摘要：对燃气管网的地震破坏机理和形式以及影响燃气管网地震破坏的因素进行了分析，探讨了燃气管网的震害风险评价，提出了燃气管网的抗震措施及减灾的技术措施和管理措施。
关键词：燃气管网；地震破坏；抗震减灾；震害风险评价
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 地震对燃气管网的破坏
1.1 燃气管网的地震破坏机理和破坏形式
埋地管网在地震作用下易发生破坏[1～3]，其破坏机理分为两种情况：一是地震时土壤结构严重破坏，失去整体性和连续性而导致管网破坏，比如：山崩、地裂、断层错动、岸坡滑动和砂土液化等；二是地震波在土壤中传播，引起土壤变形，夹裹管网产生过大变形而破坏，这时土壤并未失去整体性和连续性。针对第一种情况，在规划、工程选线时应尽可能避开这些场地，否则应从管道结构上采取必要的抗震措施；对于后一种情况，因其涉及面较广，是不可避免的，因此是研究的重点。大量调查表明，对埋地管网破坏最严重的是断层引起的地表断裂，其次是砂土液化和不均匀沉降，然后是强地面运动引起的管网破坏，后者也是最常见的。
燃气管网在地震后的破坏形式主要表现为：接口破坏、管体破坏、管道附件以及管道与其他地下结构连接处破坏[4]。由相关研究可知，燃气管道的地震应力和应变一般小于管材极限强度和应变，因此管道本身破坏概率较小，破坏主要集中在接口位置。接口破坏包括：三通、弯头或承接口压扁、开裂、拉脱、法兰漏气、折断等，管道破坏一般呈管身弯曲、破裂、折断等形式。
由于震后用气量减少而泄漏量增加，因此依靠管网压力和流量判断管网受损情况难度较大。在管网状况和地基土一定的条件下，可根据地震动强度初步判断各个区域内燃气管网的破坏情况，常用的分析参数包括地震动峰值速度、地震动峰值加速度、永久地面变形和波谱强度等[5]。
燃气管网破坏的密集程度可用管网的震害率表示，震害率用下式计算：
式中η——震害率，处/km
n——在调查距离内的管网破坏处数量，处
d——凋查距离，km
地震烈度越大，震害率越大，震害率还和管材、管径、壁厚、接口类型、地基土类别等有关。
1.2 影响燃气管网地震破坏的因素
依据相关理论研究，并通过数据统计和灾后损失情况调查，可知地震对燃气管网的破坏作用主要受以下因素的影响：地震动强度、场地类别、管道口径和壁厚、管材、接口形式、管道服役年限及腐蚀情况、管内气压。
① 地震动强度。距离震中越近或地震震级越大，则地震动强度越大，那么管网的破坏也就越严重。
② 场地类别。管网破坏易发生在不同地质、地形单元交界处或岩土条件变化比较大、覆盖层厚、土软的地段。根据笔者进行管道在地震作用下的动力响应研究可知，管道的破坏一般与周围土体变形密切相关，埋在基岩里的管道破坏概率很小，埋在粗颗粒土体中的管道破坏一般，而埋在细颗粒土体(如黏土、淤泥等软地基)中的管道破坏比较严重。
③ 管道口径和壁厚。管道截面积大则破坏概率小，刚度大可有效抑制管道和周围土体的变形，大口径或壁厚大的管道截面积和刚度都大，其破坏率明显小于小口径或薄壁的管道。
④ 管材。延展性好、强度高的管材抗震性能好，钢质管道抗震性能明显强于铸铁管，采用热熔连接的聚乙烯管和室内铜管也表现出了良好的抗震性能，因此，大力发展聚乙烯管道是颇有前途的。
⑤ 接口形式。柔性接口的抗震性能明显好于刚性接口，例如：橡胶圈柔性接口管道的抗震性能好于刚性接口，焊接和机械接口好于螺纹接口。
⑥ 管道服役年限及腐蚀情况。管道服役年限越长，其强度和延展性就越差，管道越易遭到破坏。如果管道腐蚀比较严重，壁厚就会有明显减小，管道的地震应力就会增大，从而导致管体发生破坏的概率增大。
⑦ 管内气压。管道内的气压对破坏也有显著影响，低压管道破坏概率相对于厂站设备和高、中压管道要大得多。由文献[6]计算结果可知，这是由于随着管道内气压的升高，由地震引起的管道应变下降，管道应力也随之下降，管道破坏概率降低，抗震性能增加，因此，高气压可以增加管道抗地震破坏能力。
在以上因素中，属于外在因素的有地震动强度和场地类别，由黄强兵等[2]和笔者的理论研究可知这两个因素是影响管道破坏的主要因素，其中场地类别可以人为控制。管道口径和壁厚、管材、接口形式、管道服役年限及腐蚀情况、管内气压这5个因素属于内在因素，在制定抗震措施时应主要考虑。
1.3 震后燃气管网抢险的复杂性
震后城市各生命线系统相互影响，对燃气管网抢险工作的开展有一定阻碍作用。如供电系统失效引起燃气控制系统断电失效、照明中断；供水系统失效导致泄漏的水灌入失效燃气管道，消防用水紧张，水压不足，发电机组缺少冷却水；交通系统瘫痪导致人员、机械无法高效输送，燃气公司通往各站点的道路中断，通往火灾现场的道路中断；通信系统失效导致信息传递和通信不便，燃气公司与用户之间的联系被切断；余震也给抢修工作带来麻烦，震后多处险情并发，指挥中心往往负荷较重，人员设备紧缺，影响到抗震减灾工作的正常进行。震后情景模式的预测若仅仅考虑燃气供应系统本身，结果会将震后情况简单化，不利于震后救灾工作的安排与实施。
2 燃气管网震害风险评价
为了既保障地震后城市燃气系统基本处于安全状态，又能使投资的成本收益达到最大化，我们需要开展震害风险评价。在进行震害风险评价时需要对城市空间进行网络划分，城市空间网络划分可通过GIS综合信息系统和地震强度空间分布预测系统来实现。
灾害的风险可用下式表示[7]：
式中F——风险
W——危险性
S——易损性
Z——防灾减灾能力
城市燃气管网震害风险评价涉及到场地类别、地震强度、燃气管网参数与抗震性能、抗震减灾措施和GIS信息系统等方面，其典型流程见图1[8]。
由图1可知，燃气管网震害风险评价流程分为以下4个步骤：
① 先把燃气管网抗震性能输入燃气管网数据，然后将场地类型数据、燃气用户数据和燃气管网数据输入GIS综合信息系统，再通过城市地震灾害数据库对地震发生的概率性(或确定性)进行预测，然后将预测结果输入地震强度空间分布预测系统，再将GIS综合信息系统与地震强度空间分布预测系统进行系统复合分析，得到燃气管网震害，进而得出直接、间接经济损失。
② 通过燃气管网抗震性能对待评估的抗震减灾措施进行评估，得出降低损失及实施成本。
③ 通过步骤①得到的直接、间接经济损失和步骤②得到的降低损失分析可实现的减灾效益，然后运用可实现的减灾效益与步骤②得出的实施成本进行成本效益分析与方案选择。
④ 通过步骤③得出的成本效益分析与方案选择来实施选定方案，然后控制系统其他风险。
震害风险评价的主要目的是在保障震后城市燃气系统基本处于安全状态的基础上，使投资的成本收益达到最大化。通过对所采取的不同抗震防灾措施安全性和经济性的定量评价，有针对性地作出决策。在资源有限时，将主要资金和精力投入到最薄弱环节，防止短板效应的出现。风险评价的实践经验表明，制定合理的震后应急反应预案的成本效益较好。燃气公司可根据实际情况进行决策，既要保证系统的安全性，也要避免过量的投资。
3 埋地燃气管网抗震及减灾措施
3.1 埋地燃气管网抗震措施
① 增加场地地基土强度
地基土类别对管网抗震性能具有很大的影响，坚硬地基中的管道变形小、应力小，具有较好抗震性能；软弱地基中的管道变形大、应力大，抗震性能差。
在敷设管网时应避开软弱地基[8]，如：饱和砂土、人工填土、松弛的细砂地基、具有较高地下水位的细砂地基等，要选择坚硬的场地，如：基岩、坚实的碎石、硬黏土等。避开地质构造上的断层带，且不应平行于断层可能变形最大的走向。当穿越断层时，应斜交以减少管道的剪切变形。应选择地势平坦开阔的场地，避开陡坡峡谷、孤立的山丘等地质构造不连续的地方。
当管网埋在易液化的场地时[9]，管网应尽量浅埋，且用疏松、较轻容重的土回填，以减小土的弹性常数，进而减小管道应力。在可能的条件下，可采用将管网自由放置于支撑墩上的地上敷设方式，若不能放置于地上，可将管网自由放于砌筑的管沟内，沟顶用混凝土预制板铺盖，再回填松土。
对于软弱地基，可通过强夯、做混凝土基础或打桩基础等措施来增大地基的承载能力，从而提高地基土体类别，使管网具有较好的抗震性能。
② 调整管道内在因素
管体在地震时不会轻易被破坏，但钢管和铸铁管容易锈蚀，因此应加强防腐措施，并对管道定期检查、及时更新。钢管的薄弱环节在于焊缝处，铸铁管的薄弱环节在于接口处，对焊缝处应加强防腐处理，并定期检查，接口应采用柔性抗震接口。从抗震角度来看，耐腐蚀、延展性好的聚乙烯管道颇有前途，因此应大力发展聚乙烯燃气管道。应尽量采用大外径管道，定期对管道的有效壁厚进行检查，有效壁厚达不到设计要求的，必须及时修补或更换。对于服役年限长达数十年的管道，应进行更换。对于地震多发区的服役年限较长的中低压管道，应制定可行的更换计划。
3.2 埋地燃气管网减灾技术措施
① 震时自动切断系统和震后管网故障排查
地震后震害比较严重的区域，管网破坏程度和震害率均较大，燃气将大量泄漏，如不能及时切断该区域的燃气供应，将会产生重大次生灾害。由于燃气管网覆盖面较广，地震时人群情绪恐慌，震后又常常面临大面积交通瘫痪、通信中断、人员短缺等问题，因此靠人工切断燃气供应是比较困难的，而建立震时燃气自动切断系统才是最合理的解决方案。
震时燃气自动切断系统按照安装地点可分为3种情况：a.用户端或楼栋前管网的自动切断系统可通过安装具有感震功能的智能燃气表实现，这部分量大、成本高，但效果好。b.对具有高、中、低压力级制的管网系统，一般在中-低压区域调压站内安装地震强度传感器来控制低压管网紧急切断阀的自动关闭，虽然区域调压站相对量少，但是一旦切断可确保一个区域的安全，可操作性强。c.对于主干管道和相应燃气设施的切断，则由远程控制系统根据震害情况实施，此外各燃气厂站、居民小区、大型公共建筑物以及学校医院等重要部门，也应装设自动或遥控切断系统防止燃气大规模泄漏。
主干管道应能检测到燃气的大量泄漏，在管道破裂或断裂时能自动关闭切断阀，减少燃气泄漏，对不能实现自动或遥控切断的受损管段应由巡查人员手动切断。在紧急情况下，可通过远程控制系统开启放散管排空管道内气体。必须注意的是，切断燃气的决策应在充分考虑地震规模、抗震条件、管网受损状况、抢修能力、对险情判断准确的基础上进行，否则由于恢复供气的流程复杂，耗时较长，可能造成一定的被动局面。
震后应加强对城市燃气管网设施的监控和巡查，密切注视主干管道的压力变化，及时全面地掌握供气系统的失效受损和泄漏情况。在大量用户关停的情况下，要注意监视燃气管网的压力变化，防止长输管道及市内输配管网的超压爆管。如：汶川地震后8h，输气干线北干线末点、威青线起点的青白江站的管道压力逼近最高节点控制压力2.5MPa，爆管随时可能发生[10]。对于可能存在安全隐患的供气区域，应采取降低压力、增投加臭剂等措施，最大限度地保证供气安全。对有明显压力降的管道，安排专业的抢修人员和必要的探测抢修设备，根据各管段用户的重要性及恢复重建的速度和成本，确定优先抢修次序。对受损管段进行排查和修复，特别是地表发生永久变形的区域和有群众报险的区域，应重点巡查。
② 震后恢复供气
地震对城市功能的破坏影响往往是区域性的，根据实际情况，震后部分城区需要及时恢复供气，部分城区需要停气检修。依据调压站的布局，可以将整个供气区域划分为若干个子区域，使各子区域供气不受其他区域影响。子区域的划分应考虑到燃气管网的分布状况、场地条件和燃气公司的应急抢修能力等因素。在区域边界处装设手动或自动切断阀。子区域的大小可依据实际情况确定，以保证因地震导致的局部影响最小为原则，即地震发生时根据管网受损情况适时切断相应子区域的供气，能在防止二次灾害发生的前提下尽量减小停气范围，同时燃气管网应尽可能连成环状，以减小局部管道失效的影响。停气区域内居民对燃气的需求，可通过临时提供瓶装LPG、灶具、便携式LPG发电(或热电联供)机组的方式解决，LPG可通过槽车运输。尽可能对集中居民安置点提供临时管道供气，特别是保障医院、学校、抗震抢险部门等重要公共服务部门的供气。
停止供气后的恢复供气工作是分区域进行的，一般应在查明管网受损、道路房屋损坏、设备材料调拨等状况的基础上，从受害较轻、修复时间较短、重要性较高的区域开始恢复供气。恢复应遵循从高压管道、中压管道、低压管道到用户端的顺序，逐一排查检修和试压，在确定整个供气区域内无异常情况和安全隐患后，方可恢复供气。
③ 实时地震监测与震害信息分析系统
地震发生后，应急指挥人员必须在最短时间内了解震害的地理分布和严重程度，有效地组织减灾工作，确定能否继续正常供气或恢复供气。由于燃气管网的覆盖区域较大，震后各种情况错综复杂，条件恶劣，震害情况很难在第一时间内获得，因此建立实时地震监测和震害信息分析系统是非常有必要的。
实时地震监测与震害信息分析系统成功的例子是：日本东京煤气公司开发的超密集实时地震监测系统SUPREME[11～12]。(Super-dense Real-time Monitonng of Earthquake)，这是一个典型的实时地震监测与震害信息分析系统。该系统包括3800个波谱强度传感器，5台基岩地震仪和20台场地液化传感器，能在震后迅速将各区域的地震强度、管段流量、压力、切断阀动作情况等信息通过公用数据专线和无线电系统向指挥中心传递。系统中储存了各子区域的土壤类型、场地特性、管网参数和用户分布等数据，SUPREME系统通过与GIS系统复合，可迅速估算出各供气区域管网的受损状况，为抗震决策提供依据。
在1995年阪神地震和2004年新溺地震中，此类系统起到了明显的减灾作用，引起了世界各国专家的重视。如果没有地震实时监测系统，就要通过现场巡查和抢险人员利用便携式通信设备、影像设备和定位设备，以无线传输的方式将管网受损信息返回应急指挥中心。对于低压管道和用户端燃气设施，由于其破坏概率相对较高且分布区域较广，而专业人员数量有限，这时就需要通过群众报告来获取震害信息，因此应保障燃气抢险热线的畅通和及时处理。将获取的震害信息导入GIS系统[13～14]和数据库系统，为及时决策提供有效信息。由此看来，没有实时地震监测系统，不仅需要大量人力、物力和时间，而且还会遗漏信息和延误信息分析处理进程，进而延误抢险工作进度，不利于减灾。
3.3 燃气管网减灾管理措施——应急预案制定
地震灾害的不确定性较强，即使是最好的抗震措施也有可能面对罕见烈度地震的威胁，因此做好应急预案显得尤为重要。燃气企业应加强抗震防灾的意识，结合企业建设和发展的实际情况，根据震害预估的结果，制定合理可行的多级抗震防灾应急预案[15～18]。同时应考虑重大灾难紧急处置的法制化，保证燃气事故的应急处理能够在震时获得较高的优先权，适当简化抢险中的各种行政审批手续，以免延误抗震减灾工作的及时进行。应和燃气用户合作，即通过传单、告示、电视、广播、宣传车、手机短信等媒体平台向用户宣传燃气安全处置方式。
在假设的地震震级下，利用城市燃气管网震害模拟仿真系统对地震的动参数进行模拟计算，然后结合GIS系统中的场地性质、管网参数等数据，分区域计算管网破坏情况及由此导致的震害损失，找出易受震害区域和最危险区域，为制定工程计划和应急处置预案提供科学依据。
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(本文作者：赵新涛1 程贵海2 1.重庆大学 土木工程学院 重庆 400045；2.广西大学 资源与冶金学院 广西南宁 530004)
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