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前言

　　本文的震害分析和抗震措施是在參考了大量權威資料的基礎上提出的，所以更系統，更全面。我國2010年頒布的《GB50011-2010建筑抗震設計規范》【1】 顯示，全國大致有41%的國土、一半以上的城市位于地震基本烈度7度或7度以上地區。地震對給水系統造成破壞威脅了人們的飲用水安全。通過對以往地震災害對市政管網的破壞進行分析，總結經驗教訓，提出應對措施，對保障供水安全的重要意義。

1、我國地震背景概況與給水管道防震意義

 

　　地震又稱地動、地振動，是地殼快速釋放能量過程中造成振動，期間會產生 2  地震波的一種自然現象。我國位于太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，決定了我國強震多發、震災嚴重的基本國情。中國大陸受印度板塊北東方向的碰撞和擠壓，同時也受到太平洋板塊向西偏北方向的俯沖推擠。印度板塊的碰撞擠壓，導致中國大陸西部強烈隆升，形成了世界屋脊-青藏高原，并伴隨強烈的地震活動。受太平洋板塊俯沖的間接影響，我國東部的地震活動也較強。

　　中國大陸地震活動呈現以下特點，地震多：平均每年發生5級地震20次。強度大：2000年以來全球僅有的2次大陸8級地震都發生在我國大陸。分布廣：我國30個省份發生過6級以上地震。震源淺：對震級相同的地震來說，如果震源越淺，震中距越短，則烈度一般就越高，破壞性越強。

　　2004年7月，在北京召開的第三屆大陸地震國際會議上，中國地震局提供的資料顯示，全球每年發生約五百萬次地震；另據中國地震局的統計結果表明， 我國大陸地震占全球大陸地震的三分之一。所以說我國是世界上遭受地震災害朂為頻繁的******之一。

　　地震不僅對地上建筑產生嚴重的破壞，同時也對地下公用設施如地下供水管網、地下電纜線等造成中斷性破壞。被人們形象地稱之為生命線工程的供水系統、供氣系統、供電系統等工程設施是現代社會生產和人民生活賴以維持的基礎性設施，是維系現代城市功能與區域經濟功能的基礎性工程設施系統。水是生命之源，是地震發生后維持生命的必需品，在人體新陳代謝中，三天不喝水則可能死亡，而且汶川大地震統計結果表明給水系統中遭地震破壞朂多的是給水管，危害更大的也是給水管道破壞；因此，通過對以往地震災害對給水管道破壞分析,總結經驗教訓,提出應對措施具有十分重要的意義。

2、地震對給水管道的破壞介紹

　　下面介紹了幾次典型地震中城市供水管網被破壞實例。  

　　1975年我國遼南海城地震時，受到地震影響的的營口市，震后24h內發生36起火災，城市給水管道受到嚴重破壞，經過一個多月的搶修才基本恢復正常供水。地震造成營口市150公里長管道發生接口松動、損壞以及管體折斷等震害 372處，平均震害率達到為2.35處/公里。

　　1976年唐山市發生地震時，唐山市區的地面烈度達到10~11度，城市供水管網處于全部癱瘓狀態，配水管網遭到破壞444處，接口拔出及管材斷裂點79.6%。震后初期只能取洼坑、魚塘、游泳池、浴池內積水作為生活飲用水。

　　2008年5月12日發生了8.0級汶川大地震，在震中北川、漢川、青川及什郁和綿竹部分鄉鎮供水設施嚴重損毀，爆管頻率猛增，供水產銷差增大，管網壓力急速下降，很多地區供水中斷。綿竹市城區80%的供水管網遭到破壞而漏損，漏失水量在50%以上。據統計，地震造成448個鄉鎮的給水管網嚴重破壞，重災區的233個鄉鎮給水設施破壞更為嚴重，其中的131個鄉鎮給水設施全部損毀。強烈的地震造成四川供水受災人口達1059萬人，損壞給水管道8070余公里，毀 壞給水廠各類構筑物839個，破壞取水工程1281處，受損水廠156座。

　　從這些震害事例中我們可以看出，城市供水管網抵御地震的能力非常脆弱，地震已成為供水管網破壞的主要因素。同時，某些大地震過后在該地區或其輻射區往往伴有多次余震，對災區重建的供水管網產生了新一輪的破壞而導致管網漏損，對供水安全造成危害。我國大多數城市人口密度大，城市基礎設施差達不到抗震要求，且我國很大一部分地區被劃分為地震頻發區，遭受著頻發地震的危險，這將導致供水管道被地震破壞而影響供水安全。

 

　　在此背景下對地震對給水管網的破壞形式，破壞因素進行研究，提出防震措施意義重大。

3、地下管道破壞分析

3.1 管道破壞的主要形式和特征

　　地震對地下管線的破壞主要是由地表變形和地面運動引起的，其破壞形式主要有連接破壞、接口破壞、管體破壞三種。其中，地震烈度、場地地質條件、管道直徑及接口形式等是管道工程抗震性能的主要影響因素。

　　在破壞形式中，管體破壞一般是由于地面斷裂、滑坡等嚴重場地震害引起， 或由于管體本身缺陷和腐蝕嚴重等原因造成。管道破壞中，接頭破壞朂為普遍。

3.2 影響管道破壞的主要因素 

　　1984年，S.K.Datta    將圓柱殼模型引入無限空間和半無限空間中對管道進行了研究，結果表明：管道鋪設過程中的回填土對管道受地震作用的應力有較大影響。

　　1996年，梁建文、孫紹平等提出管道的地質特性甚至比地震烈度影響更具決定性。但在一個特定條件下除外，即地震震源很淺（中國的地震特點之一是震源淺），否則地震波對埋置在均勻介質中的管道不易造成損壞；而對處于不規則場地的液化區和非液化區的交界面、過渡區等區域的管道卻極易造成破壞。

　　《汶川特大地震中城鎮供水系統地震災害與抗震救災調查報告》中統計結 果顯示。受地震損壞的管道中小管徑管道破壞率較高占90%以上；不同管材管道每公里破壞率（處/km）從大到小排列為：鋼筋混凝土管，灰口鑄鐵管、硬聚氯乙烯管、聚乙烯管（PE）、球墨鑄鐵管、鋼管；剛性接口損壞率遠大于柔性接口；老化的管道破壞率高。

　　地震對管道的破壞因素可以總結為以下幾點：  

　　1、管道震害率隨著地震烈度的增加，總體上呈規律性上升趨勢； 

　　2、隨著土壤液化程度的升高，管道震害率呈總體性上升趨勢。震害記錄中發現，同一管線在土質較差地段，管道接口破壞嚴重；而在堅實土質處，破壞較輕 【14~16】 。  

　　3、柔性接口比剛性接口抗震性能好；大量震害表明，同樣條件下，由于柔性 接口的管道能吸收較多的場地應變，因此抗震性能好于剛性接口。  

　　4、韌性好的管材比脆性管材有更好的抗震性能，強度高的管材比強度低的管材抗震性能好。  

　　5、管徑與管道震害率的關系為隨著管徑的增大，管道震害率呈逐步下降趨勢；因為大口徑管道的剛性強，且它與土壤接觸的摩擦力大，可抑制周圍土壤的變形，故在同等條件下大口徑管的抗震性能強。

　　6、管道的彎頭、三通和閘門，以及和構筑物的連接處，由于運動相位不一致，易產生應力集中，造成破壞。

　　7、其他方面，如管道的設計、施工、使用年限等對管道的破壞也有一定影響。此外，地震中管道方位的不同受破壞亦有差異。

　　地震中（中國）的供水管道破壞程度主要起決于地震烈度，其次為場地條件，而管段的基本屬性也起著非常重要的作用。

4、給水管道防震措施    

　　為了應對地震災害，有這樣一個受到大家認同的說法——“與其預報地震不如建好房子”，所以說建造合格的管網是朂有效的防震措施。

 

4.1 抗震設防標準 

給水管道抗震設計應符合下列******標準：

《建筑工程抗震設防分類標準》GB50223-2008；

《建筑抗震設計規范》GB50011-2010；

《建筑抗震鑒定標準》GB50023—2009；

《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》GB50032-2003；

《室外給水排水工程設施抗震鑒定標準》GBJ43—82。

　　另外對超越規范適用范圍的結構，應說明其抗震設計依據，并論證相應抗震措施的可靠性。人員密集的公共服務設施，應當按照高于當地房屋建筑的抗震設防要求進行設計。

　　抗震總目標是：所有建筑均要求達到小震不壞，中震可修，大震不倒的設防目標。 

　　汶川地震表明，嚴格按照現行規范進行設計、施工和使用的建筑，在遭遇比當地設防烈度高一度的地震作用下，沒有出現倒塌破壞，有效地保護了人民的生命安全。

4.2 總的抗震措施

　　科學規劃，合理布局。工程場地應選擇對抗震有利的地段 盡可能避開不利抗震的地段。嚴格按照******現行法律、法規、規范進行工程建設。規范設計，規范施工，規范運行，是工程抗震的基本保證。  抗震設防城市在建設供水工程前，必須認真收集有關資料，對地質構造、工程地質特征及管線經過的河流、湖泊地帶、地面大型建筑物等資料進行考查。對地震多發的地區的供水系統進行抗震分析，優化供水管網，降低震害率。

　　對于如醫院、避難所、學校、高層和超高層建筑等人員密集而疏散較困難的場所，消防和供水設施的抗震應加強。保管好設計文件和設備運行文件，以便其他人員能及時了解和掌握、修復系統。

4.3 管道定線

　　1、大、中城市的給水主干管應敷設成環狀，達不到此要求的，應增建主干管，形成環網，以達到城市供水安全的要求。

　　2、地下給水干管的埋設位置，應與建筑物，特別是高大建筑物保持適當的水平距離，以免建筑物震塌后廢墟將管道埋壓，增加搶修工作的困難。

　　3、給水干管應盡量避免穿越大型的下水道和人防工事，必須穿越時應采取加固措施。以免給水管破壞，水流入防空洞，大量積水，造成洞體損壞，從而又擴大給水管的損壞。

　　4、管道定線盡可能避開地質斷裂帶、滑坡、泥石流、小規則場地、土壤易液化區、回填土上或河岸邊、海灣、峭巖壁、沼澤、地段淤積土、地殼易下陷斷層等不利抗震的地段；應優先選擇土質堅實、不易液化的地段，宜布置在均勻土質中。

　　如果不能避免這這些不利情況則應作地基基礎處理或管道加固處理，必要時采用混凝土回填，具體情況如下。

　　（1） 當管道和廠站內構筑物靠近河、湖、塘邊坡建造時，如地基內存在液化土或軟土時，應通過對邊坡的抗震滑動穩定驗算，做好邊坡加固處理。

　　（2） 如在軟硬地基交界處，必須考慮不均勻下沉，應設置柔性接頭(伸縮接頭等)；

　　（3） 當管道必須通過液狀化區、河岸邊、滑坡彎時，必要時需用樁基，尤其對過河的倒虹吸管道（渠道），樁端應落在硬土層內。

　　（4） 當靠近發震斷裂建造時，應避開一定的距離；避開的朂小距離，不應小于規范規定的要求；

　　（5） 當輸水埋地管道不能避開活動斷裂帶時，應采取下列措施：①管道宜盡量與斷裂帶正交；②管道應敷設在套筒內，周圍填充砂料；③管道及套筒應采用鋼管；④斷裂帶兩側的管道上(距斷裂帶有一定的距離)應設置緊急關斷閥。    

　　5、對管網應根據其運行功能，分區、分段設置閥門，以便按需切斷，控制震害；閥門處應設置閥門井。  

4.4 管材，管徑，管道接口，管道使用年限。  

4.4.1 管材  

　　1、應優先選用球墨鑄鐵管、鋼管、PE 管等抗震性能強的管材。

　　2、下列地段應采用鋼管：過河倒虹管或架空管；穿越鐵路或主要交通干線及位于地基土為液化土地段的管道；不能避開活動斷裂帶的埋地給水管道及其套管，鋼管采用焊接連接。

　　3、管徑DN≤300宜采用聚乙烯管材（PE管）及管件，熱熔或電熔接口；管徑DN＞300宜采用球墨鑄鐵管材及管件。

　　4、當設防烈度為7度、8度且地基土為可液化土地段或設防烈度為9度時，管道干線的附件均應采用球墨鑄鐵或鑄鋼材料。

　　5、采用鋼管時，應具備可靠的管內、外及管件的防腐措施； 

4.4.2 管徑  

　　1、防震要求高的地區宜采用大口徑管道作干管，大口徑管道的剛性強，且它與土壤接觸的摩擦力大，可抑制周圍土壤的變形，防震性能好。

　　2、有的地區宜采用小口徑管道，如管道小可避免地要鋪設在小均勻土質區及場地條件差異較大的交界區。  

4.4.3 管道接口  

　　1、管道接口用膠圈柔性接口，而不用剛性接口。

　　2、管道在下列部位應設置柔性接頭：地基土質突變處；穿越鐵路及其他重要的交通干線兩端；過河倒虹管的上部彎頭兩側；承插式管道的分支點、轉彎(三通、四通、彎頭)處、閥門、消火栓、水表井、大于45度的彎頭等附件與直線管段連接處；當設防烈度為7度且地基土為可液化地段或設防烈度為8度、9度時，管道與泵房、水池等建筑物連接處；管道穿越墻體或基礎為嵌固時的穿越管道上。

　　3、直管段上柔性接頭間距不超過100m。若管線通過松軟地帶、液狀化地區則建議每30-50m設置一個伸縮接頭以增強管線抗拉、抗壓能力，沿河、湖、溝坑邊緣敷設的承插式給水輸水管及配水干管管段，當場地土為Ⅲ類或場地土為Ⅱ類但岸坡范圍內夾有軟弱粘性土層、可液化土層可能產生滑坡時，該管段上不大于20米距離應設有一個柔性接口。不符合要求時，應增設。  

4.4.4 使用年限

　　城市管網合理使用年限。管道年久失修易受損壞，內壁銹蝕影響水質，抗震性能下降，有必要建立城市管網合理使用年限制度，定期更換，以保障供水安全。  

4.5 結構材料

　　1、鋼筋混凝土盛水構筑物和地下管道管體的混凝土，不應低于C25。

　　2、砌體結構的磚砌體強度等級不應低于MU10，塊石砌體的強度等級不應低于MU20；砌筑砂漿應采用水泥砂漿，其強度等級不應低于M7.5。

　　3、當設防烈度為7度、8度且地基土為可液化土地段或設防烈度為9

度時，管網的閥門井、檢查井等附屬構筑物不宜采用砌體結構。如采用砌體結構時，磚不應低于MU1O，塊石不應低于MU20，砂漿不應低于M1O，并應在砌體內配置水平封閉鋼筋，每500mm高度內不應少于2φ6。

　　4、混合結構的矩形管道應符合下列要求：

　　⑴ 砌體采用磚不應低于MU10；塊石不應低于MU20；砂漿不應低于Ml0；

　　⑵ 鋼筋混凝土蓋板與側墻應有可靠連接。設防烈度為7度、8度且屬III，IV類場地時，預制裝配頂蓋不得采用梁板系統結構(不含鋼筋混凝土槽形板結構)；

　　⑶ 基礎應采用整體底板。當設防烈度為8度且場地為}III，IV類時，底板應為鋼筋混凝土結構。 

 4.6 施工

　　1、地下直埋承插式圓形管道和矩形管道，在下列部位應設置變形縫：

　　⑴ 地基土質突變處；

　　⑵ 穿越鐵路及其他重要的交通干線兩端；

　　⑶ 承插式管道的三通、四通、大于45°的彎頭等附件與直線管段連接處。

　　2、在施工過程中，不宜以屈服強度更高的鋼筋替代原設計的受力鋼筋；當不能避免時，應按鋼筋強度設計值相等的原則換算，并應滿足正常使用極限狀態和抗震要求的構造措施規定。

　　3、毗連構筑物及與構筑物連接的管道，當坐落在回填土上時，回填土應嚴格分層壓實，其壓實密度應達到該回填土料更大壓實密度的95%~97%。

　　4、混凝土構筑物和現澆混凝土管道的施工縫處，應嚴格剔除浮漿、

沖洗干凈，先鋪水泥漿后再進行二次澆注，不得在施工縫處鋪設任何非膠結材料。

　　5、為防止設備及管道移位、傾倒、掉落損壞，設備和管道的抗震支吊架應與建筑主體結構牢固相連（可用埋件、膨脹螺栓，不用射釘），不應設在填充墻上。

4.7 其他

　　1、管網上的閥門宜設置閥門井，管徑大于75毫米的閥門應建有閥門井。凡采用閘罐做法的應予改建。

　　2、架空管道的支座上，應設置側向擋板。

　　3、附件支墩的設計應符合該處設置柔性連接的受力條件。

　　4、在管道變向地區必須實施支墩加固措施，必要時加設柔性防脫接口。在管件上不得有水平或垂直的突然拐彎，因地震時不連續點容易產生復雜應力。

　　5、消火栓及管徑大于75毫米的閥門鄰近有危險建筑物（指缺乏抗震能力又無加固價值的建筑物）時，應調整閥門及消火栓的設置部位。閥門及消火栓應設置在便于應急使用的部位。

　　6、震中可降低管網控制壓力，保護管網；加強管網巡查，及時排除隱患。

　　7、建立健全數據采集和監控系統（SCADA），地震中管網多處破損且余震不斷，人工監控效率低，危險性大，故用SCADA系統代替人工。

5、 總結

　　抗震措施就是抵抗地震的外力作用可形象的歸納為：“以柔克剛”，采用柔性接口柔性材料吸收場地應變；“以硬碰硬”，采用強度高的材料抵抗外力；“管地合一”，管道埋在均勻穩固的地基上（回填混凝土等），地震時管道隨著地基一起同步運動，可使管道受力均勻減少破壞。供水是關乎社會穩定的問題，供水系統在震后仍要具備供水功能，或者可以迅速將這些功能恢復。作為一個給排水人在設計、施工、使用給水系統時必須綜合考慮各種因素，特別是地震等極具毀滅性的災害因素的影響，必須要嚴格按照現行規范進行設計、施工和使用給排水系統以保證人民的生命安全。