城市供水管網(wǎng)抗震設(shè)計(jì)研究

唐煒鴻

（四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065）

城市的供水、供氣、熱力、排污等地下管網(wǎng)系統(tǒng)是現(xiàn)代城市生存和運(yùn)行的命脈，人們形象地稱之為生命線工程。城市的規(guī)模越大，現(xiàn)代化建設(shè)的程度越高，對生命線系統(tǒng)的依賴性越強(qiáng)；同時，在自然災(zāi)害，特別是在強(qiáng)烈地震襲擊下，生命線系統(tǒng)受到的地震破壞和由此產(chǎn)生的次生災(zāi)害，以及對城市生命財(cái)產(chǎn)的危害也越嚴(yán)重。進(jìn)行城市供水系統(tǒng)的抗震研究，是城市生命線地震工程領(lǐng)域的重要研究課題。

1 抗震可靠性分析

（1）供水管道的破壞原因。①地表大變形。主要包括地表塌陷、斷層錯動、土壤液化、滑坡等；于地面運(yùn)動。主要指地震波的傳播效應(yīng)產(chǎn)生的土壤應(yīng)變；③地震振動引起的管道內(nèi)部流體的沖擊壓力。

（2）供水管道的破壞形式。①管道接頭破壞。如承插式鑄鐵管接口填料松動、插頭脫落或承口破壞，連續(xù)式鋼管在焊縫連接處開裂、法蘭螺栓松動等；于管體破壞。如鋼筋混凝土管、石棉水泥管和鑄鐵管縱向或斜向出現(xiàn)裂縫，通過斷層的管體，小口徑管、銹蝕嚴(yán)重的管體發(fā)生折斷等；③連接破壞。如在三通彎頭、閘門和管道與地下構(gòu)筑物的連接處，以及相關(guān)的連接件，因應(yīng)變集中和運(yùn)動相位差異而發(fā)生破壞。

（3）影響供水管道破壞的因素。①地震烈度及工程場地條件的影響。供水管道的破壞率基本是隨地震烈度的增高而增大，軟弱地基和復(fù)雜地基中比基巖中的埋設(shè)管道震害要重得多；于管道接頭形式的影響。管道接頭是埋地管道抗震的薄弱環(huán)節(jié)，管道接頭一般分為剛性接頭和柔性接頭。柔性接頭較之剛性接頭能吸收較多的變形且延性好，因而具有更好的抗震性能；③管徑和管道材質(zhì)的影響。根據(jù)實(shí)際震害資料，一般而言，管徑越大，其管道震害率越低。

2 抗震預(yù)測模型

基于供水管網(wǎng)損壞的主要誘因——地震波沖擊造成的管網(wǎng)危險(xiǎn)性，介紹一種供水管網(wǎng)抗震預(yù)測模型，闡述了建模的流程、預(yù)測的步驟。該模型可以預(yù)測管網(wǎng)地震相對危險(xiǎn)點(diǎn)亦即抗震相對脆弱點(diǎn)（區(qū)域），經(jīng)濟(jì)、高效地保障地震期間的用水安全。

（1）預(yù)測方法。ANSYS為一基于有限元分析的功能強(qiáng)大的計(jì)算軟件。EPANET軟件是由美國環(huán)?？偸鹬鞒珠_發(fā)研究的水力計(jì)算軟件，主要用于壓力管網(wǎng)水力計(jì)算、管網(wǎng)平差、水質(zhì)模擬。相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)查表明：管道在地震中損壞的主要原因多為接頭的位移過大和應(yīng)力集中，所以可考慮用有限元分析的方法計(jì)算出某一管道在特定條件（地震波、土質(zhì)等）下的位移和應(yīng)力分布以判斷損壞情況。對微觀管網(wǎng)模型抗震性能研究后，進(jìn)行多組模型的平行模擬以積累基本數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)結(jié)果推廣到實(shí)際城鎮(zhèn)的供水管網(wǎng)中進(jìn)行宏觀管網(wǎng)模型預(yù)測。

（2）預(yù)測流程。整個預(yù)測的流程首先進(jìn)行若干平行試驗(yàn)（模擬），然后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加工，再建立城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)宏觀模型，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用到宏觀模型中對供水管網(wǎng)的地震危險(xiǎn)值分布作出計(jì)算從而完成預(yù)測。預(yù)測詳細(xì)流程如圖1所示。

圖1 預(yù)測模型流程

3 抗震性能化設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)流程?？紤]用戶節(jié)點(diǎn)抗震性能需求的供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。研究內(nèi)容集中在步驟1、3、4，主要解決如何評價(jià)用戶重要性、如何進(jìn)行管網(wǎng)布局和管段結(jié)構(gòu)抗震能力分配問題。

圖2 供水管網(wǎng)抗震性能化設(shè)計(jì)流程

（2）設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分配模型。根據(jù)供水專業(yè)規(guī)劃中的優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，李杰等提出生命線網(wǎng)絡(luò)抗震拓?fù)鋬?yōu)化模型，對所有用戶節(jié)點(diǎn)采取相同的抗震可靠度約束指標(biāo)，不能體現(xiàn)“重點(diǎn)保障和分級設(shè)防”的抗震理念。本例提出考慮用戶節(jié)點(diǎn)重要性和管段不同抗震能力的管網(wǎng)抗震連通可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)模型：

式中：c（lij，dij）=（a1+a2·dija3）·lij為管線的造價(jià)，lij、dij分別為節(jié)點(diǎn)i、j之間的管線長度（m）和直徑（m）；γij為連通系數(shù)，鋪設(shè)該管線取1，不鋪設(shè)則取0；a1、a2和a3是管段造價(jià)常數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際工程的造價(jià)擬合得到。φij為管段抗震能力造價(jià)調(diào)整系數(shù)，管段抗震能力及相應(yīng)的φij與實(shí)際可選的管材及抗震措施有關(guān)。Pj為源點(diǎn)到用戶節(jié)點(diǎn)的抗震連通可靠度，可采用基于寬度優(yōu)先搜索（BFS）的Monte Carlo隨機(jī)模擬求得；Rj為節(jié)點(diǎn)連通冗余度，其取值與該點(diǎn)相連的邊數(shù)有關(guān)，本節(jié)采用節(jié)點(diǎn)連接度表示；［Pj］和［Rj］分別為第j節(jié)點(diǎn)的抗震連通可靠度和冗余度約束，對應(yīng)圖2中步驟2的設(shè)防目標(biāo)，需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)的重要程度設(shè)定不同的約束指標(biāo)值。

4 結(jié)語

城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)是生命線工程的重要組成部分。近些年來發(fā)生的多次破壞性地震中，城市供水系統(tǒng)的破壞不僅影響救災(zāi)工作的順利進(jìn)行，而且引起的次生災(zāi)害會直接造成嚴(yán)重的人員傷亡和國民經(jīng)濟(jì)損失。因此，開展城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)的抗震可靠性研究，以加強(qiáng)其抗震能力，是城市防震減災(zāi)工作的重要內(nèi)容之一，具備相當(dāng)?shù)膶W(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。

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