（水利水电工程专业论文）地震作用下埋地长距离输水管道动力特性研究.pdf

太原理i 人学硕+ 研究生学f _ 1 7 ：论文 地震作用下埋地长罡巨离输水管道动力特性研究 摘要 随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的1 i 断提高， 些大型调水工程相继开_ t 。埋地长距离管道输水方式因其地质 条件要求不高，可随一定地形铺没，输水渗漏损失小，施工简单 造价较低，管理运行方便等优点，为设计者优先考虑。长距离输 水管道在远距离调水方面得剑广泛地应用，成为现代工业和城 镇生活的大动脉。我国地处两个最活跃的地震带之问，是世界 上遭受地震灾害最严重的国家之一，确保这些管道在未来可能 发生的地震中安全可靠地运行，是我国输水：i ：程的规划、设计、 施工、运行所面临的重要问题。 本课题主要研究地震波作用下埋地管道运行u 寸的情况，并 对场地土类型、地震动要素进行了研究分析。针对地震波作用 下埋地管道的运动特点，运用振动和抗震动力学理论，推导， 埋地管道的振动运动方程和管土间相互作用的传递系数，进而 太原理1 ：大学硕十研究生学位论文 求出了管道最大的轴向应力和最大的弯曲应力。地震时输水管 道在管端部、弯曲部、三通部、大小管接头等异型部分，会产 生动水压，并对此做了动水压分析。本论文以南水北调中线京 石段应急供水工程中p c c p 管为例分析讨论了地震波波速、入 射角、管径、管道壁厚等参数对埋地管道抗震性能的影响。针 对地下管道震害特性，给出了一些相应有效的抗震措施。 地震是造成管道系统破坏的重要因素，分析输水系统中地 震的作用，保证输水系统的安全运行，制定规范的运行规程， 科学地估计它带来的危害，及时采取有效抗震措施，可以避免 或减少地震带来的损失，因此输水管道的抗震分析具有重要的 现实意义。 关键词：地下输水管道，地震波，p c c p 管，动力分析，动水压 太原理i 人学项十研究生学位论文 t h ed y n a m i cp r o p e r t ys t u d y0 nb u r i e d l o n g d i s t a n c e ，a t e rc o n v e y a n c ec o n d u i t s u n d e rt h ea c t l o no fs e i s m i c a v e s a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n d i m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，s o m el a r g ew a t e r c o n t r o l e n g i n e e r i n g s t a r tw o r ko n ea f t e r a n o t h e r d e s i g n e r i n i t i a t i v e l 3 7 ( o ! l s i d e r st h e w a yo fb u r i e dl o n g d i s t a n c ew a t e r c o n v e y a n c ec o n d u i t s ，b e c a u s ei tc a nb eb u i l ti na n yg e o g r a p h y w i t h o u tp a r t i c u l a rr e q u i r e m e n tf o rg e o l o g yc o n d i t i o n ，a n di t h a s a d v a n t a g e si ns m a l lw a t e rl e a k a g el o s s ，s i m p l ec o n s t r u c t i o n ，l o w e r c o s t ，c o n v e n i e n tf o rm a n a g e m e n ta n do p e r a t i o n t h eb u r i e dw a t e r c o n v e y a n c ec o n d u i tg e t sb r o a d l ya p p l i e di nl o n g d i s t a n c ew a t e r a d j u s t i n ge n g i n e e r i n g ，i ti sb e c o m i n gt h e a r t e r yo ft h em o d e m i n d u s t r ya n dt h et o w nl i v i n g o u rc o u n t r yi sl o c a t e di nt h em o s t a c t i v e e a r t h q u a k ez o n e ，s u f f e r i n gt h em o s ts e r i o u s e a r t h q u a k e d i s a s t e ri nt h ew o r l d t oe n s u r et h e s e p i p i n gs a f e t yi nf u t u r e 太原理 ：人学硕十研究生学位论文 e a r t h q u a k eh a sb e e na ni m p o r t a n tp r o b l e m t h i st h e s i ss t u d i e s m a i n l y o np e r f o r m i n gs t a t eo ft h o s e u n d e r g r o u n dp i p i n gu n d e rt h ea c t i o no fe a r t h q u a k e ，a n a l y z e st h e p l a c es o i lt y p ea n de a r t h q u a k ef a c t o r s a c c o r d i n gt ot h em o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c so f b u r i e dp i p i n gu n d e rt h ea c t i o no fs e i s m i cw a v e s ， m a k e su s eo ft h ev i b r a t i o na n da n t i s e i s m i cd y n a m i c st h e o r i e s ， d e d u c e st ot h ev i b r a t i o ne q u a t i o no fm o t i o na n dt h et r a n s m i t t i n g c o e f f i c i e n tf o rt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np i p e sa n ds o i l s ，f r o mw h i c h t h em a x i m u ma x i a ls t r e s sa n dt h eb e n d i n gs t r e s si np i p e l i n e sa r e d e r i v e d t h eh y d r o d y n a m i cp r e s s u r ew i l lo c c u ra tt h ep o s i t i o no f p i p ee n d ，b e n ds e c t i o n ，t h r e e b r a n c hp i p e ，a n d p i p ej u n c t i o n d u r i n ge a r t h q u a k e t h ei n f l u e n c e so fp a r a m e t e r ss u c ha ss e i s m i c w a v e s ，i n c i d e n ta n g l e ，p i p ed i a m e t e r , w a l lt h i c k n e s se t c o n a n t i 。s e i s m i cp r o p e r t i e so ft h eb u r i e dp i p e sa r ed i s c u s s e dt h r o u g ha p r o j e c t ( t h es o u t ht on o r t hw a t e rt r a n s f e rc e n t e r l i n ej i n g s h i z o n ee m e r g e n c yw a t e rs u p p l yp r o j e c t ) i nv i e wo fe a r t h q u a k e d a m a g ec h a r a c t e r i s t i co ft h eb u r i e dp i p e s ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r d s o m ee f f e c t i v ea n t i s e i s m i cm e a s u r e s ， t h ee a r t h q u a k ei so n eo ft h ei m p o r t a n tr e a s o n so f t h ep i p i n g 4 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 s y s t e md a m a g e ，t oa n a l y z et h ef u n c t i o no ft h ee a r t h q u a k ei nt h e c o n d u i t s y s t e m ，e n s u r es a f e t y i nc o n d u i t s y s t e mo p e r a t i n g ， e s t a b l i s ht h es t a n d a r d o p e r a t i o nr u l e s ，e s t i m a t et h o s ed a m a g e s s c i e n t i f i c l y , a d o p tt h ee f f e c t i v ea n t i s e i s m i cm e a s u r e si nt i m e ，c a n a v o i do rr e d u c et h el o s sc a u s e db ye a r t h q u a k e ，s ot h ea n t i s e i s m i c a n a l y s i so fc o n d u i ti so fc u r r e n ts i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：u n d e r g r o u n dc o n d u i t ，s e i s m i c w a v e s ，p c c p p i p e ：，d y n a m i ca n a l y s i s ，h y d r o d y n a m i c 5 奎垦堡! ：叁堂耍婴窒尘堂堡笙茎 1 1 项目研究的意义 第一章绪论 随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，一些大型调 水工程相继开工或正在拟议之中。管道输水方式因其地质条件要求不高， 可随一定地形铺设，输水渗漏损失小，施工简单，造价较低，管理运行方便 等优点，常常为设计者优先考虑。长距离输水管道在远距离调水方面得到 广泛地应用，成为现代工业和城镇生活的大动脉，如何确保这些管线在 未来地震中安全可靠地运行，是当前迫切需要解决地问题。 众所周知，地震是对人类社会危害最大的突发性自然灾害，一次破 坏性地震，可以在一分钟内甚至几秒内摧毁一座城市，导致数力人甚或 数十万人的伤亡和巨大的经济损失。地震不仅仅直接破坏管道的正常使 用功能，而且还可能产生严重的次生灾害。 根据国内外震害资料显示，由于震时输水管道的功能失效而导致的 灾害给人类造成了很大的生命财产损失，1 9 0 6 年美国旧金山地区发生 8 3 级地震时，三条主要输水管遭受破坏，城市管网上千处破裂，消防 水源断绝，城市5 0 多处起火，大火延续了三天三夜，导致十多平方公 晕的市区5 2 1 个街坊烧毁，火灾造成的损失比地震直接破坏的损失高3 倍。1 9 2 3 年日本关东地区发生8 级地震时，东京市房屋震塌1 3 3 栋， 引起了2 7 0 多起火灾，大火烧毁4 5 万栋房屋，烧死4 万人。1 9 7 5 年我 国辽南海域地震时，受到烈度为8 度影响的营口市，震后2 4 小时内发 生3 6 起火灾，城市地下输水管道破坏严重，抢修了一个多月才恢复正 常供水。 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 我国处在环太平洋地震带和欧亚地震带之间，地震区域广，地震强 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。二十 世纪以来，全球共发生七级以上地震1 2 0 0 余次，其中1 0 发生在我国。 地震作为破坏管道系统的重要原因之一，分析输水系统中地震的作用， 保证输水系统的安全运行，制定规范的运行规程，科学地估计它带来的 危害，及时采取有效抗震措施，可以避免或减少地震带来的损失，因此 输水管道的抗震分析已同益为人们所重视。 1 2 国内外研究现状与进展 地震时，管线的敷设方式不同，则相应的破坏也有所不同。管线本 身的破坏形式可分为两种：种是强度破坏，另一种是失稳破坏。针对 这两种破坏形式，并根据管线的敷设方式以及其穿越介质的不同，国内 外学者作了大量的理论与实验研究，取得了一定的进展，其主要成果集 中在以下几个方面。 1 2 1 均匀土介质与管线的地震反应 旱在2 0 世纪6 0 年代末n e w m a r k 就对地下管线进行了抗震研究， 他在分析中忽略了惯性力的影响，同时假定管线与土一起运动。目前包 括美国、中国在内的许多国家的相关规范都基于该假定。到7 0 年代， 日本学者提出了管线与土相互作用的分析模型，该模型将管线简化为弹 性地基梁，将地震波简化为简谐波，即所谓的反应位移法。目前，日本 规范大都基于反应位移法。r a p a n n e l e e 1j ( 1 9 7 5 ) 首次将管线简化为半无 限空间中的圆柱壳，土与管线之间相互作用采用静态m i n d i n 解求解， 为以后的半无限空间理论和相互作用理论奠定了基础。 2 太原理l 人学硕十研究生学位论文 l r l w a n 9 1 2 1 ( 1 9 7 9 ) 则舍弃了惯性力和阻尼力的影响，提出了拟静态分 析方法。1 n e l s o n l 3 l ( 19 7 9 ) 采用振型分解法对分段管线进行了动力分析， 提出了动力计算的干扰反应谱。g e m u l e s k i 【4 】( 1 9 8 5 ) 提出了圆柱壳模 型，该模型假定管道为粘弹性介质中的弹性各向同性薄圆柱壳，与梁模 型相比还可用以研究管道的失稳和破裂等问题。s t a k a t a 口j ( 1 9 8 7 ) 采用传 递矩阵法对管线进行了三维拟静态分析，同时考虑了接头的非线性和土 与管线之间的滑移，他还采用壳模型和有限元方法计算了梁模型所不能 涉及的管道环向应力和沿管周的土压力分布。 s k d a t t a ( 1 9 8 4 ) 采用圆柱壳模型对半无限空阳j 和无限空问中的管 道进行了分析，发现铺设管道的回填土对管道应力有重大影响，地震入 射波波长和土介质剐度对管道有很大影响。a h i n d y 首次引入了土管线 动力相互作用的概念提出用平面动应变与静态m i n d l i n 解相结合的方法 计算土与管线的动力相互作用，并对地震波入射角、波速、埋深、管径、 接头等因素进行了系统的研究，得出了管线轴向应力远大于弯陆应力， 土与管线动力相互作用可降低管线的应力，尤其是轴向应力，柔性接头 可大大降低管线的应力等有益的结论。 叶耀先、魏琏等【6 j ( 1 9 8 2 ) 通过直管和弯管管沟不同回填方式下爆炸 振动实验，探讨了管土问的共同变形问题，以及管沟用松散介质回填时 对管线受力的影响。指出回填松散( 软) 介质时管土恻出现相对位移， 使直管轴应力明显下降；夯实回填时管土之间接近共同变形的假设，直 管轴应力相应较大。提出了在纵波、横波作用下管线地震应力计算公式。 认为直管的弯曲应力可按管土横向共同变形假设计算，当管径较小时可 忽略弯曲应力：为使弯管的总应力不超出相应的直管的轴应力，即弯管 弯髓应力应小于管土共同变形时的直管轴应力。孙绍平等通过各种刚 性、柔性接头的大量实验，为编制我国地下管线抗震设计规范提供了设 3 太原理工大学硕十研究生学位论文 计校核准则，并研制了已经广泛应用的柔性接头。他还与美国王汝梁合 作在唐山的工程管线上设置强震观察仪，以实测管线的地震反应。 国内的地下管线地震反应理论分析研究从8 0 年代开始得到了迅速 发展，提出了一系列较精确的计算方法。其中熊占路【7 i ( 1 9 8 7 ) 用离散的 梁元模型建立运动方程，同时考虑横向和纵向振动对地下管线作了动应 力分析。王海波和林皋1 8 】( 1 9 8 8 ) 采用边界元方法求解了半无限弹性介质 中土与管线的动力相互作用，研究表明相互作用的强弱取决于波的不同 频谱成分，管线埋设越浅，相互作用越显著。甘文水和侯忠良【9 】( 1 9 8 8 ) 应用有限元方法计算埋地管线在地震行波作用下的反应，探讨了土弹簧 刚度、管与土之间的滑移、波速等因素对管线反应的影响。张社荣f 】 ( 1 9 9 5 ) 利用动态有限元法研究了沟埋式管与土的动力相互作用，认为动 态有限元法比一般动力有限元法更精确。张进国( 1 9 9 7 ) 针对地震作用 下埋地管道的纵向振动微分方程，提出以满足边界条件和初始条件的三 角函数作为势函数，利用加权余量法计算地震作用时管道的纵向运动位 移反应，进而求得纵向应变和应力。 1 2 2 不均匀介质与管线的地震反应 在大多数情况下地下管线穿越两种或两种以上的介质，因此，不均 匀场地中管线的动态特性，也是一个重要的课题。l r ，l w a n g1 2 1 ( 1 9 7 9 ) 采用拟静态方法对通过两种不同介质的管线进行了研究。a h i n d y 用平 面动应变与静态m i n d l i n 解相结合的方法对不同介质中的管线进行了分 析，得出了在介质交界面上管线的应力最大的结论。黄忠邦【1 2 1 用一维有 限元法，输入地震简谐波表达式，对埋地管线在均匀和非均匀土介质中 的地震反应进行了分析研究。结果表明：在地震行波作用下，不均匀土 4 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 介质中埋地管线的轴向应变比均匀介质中的管线的轴向应变增大了 5 0 左右。 谢旭、何玉熬1 1 3 j ( 1 9 8 7 ) 通过面波原理对穿过软、硬不同地 基土的管线作了反应分析。根据处于非连续介质地基中的应变( 变形) 协调条件和j 下交关系决定反射波和折射波，应用弹性地基梁模拟管线与 土的相互作用，建立了简化的解析方法。林惠杰和胡聿贤【1 4 】( 1 9 9 1 ) 利 用离散管道模型，计算了二维非均匀土中埋地管道的地震反应。侯忠良、 彭一民、孙进忠5 j ( 1 9 9 4 ) 应用二维超声波地震模拟方法，研究地震波动 传播情况下地管线的地震反应，着重研究地下管线延伸方向地震波动的 相位差异效应。指出在非线性均匀覆盖层条件下，不同岩土介质交界面 附近使振动相位差异显著的部位。地下管线在软硬介质界面附近的地震 作用效应增大2 0 倍以上。梁建文【l6 l ( 1 9 9 8 ) 则对穿越3 种土介质的管线 进行了动力分析，认为不能将3 种土介质场地看作是2 种土介质场地的 简单组合，原因在于3 种介质场地可以形成地震波的聚集，管线的动 力反应取决于3 种土介质的软硬程度、排列顺序及中间土介质的厚度。 1 2 3 液化区内管线的地震反应 在饱和土壤中，地震等冲击荷载引起振动，使得土壤密实，从而 增加了土壤颗粒之间的i l 隙水压力，女u ：f l 隙水不能很快排出，则孔隙水 的压力将超出正常的静水压力，此刻该土壤瞬间液化并丧失其强度，从 而引起管道的上浮或下沉【l7 1 ( 1 9 9 9 ) 。近年来，液化区管线的地震反应 研究引起了广泛的关注，所采取的研究方法有传递矩阵法与有限元杂交 的方法、拟静态传递矩阵法、土体离散有限元法、空隙水压力解析法和 液化势法等。甘文水和侯忠良1 1 8 1 挣1 ( 1 9 9 9 ) 针对加热输油管线初始轴向 压力很大的特点，应用非线性有限元法作了上浮反应的分析。该方法考 5 太原理j l ：大学硕+ 研究生学位论文 虑了初始轴向压应力、土的非线性以及浮力在管道浮出地面后随位移变 化等因素，还探讨了轴向压应力值、液化域长度和管线埋深等因素对管 线应变的影响。熊建国采用一维有效应力模型求得有效的地震输入，进 而对管线进行了地震反应分析。高惠瑛【2 0 i ( 1 9 9 7 ) 利用三次曲线模拟震陷 区管道的几何大变形，推导出震陷区段管道在几何大变形条件下的受力 平衡方程和内力递推公式，从而计算出沉陷区管道各点的位移和截面内 力，由于液化反应问题的复杂性，还有许多问题需要进一步研究。王扬 等【2 】j ( 1 9 9 1 ) 为了分析庞大的地下管网系统在震波、液化、不均匀场地沉 陷和断层作用下的服务功能，采用m o n t ec a r l o 法对管网系统进行直接 模拟原始参数，这样可以考虑更多的随机因素，使结果更能接近实际情 况。t a g u c h i 2 2 1 ( 1 9 9 4 ) 应用岩土工程信息系统( g i s ) 分析了影响液化导致 的永久地面变形大小的主要因素，分析结果指出液化土层之上非液化土 层的厚度和地表坡度是制约地面变形大小和方向的主要因素。景锐等 2 3 1 ( 2 0 0 3 ) 通过反复试验找出了液化状态时饱和砂的密度。由于液化产生 了地基下沉，试验中因模型管两端未加固定，所以管的残余应变比较小。 1 2 4 断层处管线的地震反应 在地下管道跨断层抗震计算研究领域，n e w r n a r k 和h a l l 最早在1 9 7 5 年提出了一个近似算法，假定管线由纵向变形来吸收断层位移作用，但 忽略了土的横向作用力和管道弯曲的变形。1 9 7 7 年，k e r m e d y 等人对 n e w m a r kh a l l 法进行了改进，他们将管线看成只有拉伸刚度而无弯曲刚 度的悬索，在弯曲变形与轴向变形之比较小时可以给出满意的结果，但 在弯曲变形较大时则有可能造成较大误差。a r c i m a n d 等【2 4 1 ( 1 9 7 9 ) 认为 用梁的理论不能解释地震时管道的屈曲和断裂现象，把地下管道视作各 6 太原理i ：人学硕士研究生学位论文 向同性的弹性圆柱壳在粘弹介质中工作，用f l i i g g e 薄壳理论求解，此 类模型不但能解释压屈和断裂现象，而且还能给出由于管道弯曲而产生 的位移和应力。分析表明，动力屈曲荷载几乎和静力屈曲载荷相等，除 非在震中区，地震波作用不会引起地下管道的屈曲，采用静力模型完全 可以分析管道的屈曲。甘文水、侯忠良、肖五虎等人在1 9 9 0 年提出了 一个基于有限元基本原理的穿越断层区的管道抗震分析方法，这一方法 将管道抽象为置于土弹簧上的连续梁，并考虑了横向土弹簧和管道本身 的非线性特征，根据虚功原理建立了管道的平衡方程，并用迭代法求解 管线在断裂位移作用下的反应。张进国、吕英民1 2 刮( 1 9 9 7 ) 根据最小势能 原理，推导出了地震作用下埋地管道的有限元方程利用陔方程来计算 埋地管道在地震裂缝错位作用下的位移、内力及应力。郭恩栋和冯启民 1 2 6 1 2 7 1 ( 2 0 0 0 ) 则采用二维有限元模型分析了跨越活动断层的管道在一致 错动位移作用下的反应情况，并进行了埋地钢管跨断甚振动台及静力试 验，指出不论是静力试验还是动力试验，管道与断层土体之划的相对变 形最大值都出现在断层面附近。随着断层位移量加剧，相对变形也加剧， 最终管道发生塑性变形，或土体发生屈服( 试验后将土层拔丌观察到管 道附近的土体己被挤压出现凹槽) 。管道轴线变形是反对称形状，远离 断层的管段随土体一起运动。t a k a d a1 2 8 1 ( 2 0 0 1 ) 用壳模型分析管道在断 层滑动时的屈曲效应，结论为：在断层滑动中，管道轴向应变占主要地 位，逆滑时最大应变出现在屈曲位置，总应变中塑性应变占9 7 ，提示 管道在跨越断层时延性的重要性。刘爱文1 2 9 ( 2 0 0 2 ) 把离断层较远处的 管子变形等效为菲线性弹簧的边界条件，用壳模型有限元方法分析了管 道在断层两侧发生非对称变形的情况。 7 太原理j ：人学硕士研究生学位论文 1 2 5 埋地管线的稳定。性 稳定性是管线抗震研究的另一个主要方面。大量震害表明：地震时 管线不仅出现强度破坏，还会出现失稳破坏。失稳破坏主要分为两种形 式：一种是梁型失稳，一种是壳型失稳。h y u n 和s k y r i a k i d e s 采用弹 性地基上的重梁模型，壳型失稳采用弹性介质中的圆柱壳模型系统地对 两种失稳形式进行了静力分析，同时还研究了由于两种失稳形式的相互 作用而出现的非对称壳形失稳。l l n 1 e e 和c c c h e n 分析了在弹性均 匀的土介质中有限长圆柱壳在轴向对称荷载作用下的壳型动力屈曲问 题，利用实际地震记录对弹塑性和弹性失稳进行计算，发现动力效应很 小，动力失稳荷载和静力失稳荷载基本相同，采用静力模型完全可以分 析失稳问题。赵成刚、冯启民【3 0 1 ( 1 9 9 4 ) 提出了确定地震烈度下供水系统 受灾程度分析方法，能确定各供水节点之间管道破坏的数量，破坏的位 置和破坏状态。在进行供水系统流量分析的基础上，给出各供水节点的 服务状态。侯忠良、彭民【3 l j ( 1 9 9 0 ) 针对管段的类型，提出了管道抗震 验算的3 个准则：( 1 ) 强度验算：当管线受重力荷载( 如重力、惯性力) 为主时，其荷载不随管线的变形而变化，管线破坏( 屈服或断裂) 时将 产生很大的位移。地上管线或河上跨越管线均属于此种情况。对于受力 较复杂的地下管线中的三通、四通或弯管等，也可以按该准则验算。( 2 ) 延性验算：当管线受地震行波或断层作用时，其应变由土的相对位移引 起，不会因管材屈服或接头松动雨导致管线应变无限增大。此时只要保 证管线有足够的延性或接头的变形能力即可。对于钢管，允许应变可取 设计疲劳曲线中应变循环总次数为4 0 5 0 次应变值。a 3 或1 6 m n 钢管 的应变允许值均可取o 0 1 。( 3 ) 曲屈验算：对于具有较高的初始压应 力的钢管线( 如加热输油) ，在地震行波作用下最易发生壳型曲屈破坏。 8 太原理l i 人学硕十研究生学位论文 唐山地震，秦京输油管线发生两例这种破坏( 均在7 度区) 。当管线堙 设较浅且地面位移较大时，也可能发生梁型破坏，即管线整体弯出地面， 但此时管中应力很快释放，一般不会导致破坏。 何玉敖和梁建文【3 2 】( 1 9 9 4 ) 则提出了一个地下管线动力失稳的数学 模型，建立了基于b o l o t i n 的弹性稳定理论，在简谐荷载作用下的管线 动态失稳有限元平衡方程，并对动力失稳荷载进行了分析，其认为在地 震波作用下梁型动力失稳可以发生，而壳型失稳则不会发生：管内液体 的质量和管道的埋深对动力失稳影响较大，而初始整体缺陷的影响却很 7 j 、。 1 3 项目研究内容及方法 1 3 1 本课题的主耍内容 i 对目前地下管线研究现状的概述，提出输水管线抗震加固的必要 性。 2 以地震学的基础理论为依据，分析了地震各个要素及其之间的关 系，并对地下管道地震灾害进行研究。 3 对地下管道工程震害损失评估调查。基于对国内外典型地震作用 地下管道实验资料研究成果分析，总结了对地下输水管道在波动作用下 的反应特征的一般规律，给出了地下管道的震动特性、特征。 4 预测分析地下管道的震害概率，提出地下管道的地震作用计算方 法。以南水北调中线京石段应急供水工程为例，分析埋地长距离输水管 道在设防烈度为8 度的地震作用下的应力应变及动永压的分析计算。 j 提出些抗震措施。根据国内外地震害灾中输水管道的破坏情况， 结合国内外提高管线抗震性能的经验，提出地震区她下管道拟采取的抗 9 太原理i ：人学硕士研究生学位论文 震措施。 1 3 2 主要研究方法 震害预测采用两种方法，种经验法，另一种理论法。本文主要采 用的是理论法的概率预测模式。埋地管线地震作用计算方法是运用振动 和抗震动力学理论，采用波动理论方法推导了埋地管道的振动运动方程 和管土间相互作用的传递系数。考虑了地震时在输水管道中的产生动水 压的情况分析，通过实例分析讨论了各相关参数对埋地长距离管道抗震 性能的影响。 1 0 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 第二章地下管道震害特征影响因素及成因分析 2 1 地震波作用下管道的损坏特点 2 1 1 地下管道损坏典型事例 历史上曾经发生过无数次地震，给人类造成了程度不同的灾难，地 震波波及范围内，地下管道会发生不同形式的破坏。 1 9 4 8 年l o 月5 同夜间到1 0 月6 同在阿什哈巴德地区i ( 1 9 9 2 ) 发生 了地震。震源深度为2 0 - - 3 0 k m ，按m s k 一6 4 地震烈度表，阿什哈巴德地 区地震烈度为9 度。 根据调查可以证实，钢管道破坏的典型实例是对接套管和法兰盘的 破坏，螺口连接处的螺口断裂。在口径3 0 0 m m 的钢筋混凝土管道中有1 3 处损坏，在1 2 1 径2 5 0 r a m 的钢筋混凝土管道中有3 6 处损坏。其连接部位破 坏是种很典型的形式，并在多处发现管壁横向开裂，以及管道与蓄水 备用井连接部位的非金属管子断裂等( 图2 - 1 ) 。 f u 一，一 1 t “ - l 1 一 t “j u * _ _ - i j | 一一 ，7 - 。一一 一一二二二_ 三：二一 图2 - 1 与构筑物连接的石棉水泥管道典型破坏实例 f i 薛一1t y p i c a ld a m a g eo fa s b e s t o s c e m e n tp i p e l l 一 奎堕堡! ：查堂堡主堑窒皇堂垡笙塞 _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - 十_ _ _ _ - - 一 铸铁管道和石棉水泥管道遭受到明显的破坏( 接口破裂、石棉水泥 管折断) ，口径1 0 0 r a m 的石棉水泥管道破坏是最典型的。在发生事故的管 段内，其管道是敷设在壕沟内，该沟的底部为新填土的沟槽( 沟槽宽为 2 米) 。管道敷设在设计位置上之后，壕沟即用土回填。发生地震时管道 因回填土压力和地基沉陷( 沟槽中新填土沉陷) 而断裂。这个例子证实 了设置密实地基的重要性，尤其对于脆性材料的管道或刚性接口连接的 管道更为重要。 日本是一个多地震的国家，1 9 2 3 年在关东地区，东海地区以及其他 地区已经进行了大量的震害预测和防止震害措施的研究。从表2 一l 可 以看出，基本的破坏是由裂缝生成造成的，小口径管道破坏数量最多( 石 棉水泥管) ，随管径减少，管子折断数量大大增加( 非金属管) 。 表2 1 19 23 年关东地震管道的损坏情况 t a b l e 2 1 d a m a g e do f p i p e l i n ei ng u a n d o n ge a r t h q u a k ei n1 9 2 3 口径 破坏特点 破坏破坏管道占总管道 ( m m ) 裂缝折断( 破坏程度) 总计的百分比( ) 1 1 0 0552 3 6 0 0 ll2 0 9 5 0 0220 9 4 0 0110 4 5 3 0 0331 - 3 5 2 5 0112 0 4 5 2 0 01 91 98 6 5 15 06 597 4 3 2 5 1 0 08 71 41 0 1 4 5 4 5 71 061 67 2 合计 2 2 41 0 0 圆形或矩形的钢筋混凝土管道的市政供水网损坏分析表明，事故随 埋深的增加而增加，然而埋深增加到2 4 m 后事故明显下降( 表2 2 ) 。 1 2 太原理i 人学硕十研究生学位论文 _ _ - _ _ _ 一 浅层的管道事故率低( h = 1 5 m 以下) 的事实说明管道在土中约束小( 即 管周土没有完全将地震作用传递到管道上) 。埋深继续增加，管道事故降 低说明：在竖向地震作用下土沉降减少，这对于非刚性接头的钢筋混凝 土管道来讲是非常重要的。此外，埋深大于3 m 的管道受拉不明显，埋 深1 5 m 和3 6 m 的管道事故实际上是相同的。 表2 - 2 19 23 年9 月1 日地震后东京钢筋混凝土破坏情况 t a b l e 2 2 d a m a g e dd a t ao f r e i n f o r c e dc o n c r e t eo f t o k y o a f t e re a r t h q u a k ei ni9 2 39 1 长度 破坏数鼙 埋深 i i j 总长的总破坏数的 事故率 k r a处 百分数( )百分数( ) 圆形截面管道 1 5 4 4 4 0 4 5 2 03 68 0 ，0 7 1 82 4 7 0 2 4 9 0 1 94 3 2 07 7 2 42 1 4 52 1 6 02 14 7 70 9 8 3 ，0 6 8 6 6 7 01 23 0 1 5 3 61 5 21 5 3o0o 4 50 0 60 0 7000 矩形截面管道 150 3 32 4o0o 1 8 2 6 81 9 3 73 91 5 91 4 5 2 4 6 3 54 5 6 01 4 55 9 22 2 9 3 o2 3 0 1 4 3 64 21 7 21 8 t 3 3 61 6 81 2 1 0 1 9 7 7 1 1 _ 3 4 50 5 64 0 3oo0 r 本研究人员久保庆三郎教授等为了分析管道损坏将新泻地区分为 三个部分：硬土区( a 区) ；由硬土到软土过渡区( b 区) ；旧河床冲击 软土( c 区) 。 在a 区以4 5 。角埋设在硬土区中的管道无损坏可以说明，在该区的 1 3 太原理工人学硕士研究生学位论文 一一 这类管道中损坏很少和未见损坏。与地震行波方向平行埋设的管道损坏 很严重( 在三通管、弯管、支管部位由明显的弯曲变形) 。在a 区和b 区管道损坏的主要原因是管周土不均匀移动，而在c 区则是供水管道配 水井隆起和管线附近的建筑物下沉。 管道主要破坏( 5 4 ) 发生在冲击软土的c 区。在所有地区绝大部 分( 6 5 ) 遇到的是因竖向地震力作用而引起管道环形截面断裂，特别 是与地震波传播方向平行的管道( 5 2 ) 。在c 区因明显的不均匀沉降引 起管道屈曲和因地基砂土液化造成检查井隆起等占总破坏量的7 5 。 表2 31 9 6 4 年地震期间新泻地区管道的损坏 t a b l e 2 3 d a m a g e do f p i p e l i n ei nx i n x i ee a r t h q u a k ed u r i n g1 9 6 4 各区损坏( 数) 管道走向与地震行波 损坏形式 传捅方向的相互关系 abc 断裂( 沿环形截面) 5 4 51 3 垂直弯曲变形21 06 裂缝生成500 断裂( 沿环形截面)1 31 45 l 平行 弯曲变形 6 1 89 裂缝生成 0 0 4 断裂( 沿环形截面) 0 55 成4 56 角弯曲变形014 4 裂缝生成001 3 1 9 7 1 年美国圣费尔南多地震是以s o l e d a d 断层为震源，沿着圣费尔 南多山的许多小断层活动的，由于地基变动使管线等地下构筑物造成损 坏。在地基变化显著的地区，设置有洛杉矶市和圣费尔南多市的供排水 管道设备和p a c i f i cl i g h t i n gs e r v i c e c o 的天然气输送管道和南方加里福尼 亚瓦斯公司的城市煤气供应管网。受害范围以自来水管线为甚，城市煤 气管线局部受损。 1 4 太原理l ：夫学硕士研究生学位论文 _ _ _ - h _ _ _ - 一一 地震后在西罩莫尔和圣费而南多市区就煤气管道和供水管网进行了 非常详细的调查。震中位于圣费而南多以北约5 k m 处。在市区地表出现 较大振幅的振动。地震震级为6 7 级。 在西旱莫尔和圣费而南多市区，1 9 7 1 年2 月9 冠在地震后果漏查委 员会调查报告中指出，不论是地上管道，还是地下管道都出现大量的断 裂，在纽霍洛姆至圣费而南多的干管钢管道中( 口径3 0 0 - - 6 6 0 m m ，焊 接接口) 有大量的破坏。在土体中产生明显变形的长约1 0 k r a 的地段发 现5 2 处断裂。由于大量的管道断裂，迫使口径3 0 0 m m 长1 5 k i n 的煤气 管道全部拆除。在西里莫尔附近口径6 6 0 m m 长1 5 k m 的煤气管道中发现 9 处断裂。在西里莫尔以西管段仅发生几处断裂。煤气分配系统遭受的 损坏较少，然而在圣费而南多河谷，面积约3 0 k m 2 的所有建筑物结构遭 受破坏或损坏处，供水管道多处破坏。配水管网干管为口径5 0 ，7 5 和 2 0 0 m m 焊接钢管系统。支管系统采用l j 径1 9 r a m 的钢管，接口连接结构 的不同形式和管道走向的变化决定了管道破坏的特点：因拉力作用造成 管道接口破坏，因很大的压力作用造成管壁起皱，因扭曲和屈曲造成管 段明显变形和破坏。 大量的破坏发生在供水管道和排水管线中，发现沿管轴方向在明显 拉应力作用下口径1 9 3 0 m m 钢管道焊接接1 2 1 被拉断。接口的邻边分丌 1 5 2 0 m m 从位于密实土的煤气管道中切下一圈管壁起皱的管道，研究 表明起皱形成是很大的压力作用的结果，小口径的支管折断基本上是由 于弯曲应力引起的，连接口径2 5 4 m m 管道的三通管很大变形和断裂是由 弯曲应力和纵向应力作用造成的。 应该指出，地下钢管道在焊接接口附近破坏或接口本身断裂是西罩 莫尔圣费而南多地区管道系统破坏的一个特点。可见，接口部位管道 材料强度很低，比其他管段塑性小。在压力作用下与接口部位连接的管 1 5 太原理t 大学硕士研究生学位论文 壁在多数情况下失稳，因此起皱。这些破坏可以说明焊接接口和管体基 材强度不同，以及焊接接口材料脆性大。 唐山大地震中，天津市区的给水工程管线震害程度差异按管道破坏 形式来统计( 见表2 4 ) ，从中可以看出管道的折断和接1 2 1 脱开是主要 震害形式 3 4 ( 1 9 8 4 ) 。 表2 - 4唐山大地震天津市区的给水工程管线按管道破坏形式统计表 t a b l e 2 4s t a t i s t i c so f d a m a g es h a p eo f t i a n j i n sp i p e l i n ei nt a n g s h a ne a r t h q u a k e 破坏数量管径 中7 5 中1 5 00 2 5 0中 中oo 1 0 02 0 04 0 05 0 06 0 08 0 01 0 0 0 破坏类豪、 折断1 2 l5 62 343 纵向开裂 223 山现孔洞 8 脱 口 6 95 22 61 77l 零件损坏 2 75 7624l 总计 2 2 71 6 75 8 2 31 4l l 2 1 ，2 地下管道震害特征 根据对上述国内外实验资料研究分析，对地下输水管道在波动作用 下的反应特征的一般规律，并以此作为管道地震反应分析的依据。 ( 1 ) 在地震作用下，地下管道的受力状态不同于地面结构，因为管道 的自震周期远小于土层的震动周期管道受到周围土的阻尼影响很大， 因此不必考虑振动惯性力的作用，在地震波的作用下，管道的反映可按 波动理论进行分析。由于输水管道的埋深都不大，一般均小于5 m ，而在 地表附近水平剪切波的贡献比较大，所以主要计算水平向剪切波引起的 管道变形。 ( 2 ) 在地震波的作用下，一方面管道被周围土体夹裹着作波动变形另 一方面由于管道具有一定的刚度又抑制周围土体的变形，两者相互影响， 1 6 太原理1 ：人学硕十研究生学位论文 其结果使管道的变形比未敷设管道的土体变形小。根据日本美国以及我 国海城，唐山两次强震中的震害表明，管道的损坏率随管径增大而减小， 这种现象说明管道刚度的影响不可忽视。 ( 3 ) 管道的变形小于自由场地变形，减少量主要取决于管一土的刚度 比和土壤密度。当土壤变形使管表面附近的土壤剪切应变达到极限或管 和上壤问的摩阻力达到极限时，在管道和周围壤间或管临近某一土层 界面上将产生相互滑动。 ( 4 ) 地下管道由于埋设在土中，其震害除地震波传播的土层波动变形 以外，主要是由于地面断裂，滑坡，震陷土壤液化等场地震害所致，因 此，沿管道走向的工程地质条件，是影响管道震害的最主要因素。震害 调查表明，场地震害所造成的管道破坏都相当严重，且难以避免。而对 一般场地，地震波传播效府造成的震害较轻，但其影响面广，是管道避 受破坏的最