摘要：對燃氣管網的地震破壞機理和形式以及影響燃氣管網地震破壞的因素進行了分析，探討了燃氣管網的震害風險評價，提出了燃氣管網的抗震措施及減災的技術措施和管理措施。
關鍵詞：燃氣管網；地震破壞；抗震減災；震害風險評價
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 地震對燃氣管網的破壞
1.1 燃氣管網的地震破壞機理和破壞形式
埋地管網在地震作用下易發生破壞[1～3]，其破壞機理分為兩種情況：一是地震時土壤結構嚴重破壞，失去整體性和連續性而導致管網破壞，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，夾裹管網產生過大變形而破壞，這時土壤并未失去整體性和連續性。針對第一種情況，在規劃、工程選線時應盡可能避開這些場地，否則應從管道結構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。大量調查表明，對埋地管網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破壞，后者也是最常見的。
燃氣管網在地震后的破壞形式主要表現為：接口破壞、管體破壞、管道附件以及管道與其他地下結構連接處破壞[4]。由相關研究可知，燃氣管道的地震應力和應變一般小于管材極限強度和應變，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，因此依靠管網壓力和流量判斷管網受損情況難度較大。在管網狀況和地基土一定的條件下，可根據地震動強度初步判斷各個區域內燃氣管網的破壞情況，常用的分析參數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]。
燃氣管網破壞的密集程度可用管網的震害率表示，震害率用下式計算：
式中η——震害率，處/km
n——在調查距離內的管網破壞處數量，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。
1.2 影響燃氣管網地震破壞的因素
依據相關理論研究，并通過數據統計和災后損失情況調查，可知地震對燃氣管網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，那么管網的破壞也就越嚴重。
② 場地類別。管網破壞易發生在不同地質、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。根據筆者進行管道在地震作用下的動力響應研究可知，管道的破壞一般與周圍土體變形密切相關，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銅管也表現出了良好的抗震性能，因此，大力發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，管道的地震應力就會增大，從而導致管體發生破壞的概率增大。
⑦ 管內氣壓。管道內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備和高、中壓管道要大得多。由文獻[6]計算結果可知，這是由于隨著管道內氣壓的升高，由地震引起的管道應變下降，管道應力也隨之下降，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、管內氣壓這5個因素屬于內在因素，在制定抗震措施時應主要考慮。
1.3 震后燃氣管網搶險的復雜性
震后城市各生命線系統相互影響，對燃氣管網搶險工作的開展有一定阻礙作用。如供電系統失效引起燃氣控制系統斷電失效、照明中斷；供水系統失效導致泄漏的水灌入失效燃氣管道，消防用水緊張，水壓不足，發電機組缺少冷卻水；交通系統癱瘓導致人員、機械無法高效輸送，燃氣公司通往各站點的道路中斷，通往火災現場的道路中斷；通信系統失效導致信息傳遞和通信不便，燃氣公司與用戶之間的聯系被切斷；余震也給搶修工作帶來麻煩，震后多處險情并發，指揮中心往往負荷較重，人員設備緊缺，影響到抗震減災工作的正常進行。震后情景模式的預測若僅僅考慮燃氣供應系統本身，結果會將震后情況簡單化，不利于震后救災工作的安排與實施。
2 燃氣管網震害風險評價
為了既保障地震后城市燃氣系統基本處于安全狀態，又能使投資的成本收益達到最大化，我們需要開展震害風險評價。在進行震害風險評價時需要對城市空間進行網絡劃分，城市空間網絡劃分可通過GIS綜合信息系統和地震強度空間分布預測系統來實現。
災害的風險可用下式表示[7]：
式中F——風險
W——危險性
S——易損性
Z——防災減災能力
城市燃氣管網震害風險評價涉及到場地類別、地震強度、燃氣管網參數與抗震性能、抗震減災措施和GIS信息系統等方面，其典型流程見圖1[8]。
由圖1可知，燃氣管網震害風險評價流程分為以下4個步驟：
① 先把燃氣管網抗震性能輸入燃氣管網數據，然后將場地類型數據、燃氣用戶數據和燃氣管網數據輸入GIS綜合信息系統，再通過城市地震災害數據庫對地震發生的概率性(或確定性)進行預測，然后將預測結果輸入地震強度空間分布預測系統，再將GIS綜合信息系統與地震強度空間分布預測系統進行系統復合分析，得到燃氣管網震害，進而得出直接、間接經濟損失。
② 通過燃氣管網抗震性能對待評估的抗震減災措施進行評估，得出降低損失及實施成本。
③ 通過步驟①得到的直接、間接經濟損失和步驟②得到的降低損失分析可實現的減災效益，然后運用可實現的減災效益與步驟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，然后控制系統其他風險。
震害風險評價的主要目的是在保障震后城市燃氣系統基本處于安全狀態的基礎上，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措施安全性和經濟性的定量評價，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節，防止短板效應的出現。風險評價的實踐經驗表明，制定合理的震后應急反應預案的成本效益較好。燃氣公司可根據實際情況進行決策，既要保證系統的安全性，也要避免過量的投資。
3 埋地燃氣管網抗震及減災措施
3.1 埋地燃氣管網抗震措施
① 增加場地地基土強度
地基土類別對管網抗震性能具有很大的影響，堅硬地基中的管道變形小、應力小，具有較好抗震性能；軟弱地基中的管道變形大、應力大，抗震性能差。
在敷設管網時應避開軟弱地基[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。避開地質構造上的斷層帶，且不應平行于斷層可能變形最大的走向。當穿越斷層時，應斜交以減少管道的剪切變形。應選擇地勢平坦開闊的場地，避開陡坡峽谷、孤立的山丘等地質構造不連續的地方。
當管網埋在易液化的場地時[9]，管網應盡量淺埋，且用疏松、較輕容重的土回填，以減小土的彈性常數，進而減小管道應力。在可能的條件下，可采用將管網自由放置于支撐墩上的地上敷設方式，若不能放置于地上，可將管網自由放于砌筑的管溝內，溝頂用混凝土預制板鋪蓋，再回填松土。
對于軟弱地基，可通過強夯、做混凝土基礎或打樁基礎等措施來增大地基的承載能力，從而提高地基土體類別，使管網具有較好的抗震性能。
② 調整管道內在因素
管體在地震時不會輕易被破壞，但鋼管和鑄鐵管容易銹蝕，因此應加強防腐措施，并對管道定期檢查、及時更新。鋼管的薄弱環節在于焊縫處，鑄鐵管的薄弱環節在于接口處，對焊縫處應加強防腐處理，并定期檢查，接口應采用柔性抗震接口。從抗震角度來看，耐腐蝕、延展性好的聚乙烯管道頗有前途，因此應大力發展聚乙烯燃氣管道。應盡量采用大外徑管道，定期對管道的有效壁厚進行檢查，有效壁厚達不到設計要求的，必須及時修補或更換。對于服役年限長達數十年的管道，應進行更換。對于地震多發區的服役年限較長的中低壓管道，應制定可行的更換計劃。
3.2 埋地燃氣管網減災技術措施
① 震時自動切斷系統和震后管網故障排查
地震后震害比較嚴重的區域，管網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域的燃氣供應，將會產生重大次生災害。由于燃氣管網覆蓋面較廣，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是比較困難的，而建立震時燃氣自動切斷系統才是最合理的解決方案。
震時燃氣自動切斷系統按照安裝地點可分為3種情況：a.用戶端或樓棟前管網的自動切斷系統可通過安裝具有感震功能的智能燃氣表實現，這部分量大、成本高，但效果好。b.對具有高、中、低壓力級制的管網系統，一般在中-低壓區域調壓站內安裝地震強度傳感器來控制低壓管網緊急切斷閥的自動關閉，雖然區域調壓站相對量少，但是一旦切斷可確保一個區域的安全，可操作性強。c.對于主干管道和相應燃氣設施的切斷，則由遠程控制系統根據震害情況實施，此外各燃氣廠站、居民小區、大型公共建筑物以及學校醫院等重要部門，也應裝設自動或遙控切斷系統防止燃氣大規模泄漏。
主干管道應能檢測到燃氣的大量泄漏，在管道破裂或斷裂時能自動關閉切斷閥，減少燃氣泄漏，對不能實現自動或遙控切斷的受損管段應由巡查人員手動切斷。在緊急情況下，可通過遠程控制系統開啟放散管排空管道內氣體。必須注意的是，切斷燃氣的決策應在充分考慮地震規模、抗震條件、管網受損狀況、搶修能力、對險情判斷準確的基礎上進行，否則由于恢復供氣的流程復雜，耗時較長，可能造成一定的被動局面。
震后應加強對城市燃氣管網設施的監控和巡查，密切注視主干管道的壓力變化，及時全面地掌握供氣系統的失效受損和泄漏情況。在大量用戶關停的情況下，要注意監視燃氣管網的壓力變化，防止長輸管道及市內輸配管網的超壓爆管。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點控制壓力2.5MPa，爆管隨時可能發生[10]。對于可能存在安全隱患的供氣區域，應采取降低壓力、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，安排專業的搶修人員和必要的探測搶修設備，根據各管段用戶的重要性及恢復重建的速度和成本，確定優先搶修次序。對受損管段進行排查和修復，特別是地表發生永久變形的區域和有群眾報險的區域，應重點巡查。
② 震后恢復供氣
地震對城市功能的破壞影響往往是區域性的，根據實際情況，震后部分城區需要及時恢復供氣，部分城區需要停氣檢修。依據調壓站的布局，可以將整個供氣區域劃分為若干個子區域，使各子區域供氣不受其他區域影響。子區域的劃分應考慮到燃氣管網的分布狀況、場地條件和燃氣公司的應急搶修能力等因素。在區域邊界處裝設手動或自動切斷閥。子區域的大小可依據實際情況確定，以保證因地震導致的局部影響最小為原則，即地震發生時根據管網受損情況適時切斷相應子區域的供氣，能在防止二次災害發生的前提下盡量減小停氣范圍，同時燃氣管網應盡可能連成環狀，以減小局部管道失效的影響。停氣區域內居民對燃氣的需求，可通過臨時提供瓶裝LPG、灶具、便攜式LPG發電(或熱電聯供)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，特別是保障醫院、學校、抗震搶險部門等重要公共服務部門的供氣。
停止供氣后的恢復供氣工作是分區域進行的，一般應在查明管網受損、道路房屋損壞、設備材料調撥等狀況的基礎上，從受害較輕、修復時間較短、重要性較高的區域開始恢復供氣。恢復應遵循從高壓管道、中壓管道、低壓管道到用戶端的順序，逐一排查檢修和試壓，在確定整個供氣區域內無異常情況和安全隱患后，方可恢復供氣。
③ 實時地震監測與震害信息分析系統
地震發生后，應急指揮人員必須在最短時間內了解震害的地理分布和嚴重程度，有效地組織減災工作，確定能否繼續正常供氣或恢復供氣。由于燃氣管網的覆蓋區域較大，震后各種情況錯綜復雜，條件惡劣，震害情況很難在第一時間內獲得，因此建立實時地震監測和震害信息分析系統是非常有必要的。
實時地震監測與震害信息分析系統成功的例子是：日本東京煤氣公司開發的超密集實時地震監測系統SUPREME[11～12]。(Super-dense Real-time Monitonng of Earthquake)，這是一個典型的實時地震監測與震害信息分析系統。該系統包括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據專線和無線電系統向指揮中心傳遞。系統中儲存了各子區域的土壤類型、場地特性、管網參數和用戶分布等數據，SUPREME系統通過與GIS系統復合，可迅速估算出各供氣區域管網的受損狀況，為抗震決策提供依據。
在1995年阪神地震和2004年新溺地震中，此類系統起到了明顯的減災作用，引起了世界各國專家的重視。如果沒有地震實時監測系統，就要通過現場巡查和搶險人員利用便攜式通信設備、影像設備和定位設備，以無線傳輸的方式將管網受損信息返回應急指揮中心。對于低壓管道和用戶端燃氣設施，由于其破壞概率相對較高且分布區域較廣，而專業人員數量有限，這時就需要通過群眾報告來獲取震害信息，因此應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入GIS系統[13～14]和數據庫系統，為及時決策提供有效信息。由此看來，沒有實時地震監測系統，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。
3.3 燃氣管網減災管理措施——應急預案制定
地震災害的不確定性較強，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，因此做好應急預案顯得尤為重要。燃氣企業應加強抗震防災的意識，結合企業建設和發展的實際情況，根據震害預估的結果，制定合理可行的多級抗震防災應急預案[15～18]。同時應考慮重大災難緊急處置的法制化，保證燃氣事故的應急處理能夠在震時獲得較高的優先權，適當簡化搶險中的各種行政審批手續，以免延誤抗震減災工作的及時進行。應和燃氣用戶合作，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。
在假設的地震震級下，利用城市燃氣管網震害模擬仿真系統對地震的動參數進行模擬計算，然后結合GIS系統中的場地性質、管網參數等數據，分區域計算管網破壞情況及由此導致的震害損失，找出易受震害區域和最危險區域，為制定工程計劃和應急處置預案提供科學依據。
參考文獻：
[1] 陳頤，陳運泰，張國民，等.十一五期間中國重大地震災害預測預警和防治對策[J].災害學，2005，20(1)：1-14.
[2] 黃強兵，彭建兵，楊天亮.埋地管道在地震波作用下的抗震性能分析[J].工程勘察，2004，32(3)：64-67.
[3] 湯愛平，歐進萍.城鎮埋地管網震害特征與破壞機理[J].地震工程與工程振動，2002，22(4)：120-126.
[4] 郭恩棟，劉如山，孫柏濤.地下管線工程地震破壞等級劃分標準[J].自然災害學報，2007，16(4)：86-90.
[5] 金康錫，任愛珠.煤氣管道的震害率分析[J].自然災害學報，2007，16(3)：148-153.
[6] 宓亢琪.埋地燃氣鋼管抗震計算與分析[J].煤氣與熱力，2010，30(5)：A36-A39.
[7] 金江軍，潘懋，徐岳仁.城市地震災害風險評價方法研究[J].西北地震學報，2007，29(2)：109-113.
[8] 周偉國，張中秀，孔令令.城市燃氣管網的震害分析及減災對策[J].土木建筑與環境工程，2009，31(4)：70-75.
[9] 張魯兵，張同，顏偉.燃氣管道抗震措施[J].城市公用事業，1999，13(4)：35-37.
[10] 何焱，錢浩.汶川大地震后天然氣調度應急思考[J].天然氣工業，2008，28(7)：126-128.
[11] SHIMIZU Y，YAMAZAKI F，YASUDA S，et al.Development of real-time safety control system for urban gas supply network[J].Journal of Geoteehnieal and Geoenvironmental Engineering，2006，5(2)：237-249.
[12] 陳輝.城市燃氣管網抗震系統和措施[J].煤氣與熱力，2010，30(9)：A39-A42.
[13] 肖久明，應援農，席丹.城鎮燃氣系統地震災損分析及災后思考[J].煤氣與熱力，2010，30(11)：B32-B37.
[14] 白連明，儲強，宋桂平.燃氣地理信息系統的建設與應用[J].煤氣與熱力，2010，30(2)：B33-B36.
[15] 楊光，段為民，錢勤暉，等.第三方施工工地燃氣管道搶修應急預案的編制[J].煤氣與熱力，2009，29(1)：B37-B39.
[16] 李志達.LNG氣化站的安全技術措施與事故應急預案[J].煤氣與熱力，2007，27(3)：49-53.
[17] 朱萬美.燃氣事故預防及應急搶險預案編制提綱[J].煤氣與熱力，2008，28(3)：B46-B48.
[18] 詹淑民.天然氣管線及站場事故應急預案的編制[J].煤氣與熱力，2008，28(4)：B39-B42.
(本文作者：趙新濤1 程貴海2 1.重慶大學 土木工程學院 重慶 400045；2.廣西大學 資源與冶金學院 廣西南寧 530004)
贊 賞 分享
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉賬贊助
微信轉賬贊助
- 注解：本資料由會員及群友提供僅供閱讀交流學習，不得用于商業用途！
