浅议地震对地下管道的危害特征与反应分析

摘要：本文回顾了地下管道在国内外的几次大地震中所受到的震害现象，并从地震中得到启发和认识。为了更好地推进对地下管道抗震性能的研究，重点阐述了地下管道震害方面的相关研究情况，并针对地下管道的震害特点,介绍了地下管道抗震的主要措施与对策。
　　关键词：地下管道；震害特征；屈曲变形；上浮作用；抗震性能
　　一、引言
　　随着现代化城市的不断“扩张”与发展，地下管道已广泛的应用于输油(气)、输水等方面，因此说，地下管道是现代化城市生活的一个大动脉，也可以称作生命线工程。许多的地震工程学家逐渐意识到生命线工程不但可以给城市带来活力，还会因地震对地下管道造成严重破坏，给城市带来巨大的灾难。所以，当前我们面临的最大难题就是如何减轻地震灾害。
　　二、地面大位移时地下管线的屈曲
　　地面大位移通常是指滑坡等整体地面运动和断层运动。在地面大位移时，对地下管道的破坏进行深入研究具有十分重要的意义。S•Kyriakides等人研究了地下管道在地震中受到的破坏，主要体现在地面大位移时地下管道的屈曲，它包括两种屈曲。第一种是梁型屈曲，地下管子依照梁的模型进行工作，在外加轴向荷载作用下，管子本身从地面逐渐向外弯曲，Newmark和Hall则一致认为，在管子能够承受较大压缩应变的断层作用区时，管子的屈曲是理想的，可以防止严重破裂或断裂；第二种是壳型的屈曲，这类屈曲是很不理想的，因为它不能有效地避免管子发生断裂或破裂。
　　通过分析轴向应变对弹性地基上径向支承的弹性和弹塑性筒壳的影响时，Lee，Ariman和Chen总结出了一些有意义的结论，他们的结论进一层说明，对粘性土的加密等因素在管道内产生应变、断层作用(引起土的大位移)及滑坡连同液化进行深入研究具有很大的意义。
　　1、断层运动对地下管道的影响
　　地面在大位移时的形式之一就是发生断层，因此，我们应该特别关注断层运动对土体或岩石中的地下管道所造成的影响。
　　在地震中，由于管道与活动断层在相交时产生了地表的断裂运动，从造成了管道的横向变形和纵向应变。当断层顺着管轴不断的纵向运动，使得管子形成压缩或拉伸，一旦拉伸的程度超过管子的受拉极限，破坏就会产生；由于薄壳失去稳定性而产生壳型屈曲的破坏，而当管道因为在受压作用下就会形成梁型屈曲的破坏。通过实际的观测结果，我们发现，在一次大的断层运动后，对管道造成的梁型屈曲与壳型屈曲就会同时存在。这个时候，管道是依照筒壳进行工作，假如是按照梁模型工作，就不能对活动断层附近的管段做出分析，也不能很好的介绍管内的局部皱折。Ariman等人针对在地面大位移下对地下管道造成的断裂和屈曲破坏进行了深入研究，研究表明它的机制很复杂，除此之外，还发现了管道屈曲在起初开始发生时不会造成断裂发生，但是后来形成的压缩会导致断裂产生。所以，在该情况下就需要对屈曲后的断裂进行详细分析。
　　2、砂土液化对地下管道的影响
　　地面大位移时的另外一种形式就是砂土液化。日本新泻1964年的地震、日本海中部1983年地震，都是因为地基液化而造成许多地下管道受到破坏。所以，对地下管道的抗液化进行有关研究十分重要。甘文水等人通过研究指出，在地震中当地下管道周边的土体大面积发生液化时，液化土将会对地下管道生成上浮力，情况严重时就会造成破裂。有关研究进一步说明，液化土的上浮和振动作用，极大破坏了地下管道。此外还表明，管道在完全液化前出现突起现象；管道在完全液化终止之后出现沉降。
　　有关液化的地震研究与观测表明：(1)管道在液化土中由于受上浮作用而产生了在某一液化区达到最大值的长度时，会逐渐随着液化区的扩大而减小；(2)轴力决定着管道的上浮反应，如果轴力越大那么上浮反应也就越大；(3)管道埋置越深，造成的上浮反应也就越大，所以，浅埋管道有利于抗液化。
　　三、地震对给水管道造成破坏的主要原因分析
　　1、从力学角度出发，冈本舜分析了地震对给水管道造成破坏的主要原因：
　　(1)地基的承载力由于受地震的振动而减小。
　　(2)局部场地出现的滑动现象，导致了管道与地基同时发生大移动，在与其相邻接地方的相交部位，生成较大的剪力。
　　(3)因为地基的非弹性或弹性的变形造成管体发生变形。对于管轴方向的变形管道不能阻挡，就需要压坏或拔出，管道不能抗御垂直管轴方向的变形时，则需要折坏。
　　(4)当地基或管体自身的刚性发生急剧变化时，就会有局部的轴向力或较大的弯曲作用于管道上。
　　(5)在管道的弯曲部分、死头部分、变径部分、三通部分等，存在动水压力作用；在管道的屈曲部分，对管体产生较大的弯曲作用。
　　2、通过研究输水管道的震害与埋设方向、埋设深度和地基之间的关系，大石博提出：
　　(1)软硬混合的地基对地下管道有不利影响。
　　(2)通常认为管道如果埋置很深时，造成的震害小。但是，考虑到受震后，难于发现受灾处，进行修理及维护管理有一定难度等。
　　(3)管道的震害程度与地震动的主要振动方向有联系。假若在管道相垂直方向受到振动时，管道就会挠曲，在管的接头部分挠度变大，从而出现严重的变形现象，在这部分管道出现破裂；当管道方向受到一定的振动时，就会被拉断、被拔除或者相互撞击，因此管道的纵方向就会有裂缝出现。
　　(4)要求管道的接头必须为防止抗震变形来设计。地下管道必须具有柔韧性和伸缩性，才能更好地适应大地震时非弹性的地基变动发生。
　　四、地下管道的抗震措施与对策
　　1、美国圣费尔南多地震后的抗震对策
　　由于断层运动、断层区土挤压和滑坡引起了地下管道受到破裂和严重变形。管道的破坏通常出现在其他结构和储罐与管子的连接部位。连接处的地下管道受土约束的与受较少约束的储罐或结构之间发生较大反应；也有可能是因为液化土中硬土、软土与岩石之间的断裂面和管子的相对运动而引起。
　　一般来说，石油管道的抗震性能较好，管道应该注重产生相对位移的部位(断层、支撑结构、液化和阀门、结构、储罐的连接头等)的抗震设计。为了把液化引起的土体巨大震动或断层运动所导致管道的破坏程度降到最低，抗震原则主要有以下几点：在布置管道时要尽量防止压缩变形；在土体突然错动区域，应对管道敷设厚壁管;；为避免突然应变，宜采用延性的钢材来提高延伸性。
　　2、日本大地震后输水管道的震害经验概括如下：
　　(1)水压的不稳定会对管道造成严重破坏，通水后的管道随着水压的突然提高，管道的破坏地方也越来越多。
　　(2)企业和工业在设计管道时，一定要注意避免地震引发的火灾的发生。因为，一旦地震中发生火灾，那么所有的防御措施都起不到作用。
　　(3)在研究抗震设计时，引起对地基问题的注意。一般情况，如果场地条件差会加大管道的破坏程度，地基处理不得当更容易引发更大灾害。
　　(4)在地基不坚固的地方以及震源周围，管道所受到的震害较严重。
　　(5)针对输水管道，要求钢管设置在坚固地基上才具有抗震的能力。尽管输水管道宜采用深埋的方法，然而考虑到便于进行日常维修，所以埋置深度以1.8m为最佳。
　　五、小结
　　由于输油管道与给水管道的输送介质不同，而且本身的材质也不一样，因此，在地震中的特点和受震害的程度上也存在一些差异。输油管道在遭遇地震时，与断裂处平行的管道受到的危害较大，输油管道的管材宜使用具有良好延伸性的钢管，而且管道适合浅埋，有利于抗震；对于给水管道，在地震时和主断裂相交的管段受到的震害较大，输水管道的管材一般采用聚乙烯、铸铁、钢管等，为了有效地抗震和方便抢修与救灾，管道埋置的深度应该适当。我们只有合理的布置地下管道，才能提高地下管道在地震中的抗震，避免造成严重的灾害。
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