（安全技术及工程专业论文）城市市政管线的地震风险分析.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，l i p ( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文：( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字：攮经 2 0 1 0年5 月2 0日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 城市市政管线的地震风险分析 姓名 操铮学号 2 1 2 0 0 7 0 3 7 5 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 8 日 论文类别 博士口学历硕十一硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系噘环境科学与工程学院专业 安全技术及工程 联系电话 15 8 2 2 8 8 9 5 7 5 e m a i l c z l n f x 囝一y a h o o c o r n c a 通信地址( 邮编) ：天津市卫津路9 4 号南开大学城市公共安全研究中心 备注：是否批准为非公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：搓缝2 0 1 0 年5 月2 0 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 r 。 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目城市市政管线的地震风险分析 申请密级 限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月 日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 城市市政管线作为生命线工程，在国家经济发展中的作用越来越重要，但 在当今自然灾害频发的社会，市政管线也承受着巨大的风险，一旦破坏，不仅 造成人们生活的困难，还会导致其他次生灾害的发生，严重威胁人民生命财产 的安全。 因此，本论文在地震条件下对城市市政管线进行了风险分析，主要的研究内 容包括市政管线的易损性分析、可靠性研究和燃气管线的地震引发风险分析， 解决了以下几个方面的问题。 首先，研究了市政管线的地震失效原因和失效形式，包括构造性地运动、地 震引起的土壤液化、滑坡、地震波传播效应等对不同类型管线的破坏原因和可 能的失效模式。 其次，进行了市政管线地震易损性定量研究，重点在沙土液化、断层等典型 不良地质条件下展开了城市市政管线易损性分析评价方法研究，详细讨论了市 政管线的地震影响参数确定方法，以及不同类型管线的地震反应和相应的应力 应变计算方法；针对历史地震对管线破坏的易损性数据，研究不同管径管线的 易损程度，并采用b a y e s 方法对地震条件下管线易损性数据进行了统计分析，构 建了市政管线的地震易损性模型。 再者，以易损性分析方法作为基础，研究了地震动和场地破坏对城市市政管 线结构破坏影响，建立管线单体可靠性评价的极限状态方程，并采用m o n t ec a r l o 模拟方法计算出管线可靠性。在市政管线地震网络可靠性研究方面，采用m o n t e c a r l o 模拟计算方法和有序二分决策图数值计算方法对比研究了现管网的网络可 靠性。 第四，研究了地震引发城市燃气管线的定量风险，以喷射火和蒸汽云爆炸作 为事故参考场景，实现了地震引发失效条件下的个人风险和社会风险的表征， 并讨论了地震参数变化对风险结果的影响。 最后，根据淮南市供水管线和燃气管线数据，分别采用前述方法进行了风险 分析，结果表明这一系列方法不仅能够很好适用于地震条件下市政管线的定量 风险研究，而且具有一定的工程应用价值。 关键词：地震；市政管线；风险分析；易损性；m o n t ec a r l o ；有序二分决策图 a b s t r a c t a b s t r a c t a sl i f e l i n e sp r o j e c t ，u r b a nm u n i c i p a lp i p e l i n e sp l a yi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e i nt h ec o u n t r y se c o n o m i cd e v e l o p m e n t h o w e v e r , m u n i c i p a lp i p e l i n e sa l s oe n d u r e g r e a tr i s k ，a n do n c ed e s t r o y e d ，n o to n l yc a u s ed i f f i c u l t i e si np e o p l e sl i v e s ，b u ta l s o w i l lb e c o m eas e r i o u st h r e a tt op e o p l e sl i v e sa n d p r o p e r t y t h e r e f o r e ，r i s ka n a l y s i so fm u n i c i p a lp i p e l i n e si sr e s e a r c h e di nt h ep a p e r , i n c l u d i n ga n a l y s i so ft h ev u l n e r a b i l i t yo fm u n i c i p a lp i p e l i n e s ，g a sp i p e l i n e s r e l i a b i l i t y a n de a r t h q u a k et r i g g e r e dr i s k ，a n dt h u sr e s o l v et h ef o l l o w i n gi s s u e s f i r s t l y , g r o u n dm o t i o n ，s o i ll i q u e f a c t i o ni n d u c e db ye a r t h q u a k e ，l a n d s l i d e s ， s e i s m i cw a v ep r o p a g a t i o ne f f e c t sa sd a m a g e st od i f f e r e n tt y p e so fp i p e l i n e sa r e r e s e a r c h e da n dp o s s i b l ef a i l u r em o d e sa r ed i s c u s s e d s e c o n d l y , q u a n t i t a t i v e r e s e a r c h e sf o rs e i s m i c v u l n e r a b i l i t y o fm u n i c i p a l p i p e l i n e sf o c u so nt h es a n dl i q u e f a c t i o n ，f a u l ta d v e r s eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n do t h e r t y p i c a lu r b a nc o n d i t i o n s ad e t a i l e dd i s c u s s i o no ft h ec o r r e s p o n d i n gs e i s m i cr e s p o n s e c a l c u l a t i o no fs t r e s sa n ds t r a i n ；b a s e do np i p e l i n ed a m a g ed a t ac a u s e db yh i s t o r i c a l e a r t h q u a k e ，t h ev u l n e r a b i l i t yl e v e lo fp i p e l i n e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r sa r er e s e a r c h e d ， u s i n gb a y e sm e t h o d ，s e i s m i cd a t aa l ec a r r i e do u tt oc o n s t r u c tam u n i c i p a lp i p e l i n e m o d e lo fs e i s m i cv u l n e r a b i l i t y i na d d i t i o n ，t h eg r o u n dm o t i o na n ds i t ed e s t r u c t i o n ss t r u c t u r a ld a m a g e so n u r b a np i p e l i n e sa r er e s e a r c h e do nt h eb a s i so fv u l n e r a b i l i t ya n a l y s i s u s i n gm o n t e c a r l o s i m u l a t i o nm e t h o d ，r e l i a b i l i t yo fp i p e l i n e si sc a l c u l a t e d a st om u n i c i p a l p i p e l i n e s n e t w o r kr e l i a b i l i t yu n d e re a r t h q u a k e ，m o n t ec a r l os i m u l a t i o nm e t h o da n d o r d e r e db i n a r yd e c i s i o nd i a g r a ma r ec o m p a r e dt oc a l c u l a t en e t w o r k r e l i a b i l i t y f o u r t h ，i n d i v i d u a la n ds o c i a lr i s ko fc i t yg a sp i p e l i n et r i g g e r e db ye a r t h q u a k ei s r e a l i z e da n dc h a n g e si ns e i s m i cr i s kp a r a m e t e r sa l ed i s c u s s e d f i n a l l y , a b o v em e t h o d sa r ea p p l i e dt oh u a i n a nc i t yw a t e rs u p p l yp i p e l i n e sa n d g a sp i p e l i n e s ，a n dt h eo u t c o m e sh a v es h o w e dg r e a tv a l u e k e yw o r d s ：e a r t h q u a k e ；m u n i c i p a lp i p e l i n e ；r i s ka n a l y s i s ；v u l n e r a b i l i t y ；m o n t e c a r l o ；o r d e r e db i n a r yd e c i s i o nd i a g r a m 目录 目录 第一章绪论l 第一节研究的背景和选题意义1 第二节国内外研究现状3 1 2 1 管线单体可靠性研究现状。3 1 2 2 管线的地震易损性数据分析研究现状。3 1 2 3 管线的地震网络可靠性研究现状4 1 2 4 城市燃气管线的安全评价研究现状5 第三节论文的研究内容和技术路线6 1 3 1 论文的研究内容一6 1 3 2 内容安排和技术路线6 第二章城市市政管线地震失效原因及失效形式8 第一节城市市政管线地震破坏原因8 2 1 1 构造性地运动j 二乏8 2 1 2 地震动引起的土壤液化、滑坡等场地失效8 2 1 3 地震波的传播效应9 第二节城市市政管线地震破坏的失效模式9 2 2 1 连续管线的失效模式1 0 2 2 2 分节管线的失效模式11 第三章城市市政管线地震易损性分析1 3 第一节地震相关参数分析1 3 3 1 1 地震危险性因素分析1 3 3 1 2 土壤的分类l3 3 1 3 管线的分类与重要度因数1 4 3 1 4 地震区域的p g a 1 4 3 1 5 根据p g a 确定p g v 1 5 第二节地震条件下管线应力与应变分析1 5 3 2 1r a m b e r g - o s g o o d 应力应变关系模型l5 h i 目录 3 2 2 管线初始应力1 5 3 2 3 埋地连续管线的许用应变标准1 6 第三节管线的永久地表变形反应1 7 3 3 1 管线的纵向永久地表变形反应1 8 3 4 2 管线的横向永久地表变形反应2 1 第四节管线的滑坡反应2 2 第五节管线跨断层的变形分析2 3 第六节管线在地震波下的应变2 5 3 6 1 表面波传播速度2 5 3 6 2 连续管线在地震波下的应变2 6 3 6 3 分节管线在地震波下的应变2 7 第七节基于b a y e s 方法的管线地震破坏率估计模型2 7 3 7 1b a y e s 方法2 8 3 7 2 管线损坏率的泊松模型2 9 3 7 3 管线损坏数据2 9 3 7 4 铸铁管道九的估计2 9 3 7 5 基于重要性抽样的积分3 0 第四章城市市政管线的地震可靠性研究3 2 第一节基于m o n t e - c a r l o 模拟的极限状态方程建立3 2 4 1 1m o n t e - c a r l o 法的基本原理3 2 4 1 2m o n t ec a r l o 模拟的一般步骤3 2 4 1 3m o n t e c a r l o 模拟法的结果和精度3 2 4 1 4 管线的永久地表变形反应及极限状态方程建立3 3 4 1 5 管线的土壤液化产生的浮力反应及极限状态方程建立3 4 4 1 6 管线的跨断层反应及极限状态方程建立3 4 4 1 7 管线的地震波反应及极限状态方程建立3 5 第二节城市市政管线的网络可靠性分析3 5 4 2 1 基于m o n t e - c a r l o 模拟的网络可靠性3 6 4 2 2 基于有序二分决策图的网络可靠性分析3 7 第五章地震引发城市燃气管线事故的定量风险分析4 2 i v 目录 第一节地震引发燃气管线事故的定量风险分析程序4 2 第二节地震参数的确定4 3 第三节参考场景的辨识4 4 第四节地震对管线损坏概率及事故死亡概率4 5 第五节震后事故场景的频率4 6 第六节风险表征4 7 第六章工程案例分析4 8 第一节管线单体的应变计算4 8 6 1 1 工作状态下的管线应变4 8 6 1 2 不同地震破坏形式下管线可靠性4 9 第二节管线单体的地震可靠性5 3 第三节b a y e s 统计方法与经验公式法的应用5 5 第四节淮南市次高压燃气管线地震引发事故风险的分析6 0 第五节淮南市供水管线网络可靠性分析6 5 第七章结论与展望7 0 第一节结论与创新点7 0 第二节展望7 0 参考文献7 2 致谢7 6 个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果7 7 v 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究的背景和选题意义 城市市政管线作为生命线工程，随着国家经济建设的高速发展和城市基础 设施的完善，人民生活水平的大幅度提高，在国家经济发展中的作用越来越重 要，在当今自然灾害频发的社会，城市市政管线也承受着巨大的风险，一旦遭 到破坏，会给人们的正常生活造成极大不便，甚至会引发严重的次生灾害，严 重威胁人民生命财产的安全。 1 9 2 3 年日本关东发生的7 9 级地震，导致横滨的5 条大管径给水管线折断， 涌出的水冲毁了桥台和民房，造成大面积水灾。东京市由于供水管线被震坏， 导致供水中断，震后供气管线泄漏等造成的大火将4 5 万栋房屋烧毁，地震中1 3 万人丧生，其中1 0 万人葬身火海【l j 。 1 9 3 3 年美国长滩7 5 级地震，由于煤气管线及其他设施破坏，引发了1 9 起 火灾。1 9 6 4 年，日本新泻地震，承插式铸铁管中1 0 0 - 2 0 0 接口全部被拔出或松 动漏水，大面积土壤液化和液化流动，许多管线遭受破坏，埋地钢管出现屈曲， 4 7 0 余千米的输水管线破坏率达6 8 ，在新泻市外还发现，由于液化后地基沉降 而造成沉淀池下沉，供水管线拔出等，使整个城市供水全部中断；天然气输送 管线全长2 7 k m ，约7 5 受到破坏。 1 9 6 6 年中国河北邢台7 2 级地震，周边城市的一些管线在连接处断开，供 水设备和蓄水池被震坏，引起政府和有关部门重视 2 1 。1 9 7 5 年中国国海城7 3 级 地震，营口市1 5 0 多公里管线发生接头损坏、松动、管体折断等3 7 2 处1 3 ，造成 管线大量漏水，严重影响生产用水、生活用水和消防用水。营口市震后火灾一 天高达3 6 次，经过一个多月的抢修，才基本恢复正常。 1 9 7 6 年唐山7 8 级地震，唐山市2 2 0 公里给水管线全部瘫痪，给人民生活 带来极度的困难，最初只能靠河沟和汽车运水，几天后由其它城市支援用消防 水龙临时供水，经过一个多月的抢修，才基本恢复正常。唐山市郊工厂、邻近 的天津、塘沽、汉沽等地的供水管网也都受到严重的震害，天津塘沽区供水干 管损坏3 3 2 处，抢修半个月，仅恢复震前5 0 的供水能力 4 1 - 【。例如，当时天津 市输供水管网总长度为1 6 7 6 9 6 千米( 含干管、支管) ，被破坏总数为1 3 0 8 处，其 第一章绪论 中直径1 5 0 毫米以上的管道( 共9 5 4 2 3 千米) 被破坏4 8 3 处，占被破坏总数的3 7 ， 而支管( 共7 2 2 7 5 千米) 被破坏8 1 5 处，占被破坏总数的6 2 3 。 1 9 8 5 年9 月1 9 日墨西哥7 8 级地震，墨西哥市由于煤气干管断裂引起煤气 爆炸，市政煤气管网断裂在市区引起火灾，由于供水管网同时损坏，使救火受 到影响【8 1 1 9 1 。 1 9 8 9 年1 0 月1 7 日，美国加州7 1 级地震，在旧金山奥克兰的土壤液化区， 供水管网1 2 0 0 处破坏和渗漏，对城市供水造成严重影响【l 们。1 9 9 4 年1 月1 7 日 美国北岭6 7 地震，输油气管线的破裂4 0 0 多处火灾，圣费尔南多峡谷北部三条 主要输水管线破坏，导致几个星期的停水，主干管线7 4 处破坏，支管网破坏严 重，大约1 2 0 0 处渗漏l l 。 1 9 9 5 年1 月1 7 日日本阪神7 2 级地震，神户地区供水系统严重破坏，共4 0 0 0 多处供水管受损，供水中断，临时依靠汽车运水，消防水断绝，地震造成煤气 管道破裂致使煤气泄露，一遇火源立即引起熊熊大火，共有4 5 9 处起火，无法扑 救，燃烧面积达1 0 3 万平方米，造成大量的人员伤亡。约7 3 的居民震后三天无 饮用水，经过两个月的抢修，才恢复正常【1 2 儿1 3 j 。 1 9 9 6 年2 月3 日，云南丽江7 级地震，造成丽江市多处供水管线破坏，供 水中断【1 4 1 。同年5 月3 日，包头6 4 级地震，包头市位于7 度区，供水、供热和 煤气管线都发生了接口断裂和管体破裂。 1 9 9 9 年9 月2 1 日台湾集集7 4 级地震，供水系统的储水池和地下管线均遭 受破坏【1 5 】。2 0 0 2 年4 月台湾强烈地震造成台北县四处送水管管线被震断破裂， 由于抢修施工的进行，影响到2 5 万户的用水。 2 0 0 8 年5 月1 2 日，汶川大地震造成都江堰供水管网系统总长1 8 3 k m 的主 干供水管线中约6 0 在地震中受损，漏损率高达6 5 ，共发现和修补漏点2 0 0 0 余处，破坏形式主要是管件接口破坏及管材破坏。 这些惨痛的地震灾害教训中人们逐步认识到城市地下管网系统的重要性， 认识到它对震后抢险救灾的指挥调度、救灾人员和物资的运输和调配、以及人 民生命财产安全和维持城市的正常生活是至关重要的。城市生命线管网系统， 从全国范围来讲，大多数没有经过正规的抗震设计，而不少大、中城市又有着 可能遭受中强地震影响的背景，潜伏着发生上述次生灾害的危险。因此，开展 市政管线地震条件下的风险分析作为城市抗震防灾工作的基础研究之一，具有 非常重要的学术意义和实用价值。 2 第一章绪论 第二节国内外研究现状 在城市市政管线的地震反应研究方面，自2 0 世纪7 0 年代中期，美、日等 国家就开始了这一领域的研究。不论是单一方面的研究，还是综合的研究，国 外学者都已发表了许多文献。各位学者在研究中所选取的地震危险性分析模型、 管线震害预测的方法和表达方式，采用的预测技术、网络可靠性的分析方法等， 因人因地而异，尚无统一的和成熟的方法。但一些研究的指导思想和基本方法 值得我们借鉴。我国在八十年代中期开始此领域的研究，近年来逐步成为研究 的热门课题，并已取得了很多有益的成果，但与美日等国相比，还有一定的差 距。 1 2 1 管线单体可靠性研究现状 在管线单体的可靠性研究方面，韩阳，孙绍平【1 6 】依据我国给水管线的震害 特征和管线接口的抗震试验，以管线在地震波传播作用下的接口破坏作为主要 破坏模式，定义了管线破坏的三种状态，同时考虑地表应力和管线抗力的随机 特性，建立了适用于地下管线震害预测的概率模型，并给出了管线容许变形值。 该方法以及有关参数已在国内很多工程实践上得到应用。此外与抗震设计有所 不同，一般从管线的震害预测和评估出发，采用比较简单且实用的反应计算方 法。除了从管线受力反应分析角度研究管线单体可靠性外，国内外很多学者将 概率方法应用到管线可靠性研究当中。例如m s h i n o z u k a 等【1 。7 】采用概率方法，通 过波动方程求得场地和管线的应变，并假定其为正态随机变量。鉴于考虑的管 线为焊接钢管，由抗震设计规范中规定的允许极限应变作为结构抗力。赵成刚 等【1 8 l 基于抗震设计规范，考虑了地震发生的随机性和地震烈度划分的模糊性， 以及管线三种破坏状态和相应的模糊区间，分析了地下直管线在地震波作用下 的模糊随机可靠度。邓民宪【1 9 】基于模糊数学原理对地下管线进行一、二级模糊 综合评判，得出管线破坏概率分布情况。 1 2 2 管线的地震易损性数据分析研究现状 在对管线的地震破坏易损性数据分析方面，k u b o 、k a t a y a m a 等【2 u j 对1 9 2 3 年日本关东地震中供水系统的破坏进行了详细的调查，获得了地震烈度分布和 管线破坏分布的资料，在此基础上，k t o k i 和t s a t o 2 l 】进一步研究，将东京市网 格化，逐格统计分析，对地震峰值速度和管线破坏率进行回归分析，获得较好 3 第一章绪论 的结果，其相关系数为0 6 8 ，导出了破坏率和地面速度峰值的关系。 1 2 3 管线的地震网络可靠性研究现状 在市政管线的地震网络可靠性研究方面，国内外学者进行了深入且详尽的 研究，这类方法主要包括了精确计算和模拟计算方法。精确计算方法诸如神经 网络理论、有序二分决策图等基于图论的方法，模拟方法如经典的m o n t e c a r l o 模拟方法等。m s h i n o z u k a 2 2 较早把m o n t e c a r l o 模拟技术引入生命线管网的地震 可靠性分析，对每一次模拟的破坏状态，由s s p 网络考察网络的连通性，并进 行了破坏状态的流量分析，并以洛杉矶供水管网验证了该方法的可行性。其后， m o n t e c a r l o 方法被许多学者采用，分别用于分析供水网络、交通系统和输电网 络等生命线系统的可靠性分析。m k a m e d a 和h g o t 等 2 3 1 人把震后供水分为灭火、 饮用、维持最低生活标准、恢复等四个阶段，定义了各阶段的性能要求，用m o n t e c a r l o 法分析了主管网的连通可靠性和漏水条件下管网的流量可靠性，还讨论了 不同修复程序对网络功能恢复的影响。s h i n o z u k a 研究小组应用g i s 技术，在 a r c i n f o 平台上开发了供水系统地震反应计算机程序l i f e l i n e w ，利用可视 化的图形描述供水管网的抗震能力和服务功能1 2 4 】- 【2 6 】。 国内在8 0 年代中期也开始了此方面的研究，韩阳等【l 6 j 【l7 】采用m o n t e c a r l o 模拟方法，在管线震害预测的概率模型基础上，分析了一些大中城市的供水管 网和天然气管网的网络可靠性。陈一平等【27 j 对邯郸，银川等城市供水管网进行 了震害预测：在地震危险性分析和地震影响小区划基础上，计算了各管线的抗 震能力，并分析了管网的连通性能。孙绍平，焦国梁【2 8 j 基于图论原理，在管网 连通可靠性分析中提出孤立连通域算法，当管网受到不同程度的破坏后，在水 压重新分布时增加漏水影响系数，分析了分节管线和连续管线的大型网络，然 后编制多源、多汇、多态管网、多功能水压的可靠度计算程序，该程序在北京 市供水管网震害预测中取得了较好的结果。张锐，郭春雨，刘锡荟【2 9 】【3 0 】以概率 统计，模糊数学为基础，依据室外管线抗震设计规范为基础建立知识规则的管 网震害预测模型，最后用m o n t ec a r l o 模拟和不精确性推理进行管网可靠度分析， 并应用于城市供水管网震害预测。李杰【3 1 1 1 3 2 】采用模糊随机观点，将积分方程转 化为代数方程求解，实现随机分布率的分离，通过仿真映射技术的应用得出预 测网络震害的方法，该方法可以应用于供水、供气、供电等网络的震害预测。 李小军，胡幸贤等 3 3 1 用虚拟漏水节点模拟震时管段的漏水效应，引入m o n t ec a r l o 4 第一章绪论 法分析了管网系统节点的水压及供水可靠性。周晶，李听【3 4 1 1 3 5 】基于b p 神经网络 模型建立供水管线地震反应分析模型和管网系统连通性分析预测模型，通过离 线学习和时时模拟，可以快速评估供水管网震后运行状态。a g g a r w a l ，a b r a h a m ， 廖炯生等先后提出的不交最小路方法和最小路不交化定理1 3 6 , 3 7 j ，由d o t s o n 提出 的最小路事件概率递推算法【3 8 】，全概率公式分解算法【3 9 】，二分决策算法 4 0 , 4 1 】等。 对于不交最小路方法，y b y o o 等根据d o t s o n 的思想，提出了修正的d o t s o n 算 法【4 2 】。李杰、何军基于结构函数递推分解的思想，进一步发展了不交最小路算 法，实现了大型复杂网络的抗震可靠度计算m j 。在另一方面，k u o 等提出了修 正的有序二分决策图算法 4 4 1 ( o r d e r e db i n a r yd e c i s i o nd i a g r a m ，o b d d ) ，并认为 此类方法可以解决复杂网络的精确分析问题。 1 2 4 城市燃气管线的安全评价研究现状 在城市燃气管线的安全评价方面，从2 0 世纪7 0 年代起，为最大限度地减少 油气管线事故发生率，美国的部分油气管线公司开始尝试用经济学中的风险评 估技术来评估油气管线的风险性。截止目前，世界上许多国家已经逐步建立了 管线风险评价体系和各种评价方法，1 9 8 5 年美国b a t t e l l ec o l u m b u s 研究院发表的 风险调查指南提出了风险分析的评分法。1 9 9 1 年，美国n g p l 成立专门机构 研究风险评价技术，1 9 9 2 年，w - k e n t m u h l b a u e r 在管线风险管理手册中详 细叙述了管线风险评估模型和各种评价方法，其中的指数评分法是世界上目前 普遍采用的较为成熟的风险评估方法。1 9 9 3 年召开的管线寿命专题研讨会达成 了“开发管线风险评价准则、开发管线数据库、建立可接受的风险水平、开发 风险评价工具包和开展风险评价教育 的共识。自1 9 9 4 年起，加拿大的n e oc o r r 工程有限公司开展油气管线的腐蚀和风险咨询业务，开发了c m i 腐蚀管理软件， 对全球十几家油气公司进行了详细的风险评价。另外，在基于管线完整性管理 优化工程项目中，加拿大c f e r 公司研制开发出管线维护和检测的风险分析软件 包( p i r a m i d ) ，用于分析管线的失效概率、失效后果和总风险计算。n g t l 天然 气管道公司成功研制了系统故障树分析软件n o l a n ，应用范围广泛。英国健康 与安全委员会在管线风险管理项目研究中，研制出m i s h a p 软件包，用于计算管 线的失效风险，并取得了实际应用【4 5 巧。 刘斐等f 5 2 】基于不同的失效后果对城市燃气管线进行了定量风险分析，着重 讨论了其个人风险与社会风险。j o 等【5 3 j 在假设管内气体做一维稳态绝热流动的 5 第一章绪论 基础上，提出高压管线的简化泄漏率模型，并在该基础上仅得到了由喷射火的 热辐射引起的个人风险和社会风险值。d z i u b i 等【3 】对燃气管线的风险评价方法结 合了定性( 历史数据分析、一致性检验和危险评价的评分方法) 和定量方法， 该方法可以确定管线失效的原因和可能后果，并考虑个人风险和社会风险。此 外，还有其他国内外学者开展了关于天然气或燃气管线的定量风险分析【5 6 j 。 但是，这些报道多注重一般失效原因对管线的破坏，而当今自然灾害频发，特 别是地震灾害，导致大面积管线损坏。因此，由地震作为引发事件的燃气管线 个人风险评价需要新的方法或程序来实现。 本论文在总结上述国内外学者在市政管线方面研究成果的基础上，对城市 市政管线的失效原因和失效形式进行深入分析，研究适合各类型市政管线的可 靠性模型，并实现城市燃气管线的个人风险和社会风险分析。 第三节论文的研究内容和技术路线 1 3 1 论文的研究内容 本论文进行了城市市政管线易损性定量分析方法与评估技术研究，重点针对 地质灾害和地震灾害开展研究。进行沙土液化、断层等典型不良地质条件下城 市市政管线易损性分析评价方法研究；针对历史地震对管线破坏的易损性数据， 研究不同类型管线的易损程度，进一步完善发展地震作用下易损性定量分析评 估技术，形成城市市政管线易损性综合评估技术；研究了地震动和场地破坏对 城市市政管线结构破坏影响，建立可靠性评价模型和可靠性指标；研究了地震 引发城市燃气管线的定量风险评价方法。 1 3 2 内容安排和技术路线 本文主要分为七个章节，安排如下： 第一章绪言，主要包括选题的背景、意义和目的；国内外研究现状；本论 文的研究内容和技术路线。 第二章城市市政管线的地震失效原因和失效形式，包括构造性地运动、地 震引起的土壤液化、滑坡、地震波传播效应等对不同类型管线的破坏原因和可 能的失效模式。 第三章城市市政管线的地震易损性分析，详细讨论了市政管线的地震影响 6 第一章绪论 参数确定方法，以及不同类型管线的地震反应和相应的应力应变计算方法：采 用b a y e s 方法对地震条件下管线易损性数据进行了统计分析，构建了市政管线的 易损性模型。 第四章城市市政管线的地震可靠性分析，采用m o n t ec a r l o 模拟方法实现管 线破坏可靠性指标计算，采用m o n t ec a r l o 和有序二分决策图方法对比研究了 现管线在失效情况下的网络可靠性。 第五章地震引发城市燃气管线的定量风险分析，针对以城市燃气管线为代 表的典型城市市政管线，实现了燃气管线一般失效和地震引发失效条件下的个 人风险和社会风险的定量研究。 第六章工程案例分析，结合前述章节的方法，对淮南市市政管线进行了相 应的分析研究。 第七章结论与展望，对整篇论文的主要内容和创新点进行总结，并指出该 研究方向需要进一步研究的内容。 地震引发燃气管线定量个人与社会风险分析 图1 1 论文的技术路线示意图 7 i ，广一 7 p r o b i t 剂量模型 第二章城市市政管线地震失效原因及失效形式 第二章城市市政管线地震失效原因及失效形式 第一节城市市政管线地震破坏原因 地震、振动等会引起的地下管线失稳甚至破坏的现象，特别是在强烈地震 袭击下，管网系统的破坏和由此造成的生命财产的损失也越严重。初步研究表 明，城市地下管线具有不同于地面结构的抗震性能和破坏特征，在某些情况下， 同样会发生严重甚至强于地面结构的破坏。近年来，我国大陆地区地震频发， 造成管网系统的破坏不尽其数。国内外管线地震破坏的机理研究主要包括三个 方面，将在下面分别进行阐述。 2 1 1 构造性地运动 构造性地运动包括地壳的上升与下陷，断层错动等。1 9 7 6 年唐山地震，1 9 9 5 年阪神地震，大量的管线因跨越断层或位于断层附近由于受压、受拉或弯曲发 生破坏。大量的震害调查认为，具有高强度和韧性的钢管一般能抗拒地震的地 面运动，却不能抵御断层作用和永久地面变形( p g d ) 的影响 5 7 j 。 例如，1 9 7 1 年s a nf e m a n d o 地震造成的管线高修复率就归因于p g d 。e g u c h i ( 1 9 8 2 ) 比较了此次地震中断层破裂、地表失效和地震动等造成的破坏情况， 得出半数以上的破坏都是由断层破裂和地表失效造成的。而1 9 8 5 年m i c h o a c a n 地震的管线高修复率则归因于t g d ，造成墨西哥市供水系统的大面积损坏。 a v a l a 和o r o u r k e ( 1 9 8 9 ) 研究表明墨西哥市没有土壤液化的p g d 存在，因而 把供水系统中断主要归因于地震波传播效应【弱j 。 2 1 2 地震动引起的土壤液化、滑坡等场地失效 1 9 7 1 年美国圣费尔南多地震，由于水库附近土壤液化，地下管线破坏严重， 1 l 条穿过大位移区的主要干线和支线都遭破坏。1 9 7 6 年唐山地震塘沽和汉沽地 区由于土壤液化，其管线破坏比震中11 度区还要严重【5 。 土壤液化一般在松软、渗透性和颗粒状的土壤中由于受到强烈而持续的地 震动时发生【5 8 】。由于土壤液化造成的垂直方向地表位移一般认为能在横向扩散， 可能导致大量的地表运动并给埋地管线造成重大破坏。这种横向扩散以p g d 来 描述。土壤液化也可能在过渡区域和初期冲积土转化为局部液化的区域造成地 8 第二章城市市政管线地震失效原因及失效形式 表沉降。地表沉降能够导致重大土壤变形( p g d ) 。 滑坡是土壤永久变形的一种，在特定区域会给埋地管线造成非常大的损坏。 滑坡运动的量也以永久地表变形( p g d ) 来表示。 断层运动能够导致局部地表位移；因此，穿越地表断层的分节管线可能受 到重大的损坏。但是焊接的连续钢管可能容许断层位移( 几厘米) ，断层位移 量亦以p g d 来描述。 2 1 3 地震波的传播效应 前二种作用对于地下管线的破坏是灾难性的，管线铺设应尽力避开可能发 生这样地震效应的场地，而地震动的波动对管线的破坏是最普通的，地震波本 身对于均质坚硬土层的地下管线破坏影响相对较小，但是影响所涉及的区域相 当大，大多数地下管线的破坏是由于地震波动造成的【5 7 】。当场地土松软或不均 匀时，尤其是在场地条件差异较大的交界处，破坏将加重。因而管线对此作用 的抵抗能力应加强。 地震波的传播效应通常表述为地面破坏所产生的瞬时地表变形( k 国) 。 t g d 的发生是由于地震波，并且通常表述为地震波传播或地表振动效应。而p g d 的发生是由于地表失效，土壤液化，泥石流和非粘性土壤的粘结导致的微小沉 降。t g d 和p g d 的相对量级决定了哪种效应对影响管线占主导作用。t g d 通 常引起的管线张力水平要小于p g d 。然而，因为t g d 覆盖了比p g d 更大的范 围，它对管线的破坏性通常是很显著的【5 引。 此外，根据历史地震资料统计得到：如果p g d 和t g d 的量级相同，则它 们对于管线损坏的水平是相同的。近地表大峰值加速度脉冲或者某地点响应特 性导致扩大的瞬时运动通常有量级大的t g d 。例如，p e a s e 和o r o u r k e ( 1 9 9 7 ) 研究了旧金山l o m ap r i e t a 地震对管线的损坏，表明液化土壤的瞬时横向剪应力 是导致水平位移和m a r i n a 市埋设管线损坏的主要原因。 受到腐蚀、压缩联结削弱强度和有接头的旧铸铁管线更易受到地震动的破 坏。地震动通常以峰值地表速度( p g v ) 而非根据峰值地表加速度( p g a ) 来表 述。 第二节城市市政管线地震破坏的失效模式 在地震中，连续和分节管线有不同的失效模式。连续管线通常由于局部弯曲、 9 第二章城市市政管线地震失效原因及失效形式 梁弯曲和拉伸破裂而失效。分节管线，特别是大管径和壁厚的失效模式通常为 拉伸破坏( 轴向拔出) 、压缩破坏( 承插接头毁坏) 和周向弯曲与接头旋转。 分节管线的失效集中于接头，但是