地震作用對長輸管道的震害特性分析及建議

史 飛

(鄭州大學綜合設計研究院，河南鄭州 450000)

管道運輸是能源輸送的主要手段之一。管道在人們生活和現代化的工業生產中占有重要的位置，管道運輸在輸送水、煤、氣、油以及交通、供電、通信等方面得到了廣泛的應用，成為工業生產和居民生活的大動脈，被稱為生命線工程。油氣儲運管網是國家基礎設施的一大部分。隨著對潔凈能源需求量的增加，天然氣長距離輸氣干線建設已得到國家的高度重視，長達4 200多千米，跨越8個省市區的“西氣東輸”工程堪稱當今世界級管道工程，該管道工程通過沙漠、戈壁、高原、山地、丘陵、平原及水網等地貌，穿越地區廣，地質情況復雜，環境地貌千差萬別。西氣東輸管道工程全線所經場地地震烈度6度區有2 242.1 km，7度區約1 184.5 km，8度區約46 714 km;經過地震斷裂帶8條13個交叉點，因此有必要對管道在地震作用下的震害特性進行分析，對管道進行抗震設計、管道加固等措施，確保油氣管道安全可靠地運行。

1 長輸天然氣管道系統的特點

長輸天然氣管道系統通常是以線狀形式分布在較廣闊的場區，它具有以下特點:途經區跨度大，覆蓋面積廣，受環境地質條件的影響，各處管道或其他元件所受到的地震強度和地震作用是不同的;具有系統性，系統中的各種功能元件相互作用，構成一個網絡系統，共同發揮作用;地下管線是地震易損元件，它不僅在高烈度區發生嚴重的破壞，在烈度為7度時也可能發生破壞;次生災害嚴重，由于管網的破壞，特別是城市燃氣管道的破壞，可能導致火災和爆炸等次生災害引起人員的傷亡;震后地下管線的破壞位置和狀態難以檢測。

2 管道本體的震害特性分析

由于長輸天然氣管道系統很長，分布的范圍也很大，途經地區的環境地質條件差異性明顯，可能遭遇各種地震作用，如斷層地帶地區地面的斷裂和錯動、砂土液化、震陷和震裂、滑坡、地震波動等。

2.1 埋地管線本體破壞的基本類型

在地震作用下，埋地管線本體的破壞形式主要有3種基本類型:1)管道局部變形與懸空，在地震波動作用下，管道隨地面的運動和變形而發生運動和變形;其次，由于管道地基可能產生的震陷而使管道產生局部懸空。2)管道斷裂，主要表現為管道接口破壞會在管道腐蝕嚴重的部位、轉彎處等產生斷裂。3)在三通、彎頭、閥門以及管道與地下構筑物連接處的破壞。

2.2 影響埋地管道震害因素分析

1)地震烈度的影響。通過大量的地震災害調查表明，地震烈度對埋地管道的震害有顯著影響。在相同的場地土條件下，平均震害率隨著地震烈度的增大而增加。通常情況下，地震烈度在7度以上就有可能對管道造成顯著破壞。美國地震學家H.利赫杰指出，多遇地震震害作用下，已銹蝕的管道也可能發生破壞[1]。

2)空間方位的影響。管道對地震作用的反應和破壞的特點取決于管道與地震波傳播的方向。在管線走向與地震作用方向平行的情況下管道(首先是地下管道)損壞最大。如果地下管道(甚至大口徑)縱軸與地震作用方向垂直，損壞則不明顯。如1964年日本新瀉地震后，發現土層明顯變形，地表出現裂縫，管線與地震作用方向平行的管道中沿環向截面大量斷裂。

3)管道埋深的影響。在一般情況下，埋地管道的破壞隨埋深的增加而減小，由于地質構成及管道結構的不同，深埋的地下管道可能出現破壞比較嚴重的情況。采用基本參數的模型，管道埋深分別取1 m，2 m，3 m，4 m進行計算。圖1分別為管道埋深為1 m，2 m，3 m，4 m情況下管道最大剪應力和軸向應變圖。由圖1可看出，當管道埋深為1 m時管道的最大剪應力和軸向應變最小，因此管道在穿越斷層時應淺埋[2]。管道埋深較淺時，作用在管道上的土壓力、縱向摩擦力就越小，管道在地震作用下就不易發生破壞。

圖1 管道埋深對管道應力應變的影響

4)場地條件的影響。埋地管道的震害與管道所處的場地條件有密切關系，在地震行波作用下隨土壤介質不均勻程度的提高，埋地管線的軸向應變增大，軸向應力也增大，軟土中管的地震反應比硬土中管的反應大。在不同介質的交界面，埋地管道的應變最大，且最大值位于軟土一邊。地下管道在不同地質地理單元交界處或者在巖土條件變化大、覆蓋土層較厚、土質較軟的地段容易發生破壞。

5)管道直徑。如圖2所示，管道動應力隨埋地管道管徑的增大表現出明顯異常的反應。最大軸向應力隨埋地管徑的增大而逐漸減小，埋地管徑的最大彎曲應力隨管徑的增大卻逐漸增加。研究表明埋地管徑越大，埋地管道的抗震分析采用圓柱殼模型比地基梁模型更趨于合理[2]。同時增大埋地管道直徑可以提高埋地管道的抗震能力。震行波作用下位于非均勻介質中的地下管道的地震反應與管徑有關，粗管中產生的軸向應變比細管中產生的軸向應變小，而且得出的管道軸向應變增大系數與管徑有關，管徑大增大系數就小，反之則大[4]。說明小口徑管道易受損壞，這與唐山及海城地震震害調查結果一致。

6)管土摩擦的影響。管—土相互作用在埋地管道破壞中起非常重要的作用，特別是在管道主要受力破壞上，不管是位移還是應力大小方面，管—土摩擦均使研究數值有數量級的變化[2]。增大管—土間摩擦系數，埋地管道的破壞減輕。因此管—土摩擦系數較大時，管—土之間的相互作用就可以降低埋地管道的應力作用。

圖2 管道應力與管徑D的關系

3 抗震措施及建議

3.1 抗震措施[8]

1)在多數情況下，埋地管道埋置越深，震害破壞幾率越小。2)提高埋地管道的延性。3)正確選擇埋地管道穿越斷層的位置。4)提高埋地管道的壁厚。5)具有較低摩擦系數的砂或砂礫石進行回填。6)選擇曲率較大的彎頭，以吸收較大的地震能量。

3.2 建議

1)伴隨埋地管道安裝地震監測系統。地震作用時通過安裝在不同地方的地震傳感器監測地震動信息，根據地震動頻率和加速度檢測地震級別，當地震級別超過設定值時，通過系統快速切斷與地震傳感器相連的閥門。同時通過無線或者網絡，將信息傳送到中央控制中心。必要時由中央控制中心對各地設備實行遠程操作，從而達到減輕埋地管道地震災害的目的。2)進行管道安全性評價和風險分析。在地震作用下，會給管道造成各種損傷和缺陷，正確評價各種損傷和缺陷對管道強度、壽命以及安全性的影響，對于保障油氣管道的安全運行，避免經濟損失和對生態環境的破壞，具有非常重要的現實意義。

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