步研究应该关注的问题。

  参考文献

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