1　绪论

1.1　引言

随着我国国民经济的迅速发展,埋地管线已经成为现代社会生活中的一种重要的基础设施,被广泛应用于供气、输油、城市供水及通信等系统中(如南水北调、西气东输等重大工程),在社会生产和生活中发挥着非常重要的作用。

地震是人类面临的最严重的突发性自然灾害之一。我国处于环太平洋地震带和欧亚地震带之间,地震区域广、强度大、发震频率高,是世界上遭受地震灾害最为严重的国家之一[1]。20世纪,在地震灾害中直接死亡的人数达160万人,其中我国由地震造成的直接死亡人数超过55万人,占52%。20世纪70年代是地球上地震灾害频发的10年,全世界死于地震灾害的总人数达41.29万人,中国占63.7%。例如,1976年的唐山地震中,死亡人数达24万余人,强震区中建筑物、交通、水、电、通信等系统都遭到极其严重的破坏。

供水、供气、供电、通信、交通等工程设施是现代社会生产和人民生活赖以维持的基础性设施,人们形象地称之为生命线工程[2,3]。埋地管线的主要特点是管道的跨越距离比较长,侧向的抗力比较弱,受到各种突发灾害袭击时,特别容易遭到破坏。强震发生时,地下管线的破坏会造成系统功能失效,并可能引发次生灾害,如火灾、爆炸等,会带来巨大的甚至是灾难性的后果,给人们的生命财产造成重大损失。

例如,1906年美国旧金山地震,由于3条主要输水管遭到破坏,城市配水管网上千处破裂,消防水源断绝,以至由地震引起的火灾无法及时扑灭,大火燃烧3个昼夜,800人死亡,财产损失4亿美元[4]。1923年日本关东大地震,横滨的5条大口径给水管折断,涌出的水冲毁了桥台和民房,形成水灾。东京市供水中断,大火烧毁约36km2的市区[5]。1971年美国圣费尔南多地震,饱和砂土液化导致圣诺曼水库东西两侧覆盖土层中长1.5km、宽200m、平均坡度为2.5%的大面积地域产生不均匀滑动,滑动的最大水平位移达2m,从而使包括供水管线、供气管线、污水管线在内的地下管线严重受损。在地面滑动区域内,11条穿过大位移区主要干管和支线都遭破坏,管线最大不均匀横向位移达1.7m。1975年海城地震时,管道遭到不同程度的破坏,输配水管网大量漏水,不能保证正常供水量和水压,有的地方甚至供水中断;排水管道的震害主要是管段破坏和堵塞,城市生活污水和工业企业的有害污水不能顺利排出,因而渗入地下,污染地下水源,后果严重[6]。1976年唐山大地震中,取水泵房70%倒塌,送水泵房80%被严重破坏,管网平均震害率每公里4处,整个城市供水系统瘫痪,一周内无法供水;天津市直径200mm以上的干管破坏58处,破坏率达每公里0.18处;天津市塘沽区由于地基液化和震陷现象显著,管网损失严重,抢修半个月仅恢复震前50%的供水能力[7,8]。1994年美国洛杉矶北岭大地震,圣费尔南多峡谷北部3条主要输水管道遭破坏,导致几个星期的停水,主干管道74处被破坏,支管网破坏严重,大约1200处渗漏[9]。1995年日本阪神地震,神户地区供水系统遭到严重破坏,90%的供水设施受到影响,293处水管破裂,908处水管接头开裂,238处水阀和消火栓被震坏。大约73%的居民震后3d无饮用水,经过两个月的抢修才恢复正常[10,11]。2008年汶川大地震造成灾区供水设施大面积毁损,四川全省181个市县区,受地震影响的有126个市县区,受损水厂156个,受损供水管道累计达47642.5km[12]。

这些惨痛的地震灾害教训使人们开始重视生命线地震工程领域的研究。1974年,美国土木工程学会(ASCE)成立了生命线地震工程技术委员会(The Technical Council on Lifeline Earthquake Engineering),并于1978年召开了第一次学术会议,出版了生命线地震工程专辑[13]。1977年美国机械工程学会(ASME)压力容器和压力管道委员会成立了生命线地震工程专门学组(Task Force on Lifeline Earthquake Engineering),并于1979年召开了生命线地震工程专业组的学术会议,出版了生命线地震工程论文集[14]。此外,美国土木工程学会生命线技术委员会也出版了有关生命线地震工程的专著[15,16]。

继美国之后,日本也开展了生命线地震工程的研究,并于1976年在东京召开了第一届美日生命线地震工程会议。1978年颁布了《大规模地震特别措施法》,着重强调了防震减灾对策的重要性,并注重研究总结震害经验,不断修订完善相关的规范。1979年日本自来水协会出版了《给水工程设计指南》,综合了日本在供水系统抗震研究方面的成果。1983年日本煤气协会(JGA)出版了《地下煤气管线抗震设计实用建议》,1991年和1998年编辑出版了《生命线地震工程》、《地震与城市生命线系统的诊断与恢复》等专著。在生命线地震工程领域的代表人物久保庆三郎(Kobe)、片山恒雄(Katayama)等学者也发表了许多有关生命线地震工程的文章[17,18]。

唐山地震之后,我国成为世界上城市生命线地震工程研究较为活跃的国家之一。建设部于1978年颁发了《室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范》(GB 50032—2003),1982年颁发了《室外给水排水工程设施抗震鉴定标准》(GBJ 43—82)和《室外煤气热力工程设施抗震鉴定标准》(GBJ 44—1982)等。唐山地震后,刘恢先主编的《唐山大地震震害》一书收入关于生命线地震工程的现场考察报告50余篇,对这次地震进行了全面、深入的考察,取得了丰富的成果。1990年侯忠良等出版了《地下管线抗震》、1994年赵成刚等出版了《生命线地震工程》、2002年苏幼坡等出版了《城市生命线系统震后恢复的基础理论与实践》、2005年李杰出版了《生命线工程抗震》、2005年柳春光等出版了《生命线地震工程导论》等专著[19]。

20世纪80年代中期,我国生命线地震工程界开始与日本、美国开展科研合作。自1990年在北京召开首届中国-日本双边生命线地震工程会议以来,中国、日本和美国三国在生命线地震工程方面的研究学者每隔4年聚会一次,已连续举办了4届“中日美生命线地震工程学术讨论会”,并出版了系列会议论文集,促进了三国在生命线地震工程领域的发展和交流。

由于生命线工程本身的复杂性、网络性、空间分布的广泛性、破坏的相关性等造成其地震灾害非常严重。供水系统作为城市主要的生命线分支之一,在近几十年发生的多次破坏性地震中,无一例外地遭到严重破坏。供水系统是由元件和节点组成的具有连通性和功能性双重要求的多连通网络系统,地震时,供水系统中部分元件的破坏(如管道的断裂等)往往会引起系统的一部分或全部功能的失效[20,21]。目前,我国处于地震多发期,大多数城市的供水管网系统又没有经过正规的抗震设计,且正处于老化、规模不足阶段,因此,开展从元件到系统层次的供水管网系统抗震可靠性分析及加固优化研究,作为城市防震减灾工作的内容之一,具有重要的学术意义和实用价值。