2.1　地下管道的震害分析

地下管线是城市供水、供气、供电及热力等生命线工程系统的基本组成部分,在国内外历次大地震中,地下管道都遭受了不同程度的破坏。地震发生后,各国都很重视现场的震害调查工作,并有学者对这些宝贵的资料进行总结分析,使人们对地下管道的地震破坏特征有了系统的认识。

2.1.1　地下管道的震害特征

大量历史震害经验表明,地震对地下管道的破坏作用主要源自于地面变形和地面运动[2]。地面变形主要包括断层错动、土壤液化、河岸滑坡、地表塌陷等,如1931年马那瓜地震、1952年克恩县地震、1971年圣费尔南多地震、1976年唐山地震及1995年阪神地震,大量的管道因跨越断层或位于断层附近而受压或受拉发生破坏。而1964年日本新潟地震、1971年美国圣费尔南多地震中圣诺曼水库附近、1976年唐山地震中塘沽和汉沽地区由于土壤液化使大量管道遭受严重破坏。一般来说,地面变形对地下管道的破坏作用几乎是毁灭性的,应在建造的过程中尽量予以避免,实在避免不了的,应采取一些相应的措施。地面运动主要指地震波的传播效应,行进中的波可导致管道发生过量变形而破坏。国内外多次地震调查表明,地震波传播本身对位于均匀坚硬土层的地下管道的破坏影响相对较小,但是影响所涉及的区域都是相当大的,大多数地下管道的破坏是由于地震波动造成的,当场地土松软或不均匀时,尤其在场地条件差异较大的交界处,破坏将加重。震害调查发现,大多数受损管线的走向都是与地震波传播方向一致,由于地震行波沿管道轴向产生的拉力作用而引起管道的破坏。而对于地震波传播效应造成的地下管道的破坏则认为是可以控制的。

分析历次地震中管道的震害情况可以看出,地下管道具有以下震害特征:

(1)地震作用下,地下管道的受力状态不同于地面结构,因为管道的自振周期远小于土层的振动周期,管道受到周围土的阻尼影响很大,因此不必考虑振动惯性力的作用,在地震行波作用下,管道的反应可按波动理论进行分析。由于城市供水管道的埋深都不大,一般均小于5m,且在地表附近水平向位移中剪切波的贡献比较大,所以主要计算水平向剪切波引起的管道变形。

(2)地下管道由于埋设在土中,其震害除地震波传播的土层波动变形以外,主要由于地面断裂、滑坡、震陷、土壤液化等场地震害所致。因此,沿管道走向的工程地质条件是影响管道震害的主要因素。震害调查表明,场地震害所造成的管道破坏都相当严重,且难以避免。而对一般场地,地震波传播效应造成的震害较轻,但其影响面广,是管道遭受破坏的最基本形式。

2.1.2　地下管道的震坏模式

对于城市地下管网,一般管径较小,地震作用下地下管网的主要破坏形式归结如下:

(1)管道接口破坏。如承插式管道接口填料松动,插头脱出或承口破坏;连续式钢管在焊缝连接处开裂,法兰螺栓松动等。

(2)管体破坏。钢筋混凝土管、石棉水泥管和铸铁管出现纵向和斜向裂缝,通过断层的管体或小口径钢管、锈蚀严重的铸铁管管体的折断等。

(3)连接破坏。在三通、弯头、闸门和管道与构筑物的连接处,以及相应的连接件,由于应变集中和运动相位的不一致而造成破坏。

在3种破坏形式中,管体破坏一般是由于出现地面断层、滑坡等严重场地震害所引起,或是由于管体本身缺陷和腐蚀严重的原因引起。而接头的破坏是最为普遍的,其破坏形式可以分成以下几种:①钢筋混凝土管承插式接头处的填充材料松动或接头拔出、管线漏水;②铸铁管接头断裂或拉开;③弯管处断裂;④管道与建筑物连接处破坏。例如,在日本十胜冲地震中,接头拔出占铸铁管破坏的75%;我国唐山地震中,接头拔出破坏占破坏总数的79%。因此,以管道的接头破坏作为主要破坏模式是恰当的。

2.1.3　地下管道震害的影响因素

影响管道破坏的因素是多方面的,除了地震动的强烈程度以外,还与管道所在场地类型、管道通过地区的工程地质条件、管道的材料、接口方式、铺设方式及管径等因素有关。归纳起来主要有以下几种:

(1)地震烈度。

大量震害经验表明,地震烈度对地下管道具有显著的影响。在同样场地土条件下,平均震害率随地震烈度的增加而增加。一般情况下,地震烈度达到Ⅶ度以上就可能对管道造成明显破坏。因此Ⅶ度时确定的不利条件下可以预测管道损坏的情况。美国地震学家指出,在中等烈度的地震作用下,已锈蚀的管道也可能发生破坏。

(2)地震动参数。

通过对管道震害情况的考察和研究发现,地下管道对地震加速度大小不太敏感,但对地面应变十分敏感,地面应变越大管道破坏越严重。地下管道的动应力不仅和地面应变的峰值有关,还和地震过程中的频谱含量有关,特别对低频含量很敏感,低频含量越丰富的地震波,激起的管道动应力越大[139]。另外,管道的动应力随地震波入射角度的变化而变化,当地震波垂直于管轴方向入射时,管道的动应力最小;当地震波沿着管轴方向传播时,管道的动应力最大。

(3)场地条件。

场地条件对管道震害的影响很大,1976年我国唐山地震震害调查资料表明,较低烈度下软弱场地的管道震害甚至大于较高烈度的坚硬场地管道的震害,这可能由于软弱场地容易产生较大的相对位移所致。另外,软弱场地在地震中容易产生场地破坏,因而加重了地下管道的震害。这种管道震害受场地条件影响显著的现象在国外一些著名地震,如1923年日本关东地震、1971年美国圣费尔南多地震等震害实例中都得到证实,不同场地的管道震害率统计如表2.1所示。

(4)管道的材料、接口形式和管径。

地下管道的管材通常有钢管、铸铁管、石棉水泥管、塑料管、预应力钢筋混凝土管等多种。大量震害资料表明,韧性好的管材比脆性管材有较好的抗震性能。表2.2是一些实际地震中对不同管材震害的统计结果。分析表明,钢管的破坏与其腐蚀程度关系较大,因而震害表现出明显的波动性。就材质而言,预应力钢筋混凝土管性能最好,铸铁管次之,再次是石棉水泥管。塑料管尤其是近年发展起来的高强度的PVC管,由于较少经受地震考验,因此其抗震性能尚不能确切评价[3]。

管道的接头形式是影响管道抗震性能的另一个重要因素。管材强度与接口强度相比,接口将是弱点。接口构造的允许位移足够,可以改变管道的受力情况,能适应地震时的土层位移;若接口处的允许位移不足时,则接口先受其害。历史震害表明,在条件相似的情况下,柔性接头的管道抗震性能比刚性接头好得多,因为前者能吸收更多的场地应变。如海城地震时,营口市Ⅷ度区ϕ500～600mm预应力钢筋混凝土管道,采用橡胶圈柔性接头的石棉水泥管均未发生震害,而石棉水泥接口的同类管道损坏严重,震害率达20处/km以上。日本十胜冲地震,震中烈度Ⅺ度,采用刚性接口的铸铁管折断33处,接口损坏达349处,而采用胶圈接口的铸铁管,管体完好,仅3处接口发生脱离。

另外,地下管道的抗震性能还在很大程度上取决于管道的口径,大口径的管道破坏率一般小于小口径管道[140],如图2.1所示。在所有记录的管道中,发生损坏或破坏的地下管道80%以上是口径小于200mm的地下管道,其主要原因是小口径管道在土体中的相对约束程度比口径在300mm以上的管道要高得多。这说明管道的刚度可在一定程度上抑制周围土壤的变形。

(5)应力集中现象。

管道的弯头、三通和闸门以及和构筑物连接的地方,由于运动相位不一致,易于产生应力集中,造成破坏。例如,唐山地震中,唐山市三十七中学后街ϕ125mm钢管,两个转弯处断开;自来水公司北铁道桥至华新桥ϕ400mm铸铁管因拐弯较多,破坏达10处之多。

(6)管道曲率半径和埋深。

弯管在地震时破坏的程度与其曲率半径有直接关系。一般埋地管线应尽量避免急转弯,以使用大曲率半径弯头为宜。地下管道一般总是埋在地表下有限的深度处,研究表明,其他条件相同的情况下,管道轴向应力大小在从地表到4m深之间随埋深而增大,从4m往下这种效应趋弱,而弯曲应力基本不随埋深变化。

(7)管道的铺设方式。

地下管道的铺设方式一般要考虑管道内输送介质的不同来进行设计。热力管道大都采用直埋铺设方式。输油管道的铺设方式要考虑因地制宜和技术要求两方面因素,通常采用地沟式铺设和地埋式铺设两种地下埋设方式。给排水管道通常采用直埋和地下管沟处理等方式。

直埋铺设与地沟铺设方式各有优、缺点。与地沟铺设相比,直埋管道可以节约地沟费用,占地少,施工方便。在投入使用后,易于发现管网发生的问题,给管网的维护创造了条件,保证了管网的正常运行。地沟铺设占地面积小,对地面环境影响小,对于热力管道,热损失相对也较小等,与直埋相比,地沟有空气间隙的有利于保温层的干燥。

管道在受到外力作用时,由于地沟做了特殊处理,故相对直埋铺设的管道来说破坏较小。

其他一些诸如管道的设计与施工水平、使用年限、腐蚀程度等也是影响震害的重要因素,但限于地震震害调查资料,这方面的数据相当缺乏。