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摘要：城市地下供水管道在地震中如果遭受破坏，将造成严重的后果。本文在详细分析地震对地下供水管道破坏作用机理的基础上，提出了城市供水管道防震减灾措施，措施可以有效提高地下供水管网的抗震能力。
关键词：供水管道；抗震；震害分析；抗震对策
中图分类号：TU311.3文献标识码：A 文章编号：
地震是地壳岩石中长期积累的变形能量在瞬时释放的结果，大地震造成了大量工程建筑的破坏和生命财产的损失。以前，人们普遍认为地下结构抗震性能较好，但近几十年来的一系列大地震中地下结构受损的报道逐渐增加，日本阪神大地震中，地下结构遭受了严重破坏，5.12汶川大地震中地下结构也遭受了不同程度的破坏，地下结构的安全性和抗震研究的必要性逐渐得到重视。地下供水管道是城市中主要的地下结构之一，也是城市的生命线[1]。大量的震害经验告诉我们：地下供水管线在地震中极易遭受破坏，造成相应的生命线工程系统的功能性破坏乃至整个系统的瘫痪。目前我国大多数市政供水管道没有经过正规的抗震设计，不少城市曾经或可能遭受强地震影响，潜伏着发生地下供水管道遭受地震破坏的危机。因此，对供水管道抗震加强研究，是很有价值的问题。
1. 供水管道破坏的主要形式和特征
1995年1月17日，日本兵库县南部发生里氏7.2级的阪神大地震，对神户市内包括地下管道在内的地下结构造成了有史以来最为严重的破坏。阪神供水局给水总管与配水管道共毁坏120处，破损率约0.74处/km，许多管线破坏发生在沿河软弱地基中，大部分管线破坏发生在直径相对较小的铸铁管中，并且大多系接头部位发生破坏，且大部分破损的接头是陈旧的铅制机械接头。
根据阪神地震中供水管道的破坏和其他地震资料的研究，可以将直埋地下供水管道的破坏形式归纳为三种基本形态：
（1）接口破坏：如承插式铸铁管接头填料拉松，插头脱出或承口破坏；连续式钢管在焊缝连接处开裂，法兰螺栓松动等；
（2）管体破坏：钢筋混凝土管、石棉水泥管和铸铁管出现纵向和斜向裂缝，小口径管和铸铁管锈蚀严重的管体发生折断；
（3）连接破坏：在三通、弯头、闸门和管道与构筑物的连接处，以及相应的连接件，由于应变集中和运动相位的不一致而造成破坏。
地震中供水管道的破坏特点可归纳如下[2]：
（1）直径相对小的管道容易发生破坏；
（2）石棉水泥管和聚乙烯管的破坏率高；
（3）接头脱位现象严重，其中铸铁管接头脱位通常在陈旧的铅制机械接头处发生；
（4）地层液化会导致管道严重破坏；
（5）阀门、消防栓等管道附件的破坏情况十分严重。
2. 地震对地下供水管道的破坏机理及原因
地下供水管线一般埋深在0.7m左右，地下管道在地震中所受应力主要是由周围土体的相对位移引起的。大量的地震震害经验表明，使地下管道破坏的外部原因主要有两种：一种是场地破坏。场地破坏的形式有断层错动、地质构造性上升或沉陷、砂土液化、河岸滑坡、地表震陷或震裂等；另一种是地震波效应。行进中的地震波导致管线发生过量变形而破坏。
（1）场地土特征及地貌特征
场地土特征及地貌特征包括场地土分类、液化特性、塌陷区、构造地裂和断层滑移等。这类因素直接影响地震时管道周围土体对地下管道作用力的大小和方式，其中地貌特征对管道的破坏形式有决定性作用。阪神大地震后震害调查表明，填土层中管道的破坏最多，冲积层次之。软土地层中管道破坏现象广泛存在，由土质液化引起的破坏性也很大。
资料表明场地条件对地下管道的震害率影响很大，在烈度较低的软弱场地中的管道震害率甚至大于烈度高的坚硬场地中的管道的震害率。
（2）地震烈度
大量震害资料表明地震烈度对地下结构的震害有显著影响，在相同场地土条件下，平均震害率随地震烈度的增加而增加。一般情况下，地震烈度达到7度以上可对管道造成明显的破坏。
（3）地震波动效应
在地震波作用下，管道轴向应变常是控制因素。在直管段中，弯曲应变一般小于轴向应变。在弯曲段，弯曲应变和轴向应变有同样的数量级。地震波在地下管道中引起的惯性力主要由周围土体承受，基本可以忽略自身惯性力对地下管道的影响。地下管道在地震波作用下损坏的原因，主要是管段两点之间的运动不同。导致管道两点间运动不同的原因，首先是管道土体性质不同和衰减作用等造成地震波形的改变，其次是地震波到达的时刻不同，两点的运动相位也不同。垂直于地震波传播方向的管道因相位基本相同，故震害较轻；平行于地震波传播方向的地下管道因为有相位差，震害通常相对严重。
（4）埋深
多数情况下，地下管道的破坏随埋深的增加而减轻。从能量角度看，地下结构埋深越大，由地震面波导致的能量越小，震害应较轻。然而地层构成及管道结构对地震作用有影响，深埋地下管道有时也有可能出现破坏较严重的情況。
（5）管材、口径和管道构造特点
在条件相似的情况下，非刚性接口的钢筋混凝土、铸铁、石棉水泥和钢管管道破坏程度逐渐降低，说明管材对管道的破坏有一定影响，钢管由于有较好的延性，抗震性能较好。但大量震害资料表明，随着地震烈度的增加，不同材质的管道的损坏率将接近，如在地震烈度为10~11度时，铸铁管道和钢筋混凝土管道的破坏率和钢管的破坏率基本相等。
地下管道的抗震性很大程度上取决于管道的口径，现有震害记录中80%以上的损坏或破坏发生在口径小于200mm的地下管道中。其主要原因是小口径管道在土中受到的约束作用比口径300mm以上的管道高得多。
3. 城市地下供水管道的抗震对策
结合城市供水管道地震破坏的主要因素和特点，可以采取如下的应对措施来提高城市地下供水管道的抗震能力：
（1）管道铺设前应充分调查地质情况，尽量避开不规则场地、土壤易液化区、地壳易下陷断层地带，而布置在均匀土质，稳固的地基上；
（2）在软硬地基交界处，必须考虑不均匀下沉。设置柔性接头；当管道必须通过松软地带、液化区、河岸边、滑坡弯时，建议每30~50m设置一个伸缩接头以增强管道抗拉、抗挤压能力，必要时用桩基，并采用抗震性能好的管材；
（3）管道接口尽量使用胶圈柔性接口；
（4）小口径管尽量使用厚壁管；
（5）在管道分支点、转弯、三通、弯头等处，闸阀、管道与构筑物连接处，应设置柔性防脱接口，设置支墩加固措施，考虑地震时不连续容易产生复杂应力，在管件上不得有水平或垂直的突然拐弯；
（6）优先选用抗震性能好的管材。试验及震害调查证明，在抗震性能上，钢管大于预应力混凝土管和铸铁管。钢筋网骨架塑料复合管具有施工方便、耐腐蚀性好、变形能力强等特点，在允许的条件下宜优先选用，可大大提高管道的抗震可靠性；
（7）对过铁路、河流的管线要特别注意防震，最好使用钢管或预应力混凝土管；
（8）管网要布置成环状，有计划地装设调控阀门以便于分割和抢修；对地震时易拉脱或折断的阀门、消火栓、水表井等管道附属设备前后设置柔性接头；
（9）管道进出建筑物时应设置穿墙套管，必须在蓄水池进出管设置阀门以防止因管道被破坏而使池中的蓄水流失；
（10）改建腐蚀严重的老管线。
4. 结束语
地下供水管线是一个城市必不可少的生命线工程，一旦在地震中破坏，将产生严重后果。随着我国大规模城市化的进程，城市的地下管线工程将越来越多，越来月复杂。我国大部分地区为地震设防区，地下供水管线在地震中的安全对于人民生命财产的保障和城市生活的正常进行有着重要的意义，因此必须重视城市供水管道的抗震问题。
参考文献
[1] 李杰. 生命线工程抗震—基础理论与应用[M]. 北京：科学出版社，2004
[2] 郑永来，杨林德，等. 地下结构抗震[M]. 上海：同济大学出版社，2005
作者简介：王亚明，男，1975年3月生，本科，工程师，长期从事房屋建筑施工管理。
关键词：供水管道；抗震；震害分析；抗震对策
中图分类号：TU311.3文献标识码：A 文章编号：
地震是地壳岩石中长期积累的变形能量在瞬时释放的结果，大地震造成了大量工程建筑的破坏和生命财产的损失。以前，人们普遍认为地下结构抗震性能较好，但近几十年来的一系列大地震中地下结构受损的报道逐渐增加，日本阪神大地震中，地下结构遭受了严重破坏，5.12汶川大地震中地下结构也遭受了不同程度的破坏，地下结构的安全性和抗震研究的必要性逐渐得到重视。地下供水管道是城市中主要的地下结构之一，也是城市的生命线[1]。大量的震害经验告诉我们：地下供水管线在地震中极易遭受破坏，造成相应的生命线工程系统的功能性破坏乃至整个系统的瘫痪。目前我国大多数市政供水管道没有经过正规的抗震设计，不少城市曾经或可能遭受强地震影响，潜伏着发生地下供水管道遭受地震破坏的危机。因此，对供水管道抗震加强研究，是很有价值的问题。
1. 供水管道破坏的主要形式和特征
1995年1月17日，日本兵库县南部发生里氏7.2级的阪神大地震，对神户市内包括地下管道在内的地下结构造成了有史以来最为严重的破坏。阪神供水局给水总管与配水管道共毁坏120处，破损率约0.74处/km，许多管线破坏发生在沿河软弱地基中，大部分管线破坏发生在直径相对较小的铸铁管中，并且大多系接头部位发生破坏，且大部分破损的接头是陈旧的铅制机械接头。
根据阪神地震中供水管道的破坏和其他地震资料的研究，可以将直埋地下供水管道的破坏形式归纳为三种基本形态：
（1）接口破坏：如承插式铸铁管接头填料拉松，插头脱出或承口破坏；连续式钢管在焊缝连接处开裂，法兰螺栓松动等；
（2）管体破坏：钢筋混凝土管、石棉水泥管和铸铁管出现纵向和斜向裂缝，小口径管和铸铁管锈蚀严重的管体发生折断；
（3）连接破坏：在三通、弯头、闸门和管道与构筑物的连接处，以及相应的连接件，由于应变集中和运动相位的不一致而造成破坏。
地震中供水管道的破坏特点可归纳如下[2]：
（1）直径相对小的管道容易发生破坏；
（2）石棉水泥管和聚乙烯管的破坏率高；
（3）接头脱位现象严重，其中铸铁管接头脱位通常在陈旧的铅制机械接头处发生；
（4）地层液化会导致管道严重破坏；
（5）阀门、消防栓等管道附件的破坏情况十分严重。
2. 地震对地下供水管道的破坏机理及原因
地下供水管线一般埋深在0.7m左右，地下管道在地震中所受应力主要是由周围土体的相对位移引起的。大量的地震震害经验表明，使地下管道破坏的外部原因主要有两种：一种是场地破坏。场地破坏的形式有断层错动、地质构造性上升或沉陷、砂土液化、河岸滑坡、地表震陷或震裂等；另一种是地震波效应。行进中的地震波导致管线发生过量变形而破坏。
（1）场地土特征及地貌特征
场地土特征及地貌特征包括场地土分类、液化特性、塌陷区、构造地裂和断层滑移等。这类因素直接影响地震时管道周围土体对地下管道作用力的大小和方式，其中地貌特征对管道的破坏形式有决定性作用。阪神大地震后震害调查表明，填土层中管道的破坏最多，冲积层次之。软土地层中管道破坏现象广泛存在，由土质液化引起的破坏性也很大。
资料表明场地条件对地下管道的震害率影响很大，在烈度较低的软弱场地中的管道震害率甚至大于烈度高的坚硬场地中的管道的震害率。
（2）地震烈度
大量震害资料表明地震烈度对地下结构的震害有显著影响，在相同场地土条件下，平均震害率随地震烈度的增加而增加。一般情况下，地震烈度达到7度以上可对管道造成明显的破坏。
（3）地震波动效应
在地震波作用下，管道轴向应变常是控制因素。在直管段中，弯曲应变一般小于轴向应变。在弯曲段，弯曲应变和轴向应变有同样的数量级。地震波在地下管道中引起的惯性力主要由周围土体承受，基本可以忽略自身惯性力对地下管道的影响。地下管道在地震波作用下损坏的原因，主要是管段两点之间的运动不同。导致管道两点间运动不同的原因，首先是管道土体性质不同和衰减作用等造成地震波形的改变，其次是地震波到达的时刻不同，两点的运动相位也不同。垂直于地震波传播方向的管道因相位基本相同，故震害较轻；平行于地震波传播方向的地下管道因为有相位差，震害通常相对严重。
（4）埋深
多数情况下，地下管道的破坏随埋深的增加而减轻。从能量角度看，地下结构埋深越大，由地震面波导致的能量越小，震害应较轻。然而地层构成及管道结构对地震作用有影响，深埋地下管道有时也有可能出现破坏较严重的情況。
（5）管材、口径和管道构造特点
在条件相似的情况下，非刚性接口的钢筋混凝土、铸铁、石棉水泥和钢管管道破坏程度逐渐降低，说明管材对管道的破坏有一定影响，钢管由于有较好的延性，抗震性能较好。但大量震害资料表明，随着地震烈度的增加，不同材质的管道的损坏率将接近，如在地震烈度为10~11度时，铸铁管道和钢筋混凝土管道的破坏率和钢管的破坏率基本相等。
地下管道的抗震性很大程度上取决于管道的口径，现有震害记录中80%以上的损坏或破坏发生在口径小于200mm的地下管道中。其主要原因是小口径管道在土中受到的约束作用比口径300mm以上的管道高得多。
3. 城市地下供水管道的抗震对策
结合城市供水管道地震破坏的主要因素和特点，可以采取如下的应对措施来提高城市地下供水管道的抗震能力：
（1）管道铺设前应充分调查地质情况，尽量避开不规则场地、土壤易液化区、地壳易下陷断层地带，而布置在均匀土质，稳固的地基上；
（2）在软硬地基交界处，必须考虑不均匀下沉。设置柔性接头；当管道必须通过松软地带、液化区、河岸边、滑坡弯时，建议每30~50m设置一个伸缩接头以增强管道抗拉、抗挤压能力，必要时用桩基，并采用抗震性能好的管材；
（3）管道接口尽量使用胶圈柔性接口；
（4）小口径管尽量使用厚壁管；
（5）在管道分支点、转弯、三通、弯头等处，闸阀、管道与构筑物连接处，应设置柔性防脱接口，设置支墩加固措施，考虑地震时不连续容易产生复杂应力，在管件上不得有水平或垂直的突然拐弯；
（6）优先选用抗震性能好的管材。试验及震害调查证明，在抗震性能上，钢管大于预应力混凝土管和铸铁管。钢筋网骨架塑料复合管具有施工方便、耐腐蚀性好、变形能力强等特点，在允许的条件下宜优先选用，可大大提高管道的抗震可靠性；
（7）对过铁路、河流的管线要特别注意防震，最好使用钢管或预应力混凝土管；
（8）管网要布置成环状，有计划地装设调控阀门以便于分割和抢修；对地震时易拉脱或折断的阀门、消火栓、水表井等管道附属设备前后设置柔性接头；
（9）管道进出建筑物时应设置穿墙套管，必须在蓄水池进出管设置阀门以防止因管道被破坏而使池中的蓄水流失；
（10）改建腐蚀严重的老管线。
4. 结束语
地下供水管线是一个城市必不可少的生命线工程，一旦在地震中破坏，将产生严重后果。随着我国大规模城市化的进程，城市的地下管线工程将越来越多，越来月复杂。我国大部分地区为地震设防区，地下供水管线在地震中的安全对于人民生命财产的保障和城市生活的正常进行有着重要的意义，因此必须重视城市供水管道的抗震问题。
参考文献
[1] 李杰. 生命线工程抗震—基础理论与应用[M]. 北京：科学出版社，2004
[2] 郑永来，杨林德，等. 地下结构抗震[M]. 上海：同济大学出版社，2005
作者简介：王亚明，男，1975年3月生，本科，工程师，长期从事房屋建筑施工管理。