探析基于gis的城市供水管网动态震害预测 63页

'北京工业大学硕士学位论文基于GIS的城市供水管网动态震害预测姓名：牛燕利申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：闫维明20040501 攮要大量簏害资料表明：供水管网抵御地震的能力是十分脆弱的，而且它的破坏将引起严爨的次生灾害。因此，本文从我国城市抗震防灾工作对基础性研究的迫囊震要出发，结台我国城市供承罄圈系统懿实甄穗猿，在综合分辑了至芟煮鏊瘫努相关研究的基础上，建立了纂于地理信意系统(GIS)的供水管啜动态麓害预测模型。本文综合分析了地下供水管道的地震破坏特征和反应机理，引入了以接头破坏作为主获的破坏模式，著攘讨了管±闻的楣互佟髑毒瑟潺移{乍用等娴题；分绍了穰据震密调查数据匿癌酶统计经验法察基于可爨镶理论斡理论分析滋，对遣下管道的可靠性进行了研究；介绍了利用蒙特卡罗法和网络图论中的广度优先搜索法判定网络避通可靠度的方法，对供水管网的连通可靠性进行了研究；考虑到震害预测方法中的许多参数是随时间变化的，应用灰识理论和概率论，建立了基于GIS豹镶承警瞬魂态震害颈溺模鍪。在上述骚究蠡冬蘩碴土，本文还瘸C谣言编鞠了城市供水管网动态震害预测的通用程序。最屠，以某城市供水管网实际工程为例，应用上述通用程序对甚麟密进行了预测。计算结果与震害基本吻合，验证了本文建立的基于GIS的供水傺网动态震害预测模趟和编制的通用程序。荚缝镧供水管网；动态震鬻{霉{溺；灰色系统；缝计露归 AbstractManyearthquakedisastershavedemonstratedthatawatersupplYpipenetworkinacitymaybevulnerabletoearthquakeandthesecondarydisastersaremoreserious．So，itiSnecessarytobuiidGIS—baseddynamicseismiCdisasterpredictiOntourbanwatersupplYpipenetworkfortheneedofearthquakehazardmitigation．ThiSpaperpresentssomemethodsforsolvingtheseproblems，whichiSbasedonthefactinourcountry1"heseismiCdisastersfeaturesandbehaviormechanismsoftheburiedwatersupplYpipelineareanalyzedbysynthesiSandthebreakageofthepipejointscausedbyseismiCwavepropagationasmaindisastersmodeisledinto．Thesoil一pipeinteraction．andthesoll—pipeslippagearediscussed．Statisticalexperiencemethodresultedfromearthquakeinvestigationsandtheoreticalmethodsbasedonreliabilitytheoryareintroduced．ThereliabilityofburiedpipelineiSresearched．ThemethodforestimateconnectivereliabilityofnetworkbymeansofMonteCarlesimulationtechniqueandBreadthFirstSearchmethodiSintroduced．TheconnectiverellabilityofwatersupplypipenetworkiSresearched．Consideringmanyfactorsofseismiedisasterspredictionareavailableastemporalchange，theGIS—baseddynamicseismiedisasterpredictiontourbanwatersupplypipenetworkbymeansofGreyTheoryandProbabilityTheoryhasbeencreated．ThesepresentedmethodshavebeenprogrammedbyClanguage．ThemodelandtheprogramhavebeentestedinpracticeofdynamiCpredictiontoseismicdisasterofwatersupplYpipenetworkincertaincity．Keywords：WaterSupplyPipeNetwork；DynamicPredictiontoseismiCdisasters；GreySystem；StatisticAnalysiSII 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一nql作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：生魍垒1日期：皇QQ生：五：；o关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校肯权保留送交论文的复印件、允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印)、索；。或其他复印手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：生燕鹳导师签名日期：燃。5：5Q 第l章绪论1．1课题的提出第1章绪论地震是单位时间释放能量很大，危害严重的一种自然灾害。强烈地震具有突发性、毁灭性的特点，可以在很短的时间(一分钟或几秒钟)内摧毁一座城市，导致数万人甚至数十万人的伤亡和巨大的经济损失。如1976年唐山大地震(7．8级)一瞬间就毁灭了百万人口的工矿城市，造成40万余人的伤亡和接近300亿人民币的经济损失(包括间接损失)，这是我国历史上损失最严重的一次地震。我国处于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“1。据统计，我国大陆7缴以上的地震占全球大陆7级以上地震的三分之一，园地震死亡人数占全球的二分之一，全国有41％的国土、一半以上的城市位于地震基本烈度七度或七度以上地区。随着我国现代化建设的发展，城市遭受地震灾害的风险和损失也日益增大。交通、通讯、供水、排水、供气、输油等工程对于现代社会生活是至关重要的，人们形象地称之为生命线系统。3。它们是现代社会生产和人民生活赖以维持的基础性设施，一旦遭到破坏，整个社会的生产与生活就会受到严重影响，城市就会因社会服务功能中断而处于瘫痪状态，造成财产和生命损失。随着城市现代化建设的发展，生命线系统发挥着日益重要的作用。同时，生命线系统的地震破坏以及由此引起的次生灾害也伴随着城市规模和现代化水平的提高而目趋严重。地震引起的次生灾害对人类的生命财产具有灾难性的严重威胁。作为生命线系统的重要组成部分，供水系统在历次地震中造成的危害已成为人们关注的问题o3：1906年美国旧金山地区8．3级地震，三条主要输水管道遭受破坏，城市配水管网上千处破裂，消防水源断绝，全市起火50余处无法抢救，大火延烧了三天三夜，使14平方公里市区被烧毁，致使火灾造成的损失比地震直接造成的损失高达三倍”。。1923年，日本关东7．9级地震，横滨的5条大口径供水管折断，涌出的水冲毁了桥台和民房，形成水灾。东京市由于供水管道被震坏，供水中断，大火将45万栋房屋烧毁，地震中13万人丧生，其中lO万人葬身火海“1。1975年，我国海城7．9级地震，营口市150多公里长管道发生接口松动、 -IL尿工业大学工学硕士学位论文损坏、管体折断等372处．平均震害率为2．35处／公里”1。1976年唐山7．8级地震，唐山市供水管道全部瘫痪，给人民生活带来极度的困难。震后摄初几天只能靠河沟和汽车运水，几天后由其它城市支援，利用消防水龙l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遭受严重的震害，天津塘沽区供水干管损坏332处，抢修半月仅恢复震前50％的供水能力⋯⋯⋯。1989年lO月7曰，美国加州7．1级地震，在旧金山奥克兰的液化区，供水管网1200处破坏和渗漏，对城市供水造成严重影响“⋯。1995年1月17日，日本阪神7．2级地震，神户地区供水管道破坏，共4000多处水管受损，供水中断，临时依靠汽车运水，消防水断绝，459处起火，无法扑救，燃烧面积达到103万平方米，大约73％的居民震后三天无饮用水，经过两个月的抢修才恢复正常““。1999年9月21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到破坏”“。2002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，影响到26万户的用水。可以看出：供水系统抵御地震的能力是比较脆弱的，而且，它对震后抢险救灾的指挥调度、救灾人员和物资的运输调配以及人民生命财产安全和维持城市的正常生活都是至关重要的。因此，搞好供水管网的抗震防灾对于减轻整个城市因地震而引起的人员及财产损失、搞好震后恢复工作都占有重要地位。我国正面临的地震形势十分严峻。从1988年开始，中国大陆地区进入第五个地震活跃期。根据前几次地震活跃期活动的特点，专家们认为本次地震活跃期将持续到本世纪初，目前已进入了强震高发期，其问可能发生多次7级左右、甚至个别更大的地震。但是我国的城市普遍存在着对城市减灾防震不利的因素：城市人口密度大；老旧城市多，城市规划落后，功能分区混乱；城市基础设施差，在城市建设中，长期以来存在着重生产建设，轻基础建设的倾向，生命线系统抗灾能力差。过去建立的城市生命线管网系统，大多数没有经过正规的抗震设计，而不少城市又处于地震烈度较高的地区，有可能遭受中、强地震。因此，进行供水管网的震害预测，对减轻城市灾害，做好城市抗震防灾工作是很有必要的。 第l章绪论目前，我国已经完成了一部分重点城市的抗震防灾规划的制定。但是，近凡年来，我国藏市的发艉速度很快，城市鏊础建墩也发生了很大变化。随着城市建设的不断发展，以翦所制定鲍趣划已不能准确的反映震害熬实嚣馕琵。遂新编制规划，将会存在很多重复工作，造成大量的人力、物力浪费。阂此，需要建立一种考虑时间国紊的动态震害预测模翟。{。2晷内乡|、委羟突毳状’自1971年美国SanFernando地震后，生命线地震工程开始受到世器各国魄重卒见，尤其是美豳、日本等多地震国家，我围对此研究越步较晚，差距较大。翠絮静研究主要集中在遗下管道酌建震反应分丰斤方颟，旨的是提商管道晌抗震没计水平，增强管道的抗震能力。1967年，N．越。Newmark提出了计算邀震引起的管道轴向应变的Newmark方法“⋯，他在分析中假定波传播方向中两点的造震动参数仅因时闻浠焉丽不阐，忽珞了惯往力影晌，荫且假定管线与土一超运动，由此开创了地下鹫线的抗震研究。此法较为保守，但在此后，诲多学麓都在此基础上开展了研究。70年代，日本学者提出了反应位移法，其熬本原理是蘑弹往甄基粱采模拟魏下线抗结构物，把地震时玩基的位移当作己翔条{串作用在弹性地基上以求解在粱上产生的应力秘变形，从丽计算管线驰地震反应。该模型将管线简化为弹性地基梁，将地震波简化为简谐波。目前，日本规范大都基予反应位移法。R．A．Parmelee“”酋次将管线简化为半无限空间中的阐柱壳，±与管线之阃相互作用采用静态Mindlin婿求解，为后来抟半无限空鹂理论耨相互作用理论奠定了基础。L¨R．Wang“”基于对震害的分析和试验研究，提出了舍弃惯注力j}叠隧斌力影桷的瓠静态分析方法，对管线的轴向反应进行了研究，发现地震波输入秘位差积场地不均是影响地下管线反应鲍殛个主要困豢，这与震害调查一致。I．Nelson“”用掇型分解法对分段管线进行了动力分析，提出了动力计算静干挠裁应谱(interferenceresponsespectrum)。G．E．Muleski“7j提出了圆柱蔑模型，模型娱定篱道为数弹性分震中躯弹瞧套彝裁懂薄黧毒圭麦，该模型与粱模型相比还可以研究管道的失稳和破裂等问题，但相对复杂一些。S。Takata“85采用传递矩阵法对管线进行了兰维拟静态分析，同时考虑了接头的非线性和±与管线之阉的澄移。趣还袋用壳模型帮蠢疆元方法计舞了粱模型不能涉及的管道环向应力和沿管周的土压力分布。他还对具有分支的小口径煤气 北京王姚大学1二学硕士学位论义管线进=}亍了分褥，发魂分支处有较麓熬应力集中现象“”。S，K。Datta。“聚掰霆棱壳模型对半无隈空闻和无限空间中豹管道送行了分擀，发现铺设管道的阐填土对管道应力有莺大影响，入射、披波长和土介质刚腱对管道也有很大影响。H，Goto“”结合豳本京都供水管网，考虑了管道材料、接头、土和地面运动等众多因素，她鼹反应计算粟用梁模测霸传递矩阵豹方法。A．Hindy。4提出了缀合乎嚣动应交霹静态Mindlin餐裁方滚诗箕±与管线熬动力穗互谗震，营次孳}入了土一管线动力相互作用的概念，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，得出了一些有益的结论：管线轴向应力远大于弯曲应力；土与篱线的动力相互作用可以降低管线的应力，尤其是轴向应力；索性接头可太大辫低管线斡应力，龙簇蹩程软±中，毽该毽论灵逶鬟于漂壤蛰缓。我国对地下管道的研究开始予1974年。1975年，叶耀先，魏琏f23l透过试验探讨了管土间共同变形的问题，提出了管线地震威力计算模型。随后，孙绍平等通过各种冈0性、柔性接头的大量试验，研制了已经广泛应用的柔性接头。毽还与美国的王汝粱合作在唐山黪工程管线上设置强震观察搜，以实测蛰线泊逮震反应。在这整王侔酶基疆上，1979年，浇选杰【24l主编了我莓酶第一本魂下管道抗震设计规范一一《室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范》(TJ32—78)。舰范中以唐山、海城等地区的震害资料和街道实验资料为依嘏，利用波动反应理论，考虑水平方向入射的剪切波对地下静道的动力影响，取半个褪波长长度佟为诗算孳元，驭警遴辘淘豹接墨竞诲变形佟为瑗嚣评定标猴，攫出了地下管遵的抗震验算公式。溉范中主要存在两点游题；(1)对于钢管线，娥范方法计算结果偏小，偏于不安全，主要是半经验法计算出的传递系数过小：(2)地面应变计髯结果过小，几乎麓两个数量级。80年代后，熊占路[25】用离散的梁模型对鹫线进毒亍了地震反应分枣子，分辑表明，她麓波频率含量对警线应力影嗡饺大。谶怒，俺玉敖澄l校据簸予菲连续费质疑蒸审酌应交协调条斡帮正交关系决定反射波和折射波，应用弹性地基梁模拟管线写土的相互作用，建立了简化的解析方法。王海波，林皋㈣采用边界单元法求解了半无限弹性介殿中土与管线的动力相互作用，求得了镑线在地震波作用下的反直。研究表明捆互作震兹强弱决定予渡熬不嗣频港藏分，瞽道逢设蘧浅，鼷互{乍曩越鹗显。冶金建筑研究总院的甘水文，候忠良}2碰应用有限元的方法计簿管道的地震反应，探讨 了土的弹簧系数、管土之间的滑移、波速等因素对管线反应的影喻，并且应用非线褴有限元编制了对任意几何结构的三维连续藏菲连续的管线地震反应分析软件(TERP)[29]。赵成刚㈨考虑了地震发生的随机性和地震烈度划分的模糊性以及遗下管道静三释簸坏状态帮裙应静摸糊变形，建立了主氇下直堙警jl妻在遗震波作用下的模糊随机可靠性计算方法。张志荣[31]利用动态有限元法研究了沟埋式管与±豹费力藤互佟曩，认为囊态鸯[[元i去It--黢动力有限元法受精确。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阕的孔隙东压力，热果孔踩水不能缀抉拳罄出，那么琵隈水静压力垮越出正常的静水压力，此时该土壤就会瞬间液化并丧失其强艘，’从而引起管道的上浮或下沉。“。自1973年Youd提出土壤的液化定义后，液化区管邋的地震反应引起了广泛的关注，尤其怒在日本，所采取的研究方法商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、孔隙水压力解析法和液纯势法簿。我国擎者也对该润题送{亍了研究。1990年，曹文永和侯忠良“研究了管线初始压应力对液化反应的影响，并对管线的液化上浮进行了非线性分辑e1994零，熊建灏。”采眉一维寿效应办溪鍪袋褥有效酶筑震输入，避雨对警线进行了地震反应分析。1997年，高惠蠖。”利用三次曲线模拟震陷区管道的几侮大变形，撰导出了震路区管道在其魏大变形条传下戆受力平簿方程酾瘫力递推公式，从而计算出沉陷区管道各点的位移和截筒内力。但是由于液化反应问题的复杂性，还有诲多问题嚣要进一步研究。地震时经常见到因震密产生的不均匀沉降导致地下管j蕊破坏的实例。这种震害大部分集中在蛰与入口或其它构筑物的连接处，地基产生差异沉降区和管静接头部位。近年来，为了摘清楚这些震害情况，国内外许多学者作了很多研究。’1979年，LR．L，wang“”采用拟静态方法对通过两种不同介质的管线进行了毳拜究eA．Hindy露乎瑟动应交与静态Mindlin瓣稳结合的方法对不藩介质中的管线进行了分析，结果表明在介质交界黼上管线的应力最大‘“1。1991年，林惠杰嚣勰拳爨8”利用褰教管道模挺，诗算7二缝{}垮匀±中蠼建管道款壤震反应。1993年，粱建文，何玉熬。73求解了半光限空间中通过不均匀介质管线的反应，发现不均匀介质中蛰线应力可达到均匀分质中管线应力豹麟莹以上，褥当波从硬±到软土时，管道应力最大，这与地震调查情况完全一致，从而解释了一个重 北京工业大学工学硕二}学位论文要的震害现象。后来，梁建文”“还对穿越回填河谷和非回填河谷的管道进行了地震反应分析，发现在回填区边界处管道应力最大，这与震害完全一致，但地震破坏还会出现在河谷中部的回填土中；而当管线穿越非回填河谷底部时，在河谷底部应力最大，这与实际震害一致。1995年，黄忠邦。”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不均匀土介质中的地震反应进行了分丰厅研究。结果表明，在地震行波作用下不均匀土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50％左右。大量震害表明：跨断层的管道破坏率明显高于均匀场地，因此，确切的评价跨断层管道的动力特征性状也是一个重要的课题。1975年，Newmark“01首先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衄的变形，计算结果偏小。1977年，Kennedy⋯等人对Newmark法进行了改进，考虑了土对管道侧向作用和相应的弯曲应变，但是忽略了管道的弯曲强度以及弯曲变形对轴向刚度的影响，过高估计土体侧向和竖向阻抗对弯曲产生的效应，在多数情况下结果是偏于保守的。1990年，甘水文，候忠良等“”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。1997年，张进国，吕英民““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，利用该方程计算管道在地震裂缝错位作用下的位移、内力及应力。2002年，刘爱文“”把离断层较远处的管子变形等效为非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。供水系统是由许多干线和支线组成，形成一个网络。当地震时，网络破坏将造成很大的灾难。因此对网络中各个点(节点)、线(连杆)的破坏概率研究之后，还必须对系统的可靠性进行研究。1974年，G．Panousis“”提出了基本网络(S，P)的概念。他将生命线系统模拟为内部联通的单源单汇的网络，计算随机地震影响下，管道的可靠性。随后，Taleb—Agha“”扩展了O．Panousis的研究，将复杂的网络转化为SSP网络，考虑了网络联系具有随机的地震抗力，提出了管网部分破坏的计算方法，对简化的SSP网络可靠度计算做了大量的工作。19816 第l颦罐论年，M．$hinozuka“j1把MonteCarlo模拟技术引入了生命线网络的地震可靠性分析，对每一次模拟的破坏获态，由SSP网络考察网络的连通性，并避行了破坏状态的流量分析。他还以洛杉矾供水管网为例，在全市四种不同地质条件下，给出了黧度为s一9麓时管瑟稳震害，验证了方法戆可行性。送入∞年代之后，他们将计算机技术的新成果GIS应用于生命线地震工程的研究领域中，利用其暴集、楚疆帮分援生命线系绫戆大量数据信息，著以鞋e氇phis审静供承系统为例做了大是的研究工作，更加究善了生命线系统的震害预测及损失分析方法。我嚣在80年代中期也开始了此方露的磅究。1987年，尊阳“”在管逑震害预测的概率模型基础上采用MonteCarlo法分析了一些大中城市的供水管嘲和天然气管网。1988年，焦阉梁“”基于图论理论，在管网连通可靠一陡分孝斤中提出了孤立连通域算法，当管阑受到不弼程度的破坏后，在水量重新分布时增加漏水影响因素，分析了分节式管道和遣续式管道的大型网络，然后编制快速判定多源、多汇、多态管蕊翁功能永压，流量可靠浚程序。1990年，张锐，郭春雨，刘锡罄“”1以概率统计，横糊数学为基础，依据室外管道规范为主要知识源建立知谈溪翼l篷管阚震害预溅模型，袋螽曩MonteCarlo摸瓠窝不精确往攥理进行管网可靠性分析。王东烯，霍达㈨“”对生命线工程系统的震害j：页测提出了“递除法”和“分数法”嚣耱楚易毽嚣{}蛙缀强的蘸耱可鼗度分撰斡方法，可用于较大城市地下臀道网络的可靠性分析。1997年，李小颦，胡幸贤””等利用虚设漏水节点模拟地震时管段的漏水效应，引入MonteCarlo法分攒了管网系统节点韵水压及供水可靠性。2000年，冯启民，商惠瑛“’旗于GIS技术，开发了供水系统地震反应信息系统，并以天津市开发区供水系统为例，验证了系统豹实角穗和可靠毪。2002年，韩强，孙绍平“对网络可靠褴的经典算法进行了探讨，采用多维体符号表示网络可靠性的逻辑函数，并应用计算机辅助逻辑综舍技术实凌了较大瓣终熬路绞不交帮舅法，还给囊了一令妖速求怨瓣络爱，l、蹲集的DFS簿法。{。3麓突罾蠢通过上面的介绍，我们可以看出：对供水管网进行震密预测的理论已经发震了{曼长一段露超，较为藏熬。毽是劐嚣蓦为杰，怼警逶邈雩亍动态震窘颈溺的还没有。如果我们不考虑动态的因素，随着时间的推移和城市建设的飞速发展， 北泉I业丈学工掌硕士学位论文我们所做的静态震害预测结果将不能准确的反映供水管网的震害，根据它制定的维修加固方案也将偏于不安全。但是，如果对其进行再次的调查研究将会存在许多的重复工作，造成人力、物力的大量浪费。针对这个问题，本文提出建立基于GIS的考虑时间因数的供水管网动态震害预测的数学模型，这样就可以在现有资料的基础上预测出未来不同年份发生地震时管道的震害情况，为政府部门制定抗震规划提供科学依据。本文的研究目标是在全面系统的研究供水管网系统地震可靠性分析方法的基础上建立一个动态的震害预测模型。根据本文所提出的动态震害预测模型，对于任意一个预测单元只要有具体的某一年的管道数据库，都可以进行动态震害预测，也可以进行某一假设地震的震害动态预测。另外，随着时间推移，运用该区以后的实际资料取代动态震害预测中所采用的预测的变化数据，既可以对动态震害预测结果进行回归校正，也可以实现“滚动式”的震害预测，使震害预测结果建立在逐步更新的基础上，以便更接近实际情况。1．4本章小结本章主要对问题的提出、研究现状以及研究目标进行了介绍。主要工作有：①通过对国内外历次地震中供水管网的破坏情况和我国的城市供水现状进行研究，提出了进行供水管网的动态震害预测的重要性。②对国内外的研究现状从单根管道和网络两方面进行了总结。③对基于GIS的供水管网动态震害预测模型进行了简单的介绍。 籀2章地下管道的震害特征和反应分析第2章地下管道的震窖特征和反应分析2。{地下慧遘鼹震害分析通过对国内外有关的地震灾鬻调查报告和大量研究文献的分析，地下管道静震密分辑可驻归缀为|=冀下几点：2．1．1地震对地下臀线的破坏作用一般来游，笼麓对建下餐道的破坏作嗣主要番三类；(1)构造性地运动的作用，像地壳构造的上升与下陷，断朦错动等。建下营遂鬻鑫跨越凝蒺瑟蘧受玻坏，热|瑟金由(荧鏊，1906年)、马瓣悉(尼家，1931年)、英皮里尔一瓦利(美国，1940年)、克恩(蕊国，1952年)、赫毒浆灞(1959年)、媾力吉出(1968年)、圣菲尔惑多(美鬓，1971年)、马那瓜(尼家，1972年)、我国唐山(1976年)等地震中都发生了由于断层或滑动丽造戏的管道破辐“3。大量的震害调查认为，强烈嫩震的地霹运动是遗成承插式管道破坏的主要原因，却不楚造成连续式钢管(油、气管j麓)破坏的主要原圆。但是具肖较高的强度和韧性的钢管却不能抵御断层作用和地面破坏所产生酶避瑟永久炎形。(2)地燃动引起的土壤液化、滑坡等。1971车的整菲尔毫多逸震中，圣诺曼拳簿辩透蠹予滚纯导致生命线系统发生严重破坏，lI条通过大位移区的主要干管和支管都遭受破坏。1976年唐山地震孛，毒萋浩翻汉洼逸区凌手±壤滚讫夔爨霆，馨道熬破坏渍凝毙震中ll痰区还要严重o]。(3)地震波的波动效应。1971年圣费尔南多地震中多数地下管道的破坏是由地震波渤效应造成的。前两种作用对管道的破坏是灾难性的，管线往往被折断，掇曲或者上拱。在铺设管线时，应尽可能避开有可能发生娩稀效应的场地。第三种作用楚引起地下管线发生破坏的最酱遍原因，在理论和实验上都脊较深入的研究。国内外多次缝震的涌庭绩究袭磺：多数德下管遘酶破嚣都是凌于缝震波懿滚动散应造成的。因此，地震波作用下的地震反应分析研究最早gi起了人们的注意，在城审貔灾罨琴究中，大多数磷究帮摸羧试验是钟对趣震波露营线戆酸琢{睾矮懿。9 北京工业大学工学硕士学位沦文21．2管道破坏的主要形式和特征地下管道主要由管段和管道附件(弯头、三通和闸门等)组成，在地震作用下一般有三种基本破坏类型：(1)管道接口破坏如承插式铸铁管道接口填料松动、插口脱出或承口被掰坏。(2)管体破坏包括管体的纵向或环向裂缝，通过断层的管体、小口径的管体，锈蚀严重管的折断等：(3)三通、弯头、阀门以及管道与地下构筑物连接处，以及相应的连接件的破坏。在这三种基本破坏模型中，以管道接头破坏最为常见和普遍。如在日本十胜冲地震中，接口拔出占铸铁管破坏的75％；1923年日本关东大地震中，东京供水管道的32～33万个青铅接头中，破坏了26万个，其中渗漏的占71％；横须贺配水铸铁管，长35．4公里，震后全部接口松动，显著漏水者占50％；1976年我国唐山大地震时，唐山市供水铸铁管的接头破坏达79％。由此可见，地下管道的接头破坏最为严重。轻微的接头破坏会造成管线严重漏水，水压快速下降；严重的破坏会使管线失去输水、配水功能，给震后的消防救灾和人民的生产、生活带来极大的不便，因此，以管道的接头破坏作为主要破坏模式是合适的。2．13管道破坏的影响因素影响管道的破坏因素是多方面的，不仅与地震动的强烈程度有关，还与管线所在的场地类型，管线通过地区的工程地质条件、管道的材料、接口方式以及管道的直径等因素有关。对于管道的诸多影响因素，可归纳为如下几点：(1)地震烈度和场地、地基大量震害资料表明，地震烈度对地下结构的震害有显著影响。一般情况下，地震烈度达到7度以上就可能对管道造成明显破坏。表2-1、表2—2给出了海城、唐山地震不同烈度区的管道平均震害率结果。由表可见，在同样场地土条件下，平均震害率随地震烈度的增加而增加。但是值得注意的一点是，场地条件不同，震害也不相同。如表2一l中烈度较低的盘山镇、营口市(烈度7～lO 第2章地下管道的震害特征和反应分析表2-1海城地震(M=7．3)不同烈度区管道的震害率fntensitysireduringHaichengearthquake(M=7．3)地址烈度场地类别平均震密率(处／Km)备注鞍山市f110．006盘山镇7III1．60不包蔻岛市8ItI2．35括输营口市水管9I、II1．0(大石褥)海城市9IH10．0表2-2壤由逮震<黔7，8)不嚣黧度区警遴豹震害率intensity8iteduringTangshaneart蛔uake(tl--7，8)地址烈度场地类别平均震鬻率(处／Km)备注天津7-8IIIO。18塘洁8III4．18地质条件比天津差汉沽9ⅡI10．OO地质条件比塘沽差詹由10-IlIl4，08度)的管道震害率，大于烈度较离的大石桥(烈度9度)的震害率；表2—2中黧菠鞍低静臻浩、汉洼(熬凄8～9凄)翦管遥震害率，大于黧震铰高貔蘑由声的震窖率(烈腰10～11度)。原因可能是软弱场地容易产生较大相对位移以及软弱臻遗在地震中容耍产生矮地破塥，由蘸热重了邀下管道魏酸坏。由致哥觅：场地条件对地下管道震鬻率影响报大，在较低烈度的软弱场地中的管道震密率，甚至大于烈度撼的坚硬场地的管道震害率。(2)空间方位地震时管道的破坏特点取决于管道与地震行波传播方向的相互关系。管线轴向与地震俸用方商吻合时损坏最大，垂直时，损坏不明显。如1964目本新地震后，发现土朕明显变形，地表出现裂缝，镣线与地愁作用方向平行的管道中沿环舞截嚣大燕断裂。在1971年美簪圣费尔涛多缝震后，对萁管道损坏和破坏 北京工业大学工学硕士学位论文的i00多例调查结果也证实了这种空间方位关系。(3)管道的接头形式、材质和口径大量震害表明：在条件相似的情况下，柔性接头的管道抗震性能比刚性接头好得多。因为前者能吸收较多的场地应变。如海城地震中营口市8度区内的巾500～600mm预应力钢筋混凝土管，采用橡胶圈柔性接口，长达21Km完好无损”。；唐山地震时，塘沽8度区采用橡胶圈柔性接头的石棉水泥管均未发生破坏，而石棉水泥接口的同类管严重损坏，震害率达20处／Km”1；日本11度的十胜冲地震中，采用刚性接口的铸铁管折断33处，接口损坏达349处，而采用胶圈接口的铸铁管，管体基本完好，仅有3处发生接口脱离。其次，韧性好的管材比脆性管材的抗震性能好。如图2-1(据塔什干地震资料)所示：钢管的性图2I管道损坏数量与管道材质的关系Figure2-IRelationshipofpipe’sbreakagenumberandmaterial能最好，铸铁管次之，钢筋混凝土管又次之。石棉水泥管在此处表现出的震害率较低主要得盏于其长度不长。但是大量震害资料表明，随着地震烈度的增加，不同材质的管道损坏率将接近。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与钢管道的破坏率基本相等。另外，地下管道的抗震性能还在很大程度上取决于管子的口径，大口径的管道破坏率一般小于小口径管道。如图2—2所示：在所有记录的管道中，发生损坏或破坏的地下管道80％以上是口径小于200mm的地下管道，其主要原因是小口径管道在土体中的相对约束程度比口径300mm以上的管道要高得多。这说明管道刚度的增强可抑制土壤的变形。 第2章地下管道的震害特征和反应分析ⅣlS0l∞如图2-2管道损坏数量与口径的关系Figure2-2Relationshipofpipe’Sbreakagenumberanddiameter(4)管道的腐蚀1987年的加州WhittierNarrows地震表明：老旧管道比新管道更容易破坏。1989年theLomaPrieta地震中对供水管道的震害调查结果也证实了这一点，如图2—3。这是因为管道铺设越早，管道被腐蚀得越厉害的原因。场地条件、0-01600140012褂00l帅蝼O008捌舢000600040．0020五十年代六十年代七十年代平镛设年代图2-3钢管破坏概率与铺设年代的关系Figure2-3RelatlonshiPofpipe’sbreakageprobabilityandlayage腐蚀措施以及管材不同，管道的腐蚀速率也不同。在弯头和靠近弯头处的腐蚀情况要比直管道严重，这是因为有锈坑的地方会产生应力集中。(5)液化、沉陷及滑坡的影响位于液化、沉陷及滑坡场地的管道一般会发生比较严重的破坏。管道一般埋于地表下0，5m至2m的地表层，危险在于地表层会随着下层饱和粉砂层的液 北京工业大学工学硕士学位论文化而发生沉陷，在不均匀沉陷处管道变形很大，接口形式的管道往往被拉脱，连续管道则出现断裂。处于漕坡场地的管道，在涝坡体的撼动下，会发生断裂，位于这些场地的管道震害率远远大于位于同样烈度下的～般场地的管道震寒率。如1971年加州SanFerrlando地震中，由于液化导致滑坡造成了鬻径为1．2米的供永管道严重黻坏。(6)跨断层的影响趣表凝裂也麓遣成埋建豁遴起破坏，尤其愚怼承疆式饕道破坏燹为严重。在断层位移作用下，连续钢管的抗拉能力大于其抗压能力，压缩变形将导致钢营痿莛。毽深是警遴踌錾层影瞧中兹一个重要参数。跨凝瀑楚，薅蓉管道理深的增大，土对管道的摩擦阻力也逐渐增大，管道自由变形能力减少，当断层穿过时，会造藏严重破坏。因此，跨断鼷处豹管道应该尽量浅埋。(7)应力集中王见象管道的弯头、三通和闸门，以及和寿句筑物连接的地方，出于运动相位不一致，易于产生应力榘中，造成破坏。如唐山市三十七中学后街圣125mm钢管，两个转弯处断开；自来水公词北铁道桥至华新桥辔400mm铸铁管因拐弯较多，破坏达lO楚”’。2．1．4地下管：；蕊的波动反应特征通过对管道±|垒震破坏静考察和礤究，发现德下管道酶破坏特征与地上结构物不同。地上结构物的地震破坏主要是由于地面运动的加速度所产生的惯性力俸震，以及场遗震豢造蕊静缝稳蘩遥熬失效。瑟圭|亟下警续囊l子堙设在圭|亟下，受管道周围土壤的约束，惯性力的作用很小。地下管道的地震破坏主瓣是由于地嚣裂缝、港坡、蕊斑、±壤滚纯等场穗震害遥或瓣警遂趣麓失效，以及遗震波传播效应产生的土层波动变形作用。鉴予地下警邋越震酸坏特征豹特熬性，对管道豹抗震性能进行磺究具有羹要的意义。国内外很多学者都对它进行了一系列的理论和试验研究。在这些工作的基础上，韩阳01总结出了地下管道在波动作用下的反威特性的～般规律，为管道地震反应分析提供了瑷论依据：①地下管道主要受周围土壤的波动变形作用，惯性力对管道产生的作用很小，可以不考虑。14 薹：薹些!墼薹墼星童丝堑塑星垩坌堑②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。当土壤变形使管道表面附近的土壤剪切应变和土壤间的摩阻力达到极限时，在管道和周围土壤间或管道临近某一土层界面将发生滑移。③直埋管道以轴向应变为主。弯管、大直径管道需考虑弯曲变形。④在轴向土壤波动变形作用下，管道半个视波长范围内受拉，相邻半个视波长范围内受压。对承插式管道：在受拉区，变形主要有接头位移吸收，接头的位移与管节的长度成正比。一般来讲，受拉区的接头轴向拉伸变形先达到极限状态。2．2地下管道在地震波作用下的动力反应分析22．1计算假定根据以上的分析，可以定出管道动力反应计算的计算假定：①地震波在土层中传播时以水平剪切波作为引起管道破坏的主要原因；②以管道的轴向变形作为主要受力控制，并设变形主要由接口承担；③主要考虑接口的拉伸破坏，取视波长三作为直埋管线的计算单元长，对弯曲点和构筑物连接处等，考虑可能产生的应变集中，也作为一个计算单元：④考虑管土之间有相对变形；⑤不考虑动水压力。2．2．2地下管道在地震波作用下的动力反应分析假定地震时在剪切波作用下，土的波动为剪切平面波形式。当剪切波与管轴线成任意夹角妒行进时(如图2—4)，剪切波平面内土的波动位移为：匕=爿sin(2zzx／三)(2-1)式中：x——管道轴向坐标；A——位移幅值(mm)，可近似的取地面位移幅值；上——剪切波的波长(mm)，L=％t：％——管道埋设深度处土层的剪切波速(姗／s)，应取实测波速的2／3；L——管道埋设场地土的特征周期(s)。 北京工业大学工学硕士学位论文j矿1滴，一．p辨l。矿j1"恤■^皇壹t也’．-I—，。‘“‘、、l图2-4管道在剪切波作用F的轴向变形Figure2—4Theaxialdeformationofpipeunderseismicwave则在管道轴线方向处，沿管轴向自由变位时的位移为：“。=Asin?sin(2roc／￡)(2-2)式中：妒——剪切波入射方向与管轴线方向夹角；￡——剪切波在管轴线方向的视波长，上_=L／COS∞。管道经受剪切波影响所产生的轴向位移，由于管道本身刚度的影响作用，位移幅值要比同方向土的自由应变位移小些，因此，引入传递系数孝(f≤1．0)，此时管道的轴向位移为：“r=静sinfasin(2r￡x／L")‘(2-3)则管道的轴向应变为：唧：单：孕参4’n妒cossincost[孚)．㈣-4)s⋯=—02·钮—·)’LZJaxL将￡=叫COS妒代入式(2—4)得：8T=等剧叩。s删争=三鲫n(2小0s(孕)(2-5)对式(2-5)求极值可知：当p=45。时，轴向应变量为最大‰。=彰三cos(等)(2-6)由于波的不同相位，地震波对管道引起的轴向变形，应是在同一瞬间，半 第2章地下管道的震害特征和反成分析个视波长内管道受压，半个视波长内的管道受拉。因此，对管道的地震反应可以取半个稷波长作为诗簿荤元。半令凌波长肉静季鑫蠢变形量L，4矗￡=(44崖／L)fCO$(2瓜／￡)矗L，4=顿酉(2—7)在地震位移不太大时，管主闻懿淫穆对餐莲熬选震反应影蛹甭大时，不毖考虑管土问的相对位移，可认为管土作同步变位，管的轴向应变等于土体沿镣轴方向的正应变，但是滑移对管端相对位移影响较大，计算中如不考虑将引超强大戆误差。霹拢，引入潺移影旋系数g，此时，半令{：凳波长内静辘囱变形爨战=胁(2—8)2．2，3有关计算参数的选取限于人们对地震作用复杂机理的认识水平和震害资料的缺乏，地下管道反应分捺渗及至l兹一些重羲甥理蹩帮参数静选取，蟊前尚未麓褥掰满意的解决。而这些参数的正确选取，对计算很重要。因此，本节将继合实躲工程艨嗣中发现的一些问题，掇出相应的看法和建议，并介绍～媸国内外新的试验和研究成粟。({)餐一土阆传递系数善目前计算传邀系数的方法张砥种。第一种方法怒我国规范TJ32—78给出的经验公式。根据海城、唐山地震管道韵震害分析，善应与臻篷±酌剪切黼度成正院，和管道的结构羽度成反比，霹眩必矮考虑籍含在瘊誊清凌下手st．0，为院，《麓蓖》麓定善为：轰2南‘2～9)l+————r2噶其中：E——管道材质的弹性模量(N／咖2)；爿——管道的横截砸积(mm2)：D——管的平均氲径(ram)； 北京工业大学工学硕士学位论文l。——管道埋设深度处土层的剪切波速(ram／s)。这种方法的优点是参数明确，便于计算。但是它的合理性取决于震害资料的可靠性以及管道破坏标准和地面位移值的取值。第二种方法是将连续管道视为弹性地基梁，研究其轴向运动，忽略阻尼项的作用，建立振动微分方程，最后推出管一土传递系数f为：铲舞事Q1∞式中：E——管道材质的弹性模量(N／ram2)；￡——剪切波的波长(mm)；A——管道的横截面积(mm2)；足——管一土纵向弹性系数(N／rm2)。这种方法不仅与土的波速和管道几何参数、材料有关，还与土的弹性模量、密度有直接关系。但是，它的困难在于世值得确定。一般来说，量值应根据管道外缘构造及相应土质实验确定。日本化工设备抗震准则“”规定K等于土的剪切模量的3倍，即K=3G，=3％V。2(2—11)式中：G。——土的剪切模量(N／ram)；t——土的重度(N／ram3)；g——重力加速度(m／s2)。式(2一“)的优点是使用方便，但是它并无反映不同管径具有不同外壁表面积的因素，因此并不确切。Takada㈣对管道一土壤间轴向恢复力特征进行了实验研究，提出对软弱、中等和坚硬三种场地，K分别为1．0，5．0和10．OMpa。中国建筑科学研究院结构所对{I)159×6钢管，用顶管法和锤击法测定了管一土纵向弹性系数4⋯。结果如表2—3。 鼍：：!!兰：薹些三墼薹墼璧童堑堡塑星璧坌堑表2-3土壤纵向弹性系数(MPa)Table2-3Thelongitudinalelasniccoefficientofsoil(MPa)管沟回填方式顶管法锤击法夯土8．4～12．212．O满松土浅松土2．34．O锯末上覆土1．5锯末O．51．0仲伟涛，孙绍平⋯对管径为150mm的各种管道用液压千斤顶测试管土间轴向摩阻力，试验结果如表2—4。表2—4管土间轴向摩阻力Table2-4theaxialfrictionofpipe—soiI土的密度管道类型85％95％fUrU混凝土管0．466．721．1528．66直的生铁管O．6014．231．4314．90生铁套管1．3511．182．349．98涂沥青钢管1．0834．372．4327．04公式f——滑动摩擦力(N／ram2)11——滑动位移(mm)符圣聪。”利用均匀弹性介质的薄层理论提出了管一土纵向传递系数的计算K=G。(／；2+刀)“2(2一12)式中／；、^是与土的力学性质、外荷载振动频率和管线的几何尺寸等因素有关的系数。为了方便使用，文献[59]中列表给出了它们的数值。从表中可以看出，对于通常情况，K值应在2．0G。左右，并随管径增大而增大，这与日本化工设备抗震准则的规定值相差不大。文献[60]通过实例计算比较得出：在相同场地条件下，相同材质的管道， i!星三些奎耋三茎堡圭茎堡丝耋直径越大，传播系数氧与f：的值差别越大；直径越小，卣与岛的值越接近。在保守计算中，建议取己更为适宜。(2)滑移影响系数口针对这个问题，北京市市政设计研究院的沈世杰提出了一种“滑移模型””⋯。他认为管道四周的土体并不是真正的弹性体，只是当受力不大时，可以按直线变形体考虑。但当地面运动较大时，实际的应力状态已超过了直线变形阶段，进入弹塑性阶段甚至塑性阶段，如图2—5。考虑到实用性，可将图中的f一△a关系简化为0A23组成的双线模型，这样局部夸大r值(即提高了管道四周的阻抗作用)对管道的抗震设计是偏于安全的。此时管道变形最大临界值为△c，，超过此限值，管土间产生滑移，管土间的传递作用将保持一个常量。1fAh广7二7丁——r⋯／／，／／Ij}／10L_——tA一一△Qcf△Q其中：O—l直线变形阶段，l一2弹塑性阶段，2—3塑性阶段，卜A一2—3简化双线模型图2-5f—Aa的双线模拟摘图Figure2-5Simulatediagramoff—Aa文献[62]认为考虑滑移的影响亦可按半个视波长为单元进行分析。因此，用“滑移模型”计算滑移影响系数的步骤为：①根据建设场地可能遭遇的地震烈度、相应的地面运动参数和场地土参数计算剪切波作用下，沿管轴向自由土体位移的最大值址max：△上max=Asin口(2-13)②比较ALmax和5cr20 一．丝：薹些!薹堡墼里塞堑堡塑星壁坌堑当△￡max5000．0001O．01O．10．5{{类2∞～5000，0010．0010，l0．71．675～1500．0030．020，21．53．OIlI类>5000．0050．05O．2O．60．8(液讫概率200～5000，0l0．150．81．83．0缀小区)75～150O．020，3i．63．O5．0对严重锈蚀的管道，Rr加～级(即取袭中相应数据的右侧值)；媳性接头的管道，R，减一级(即取表中相应数据的左侧值)。在不少城市的震害预测中还考虑了多种因素的修正震害率“”可综合如下式袭示：只j=CgCPC。CeR，(3～6)式中：Ri——修正震害率；Cg——地基影响系数，即地基分类的影响。采用0．4、0．9、2．0三种；C，——管材影响因索，采用1978年日本宫城地震得到的系数。铸铁管C，一I．0，有延髓的铸铁管c，=0．2，焊接管道c，=0．1；q——液化影响系数，可寝示为：c，Ieu／轮藩I“-<㈣12)12)L．搿，‘(，￡茸>12)J，。为液化指数，可以按建筑抗震设计规范确定； 第3章地下管道的地燧可靠性分析巳——埋深影响因素系数，小于5m时可以不修正，大于5m时可按表3-2修iE；表3-2管道埋深影响系数巳Table3-2influencecoeffiCientofpipe’sembeddeddepth场地条件CdCg。0．40．44洪积层《。0·9O。4q22．0O．2O．0≤：<0，3l。0冲积层03g=<06O．70。6鬟z<1．00．4R，——在一定烈度下管道的旗本震害率，当缺少实际震害资料时，在地震波搀明下，地震黧度为硼，垤，Ⅸ，X时，建议取O+lS，0．45，1．3，4。0(破坏处数／Km)。3．2理论分专厅法理论分析法是以一定数学模烈为依据，邋立地震动参数与结构反应之间的关系，并以一是的参数判熟震害程度。3．2．1管道可靠性分析中的三种状态为进行管邋震害颈溅，鬟要慈立管道在熄震俸震下造残破坏熬擐疆状态邈数，管道的震臀程度可通过对基本完好、中锋破坏和严重破坏状态可靠度分析的缨浆综合分攒给出，以管道接口在地震波{乍罔下的期对位移s瑚接口允诲位移R作为结构功能函数的基本变量，定义管道三种互不相容的破坏状态为：①基本完好：舒体结构勰本完好无埙，刚性接头相对变形小于允许开裂变形极限R。，接头霹能有少擞徽缅袭纹，轻微滔渗。②中等破坏：刚性接头相对变形越过允许开裂变形极限R。，柔性接头的胶圈与警闻产生涛动，多数接头产生裂绞，青渗水现象，并可髓傻管道压力下簿。 北京工业大学工学硕士学位论文③严重破坏：接头相对变形超出渗漏允许变形极限R：，填料松动，胶圈接口拉出，渗漏严重，管线压力下降，甚至供水中麟。32，2概率预测模型在檄率预测模型中，取簿道接头在地震作瘸下摆对锭移s和接头允诲变形R为功能函数的变量，考虑极限状态方程为线性函数，得功能函数Z=f(S，R)=R—S(3—7)其中；管道接头在地震作用下相对位移S即为上章求出的A上，接头允许变形R应由试骏资料统计确定。剃当R>S时结构处于可靠状态：R《S时结构处于失效状态：R=S辩结捣簸予稿赛状态。考虑三种破坏状态，得到两个极限方程：基本完好与中等破坏静晒赛状态：Z；=震，一S=0(3—8)中等破坏与严重破坏的临界状态：Z2=R：一S=0(3—9)显然：当Z。>0，管线处于基本完好状态；Z，0，管线处于中等破坏状态。寝掇隧捉可纛经藤瑾，囊遗震效痰S藉结秘貔力霆稳蔽扶正态分布的随辍变量，且其平均值和标准方燕分别为如，腾和％，O"S，则功能函数z=R—S也靡觚正惫分布，英平均僖_秘方差分剐为P：=鳓～u。，O+Z=SQRT(o+。2+咯2)这里，熊，％，胁，O"s，鸬，萨：分别为随机变量冀、s、Z的期望值酾方差。Z的概率分布函数为：．zf=一Ⅳ)2曩彩卵。<玲击量可玉(3-10)令x：三：曼，则式(3—10)可转化为标准正态分布函数庐(m)拶 ∞)=焘F如拎)泞n)刹用标准正态分布函数，管道处于三种不同的破坏状态下的概率：管邋基本完好的橛率阴=P(z1>0)=≯(∥I／0-1)(3-12)管道严重破坏的概率管道中等破坏盼概率鹏=p(z2|．o)。(2)确定管道破坏等级在模糊数学中有不同的贴近度，可以用距离定义贴近度，则：∥(丛，塑)=1一c(d(4，照))9(3-23)联。=兰=1，露隆，堡)采瘸欧式距离，赁l式(3--23)变为：盯(直堡)小寺蕃l,uA(心)讹(∥r)I2(3-24)≥￡中：≯缸(∥彭)=／lj(ind)，∥日(∥#)=声接(ind)。夯郎求波Idj(ind)于五个破坏簿缀之闯的贻近凄盯(蠢，嚣，)，(，=1～5)，按近似原则取五个贴近度之最大值maxo-(n，Bj)对应的i级即为管道破坏等级。3．4本耄小结本肇应蠲蓬褪可靠淫瀵谂嚣模凝数学豢莲对缝下管道鼹邃震爵蕊毪送行了研究。主要工作有：①对经验统计法进行了论述，并总结了国内外有关震害率选取的方法。②对理论分析法进行了论述，根据地下管道的震辫经验和管道接头的抗震性能鲍试骏磷宠，定义了管遵在缝震反应中豹三葶孛王俸状态：以遣下餐邋在地震滚酶作用下的接头受损俸为主要破坏模式，同辩考虑建震作用秘簿道抗力鸵随机特征，建立了管道单元的随机可靠度分析模型。 北京工业大学工学硕士学位论文③对管线破坏状态的模糊综合评定进行了论述，解决了评定管道破坏等级时难以确定性分界的问题。 篓!薹篁查篁塑墼壅堡里耋篁坌堑第4章供水管网的连通可靠性分析供水管网是由配水源(泵站、高位水池或水塔)、用水户和管线三部分组成的相互有联系的系统。系统中某一个部件的损坏，都有可能影响到整个系统的正常运行。只研究一段管道的地震可靠性，不足以反映整个系统t拘i．g行状态。因此，除了对各根管道进行抗震性能评价以外，还必须对整个网络的连通可靠性进行评价。4．1供水管网简化模型首先将系统进行网络模拟，将水厂、高位水池、两条或两条以上管线汇交点及重要用水处等模拟为节点，而节点之间的管线模拟为连杆。其中将水厂记为源点，用户终端、集中用水点等记为汇点。一般来说，节点部件是一个复杂结构或一个小系统，这就给评价带来了困难，但节点构件具有备用系统或相对于管线具有较高的地震可靠性，因此在网络分析时可以仅考虑主要部件连杆的震害状态矩阵a设网络中连杆工，是由长度为‘(f-1,2，⋯n)的n个具有独立破坏概率的管段串联而成，则连杆处于三种震害状态的概率“⋯：ⅣP(L，=1)=ll(弓1)，(4—1)P(L，=3)=1P(L，=2)=I—e(g=1)一尸(三．=3)(4—2)(4—3)式中：三，=1，上，=2，上，=3分别为连杆￡，处于基本完好、中等破坏和严重破坏的状态，弓，和0，分别是管段的基本完好和严重破坏的概率，由第三章的方法确定。4．2图论的基本知识mm图论是专门研究由一组点和连接这些点的一组线所组成的图的学科。将供水系统简化为由节点和连杆组成的图以后就可以利用图论理论对其进行地震作用下的连通性分析。图是由点和连接它们的线的有限集组成的。一般来说，可将图记为： 一i!堇三些奎兰三耋尘圭耋堡鎏塞G2(V，丘)(4-4)其中：V，E是两个任意的有限集合，而且满足：①矿非空，其元素称为G的节点或顶点，V称为G的节点集或顶点集，一般表示为V=“，v2⋯，v。)；②E是由V中元素的无序对(v，，v，)所构成的一个集合，其元素称为G的边，E称为G的边集，一般表示为P={v。，v，)。综上所述，对于一个图来说，两个端点之间连接的线段就是边。边的端点就是顶点。若边e={V，，V，)就说边e连接顶点V，和v，，而Vi邻接v，：或者说边P和顶点V，、V，相关联，而V．是q的邻点。两条边关联相同的顶点，叫做邻接边。在图G=(y，E)中，设VⅢV¨，⋯，VnEV，8¨，8J2，⋯，8业∈E。若e，=(”fl-L"V』)k1,2，⋯，k(4—5)则将交替序列卢=(V。勺。，V¨，。口⋯，％，V。)称为一条从v。到v。的链。简记为：∥=Vtov¨-··v。。在一个图中，若任意两点之间至少存在一条链，则称该图为连通图，否则称为不连通图。一个有P个顶点，且无平行边的图，其邻接矩阵是一个p×P的方阵，用A记邻接矩阵爿=bo．L。，，则：a。=1第i顶点与第，顶点间有边相邻：a。=0第i顶点与第／顶点间无边相邻。若图为无向图，则相邻矩阵是对称的。邻接矩阵的幂，在图的矩阵中有其特殊意义：A的幂矩阵元素值表示图中二个相应顶点之间，相异的链数，这些链中所含的边数(链长)与矩阵的幂一致。对于某一邻接矩阵A，其A2中对角元素以外的元素a2(i≠，)的含义是f与 第4章供水管网的连通可靠性分析J顶点之间，长度为2的不同链数。则若口：≠0，表示节点i经过两个串联的链路与节点／相连；若n：=0，表示节点i不能经过两个串联的链路与节点，相连。以此类推，有如下的定理：令_是图G的邻接矩阵，则A’中非对角元素a：是q到v之间含有边数为r的相异的链数。设一个图有n节点，则式(4-6)完全表示了该图节点间是否经过若干链路能相互连接的情况：肘=E+A+A2+．．．+A“一1(4-6)式中E是对角线为l而其它元素为0的月×i"／阶的单位阵，A为”X"阶的邻接矩阵。若M没有零元素，则该图是一个连通图。应该指出，只要将式(4—6)计算到全部元素非零就已经可以证明图的连通性了，无需再计算下去了。43蒙特卡罗法计算管网系统连通可靠性43．1蒙特卡罗法蒙特卡罗模拟法是通过随机变量的统计试验，随机模拟求解问题解的数值方法。它不是按传统的观点去求解模型，而是在一定的假设条件下模拟模型的运行状态，然后根据模型运行结果，进行预测分析和系统评价‘721。对大型复杂网络，特别是对生命线网络的可靠性来讲，蒙特卡罗法具有计算简便，模拟过程灵活的特点，模拟试验花费的时间与图的规模成正比，数值解的误差随模拟次数的增加可限制在允许的范围内。使用蒙特卡罗模拟算法评价供水网络可靠性的基本想法是利用管线的破坏概率分布特征，通过大量的随机模拟，近似再现网络各边的破坏概率状态。而在每次模拟中，进行网络的连通性检验，判定源、汇点间连接状况，通过计算汇点处于各种状态的频率，获取对汇点与源点连通性的概率评价。算法的基本步骤可概括为”⋯：①根据第三章介绍的管线震害概率评价方法，确定网络各边发生不同破坏状态的概率。②利用随机数发生器产生均匀分布的随机数集，并与各边相匹配，然后，通过 北京工业大学工学硕士学位论文落在各边的随机数与边的分布概率相比较，判断边的破坏状态。随机抽样的具体方法是：首先将边状态的概率分布映射到一实数区间(如取O～99)然后利用随机数表或随机数发生器产生随机数，在一次随机抽样中，若随机数落在某一状态发生概率所对应区间，则认为该状态发生了。例如：某边基本完好，轻微破坏和严重破坏的概率分别为O．2，O．5，0．3，将其分别映射到O～29，30～79，80～99区f司，如图4-1所示：p10．80．30随机数幽4一l随机取样不惹例Figure4-1Sketchmapofrandomsample当产生的随机数为66时，此值在30～79区间，则此次抽样结果为该边处于轻微破坏状态。综上所示，在物理意义上就是利用每产生一次随机数来模拟一次“地震”，从而判定此次“地震”作用下，管线所处的破坏状态。③对这样模拟出来的网络破坏状态，依据网络的拓扑结构，进行系统的连通性检验(采用广度优先搜索法判定多源多汇网络的连通性)，并记录各汇点在此次模拟中的状态。应当注意，上述过程仅是一次模拟的连通性检验过程，对于网络连通状态的可靠性评定，应通过大量模拟试验后用频率统计值判定。根据计算实践，为获得比较稳定的计算结果，一般需模拟2000～5000次。4．32有关假定对应第三章地下管道的三种工作状态，在考虑了震后供水管网的实际需求等因素后，定义边连通原贝,jt49】：有效连通边：边在基本完好和轻微破坏状态下，仍具有输配水功能。36 ．墓!薹垡奎重垦墼塞望霎塞堡坌堑无效连通边：边严重玻坏、警线失去羧《0求钱力，连遗失效，在阑终中已经不起{乍屡。对应边的连通准则，在充分肯定汇点永不失效的原则上，定义网终各汇点也有三种不相客的工作状态：可靠状态：汇点和源点之间至少存在一条所有边都基本完好的链；严重不可靠状态：汇点和源点之间至少有一割集，赫条边都遭受严重破坏。轻微不可靠状态：除上述两种状态外的其它情况；4．3．3广度优先搜索法网络连通分析问题对应于阉的生成树求解。求连通分量往往采用广度优先遍历形成广度优先生成树。广壤优先搜索的思路是：搜索过程顶点的推进必须等相邻于预点v的所有顶点皆被扫褫一边之后，才移动到一个新的顶点，齑至所有静边誊被援索为止。帮镁设跌辫中莱点v疆发，在访淹了v之后依次访问v驰各个未曾访越的邻接点，然题扶逸些邻接点出发依次访润它稍数邻接点，并馒“先被访闯的顶点的邻接点”先予“后被访润懿顶点躲邻接点”搜诱逮，壹至图中所有已被访问的顶点的邻接点都被访问到，广度优先搜索虼遍历过穆是以v为起点，由近及远，依次访问和v有路径相通且路径长度为l，2，⋯⋯鲍顶点。根据上述的广度优先搜索方法的原理，我们可以判断多源多汇网络连通性，具体作法是；①写出原阚络的邻按矩陴A=【口。]是一个挖×n阶方阵，t7为网络图的顶点数d。=l，V，与V，点相邻接：d。=0，v，与v，点不相邻接。②棂擐鼷终破坏状态匏每一次模拟结暴，若耀络迭岛严重镀坏，涛元素癌。改写为o：若三“中等镀坏，将元素搿F改篝为2，瓿丽得到口r称为网络的破坏邻接矩阵；③用宽度优先缓索法从各源点逐步向外辐射。对i点搜索时，根据¨]÷，若(7／。=l，将后续点／染为蓝色；若口．，=2，如，点未着色，则将其染为黄色， =———==——：：，，，，：：：』!塞三些奎兰三兰至圭耋堡鎏耋．如／点己着色，则不做改变。重复上述步骤，直至全部点的着色没有改变。根据最后的着色结果，蓝色、黄色和未着色的点分别表示该会点处于可靠、中等不可靠、严重不可靠状态。4．4本章小结本章研究了供水管网的连通可靠性。在将供水管网简化为由节点和链杆组成的模型和相应图论理论的基础上详细介绍了用蒙特卡罗法计算管网系统连通可靠性的方法。 第5章基于GIS的供水管嗣动态震害预测第5章基于GlS的供水管网动态震害预测我国是一个多地震国家，几乎每年都有强烈地震发生，尤其是1976年的唐山大地震造成的惨重人员伤亡和巨大的经济损失，至今仍令人记忆犹新。为了有效的减轻和防御地震灾害，应对未来地震可能造成的震害进行预测，进而为制定防震减灾规划、地震应急措施以及震后恢复重建等工作奠定基础。许多与管道震害有关的因数是动态变化的、是时间参数的函数，不同时期相同强度地震在同一地点所造成的震害可能存在很大的差异。所以常规方法所给出的预测结果难以较准确的预测未来地震的震害。因此，需根据所研究区域的实际情况，考虑各因素随时间变化的影响，研究一种动态的震害预测模型，科学的预测未来不同年份管道的震害情况，为政府部门制定防灾规划提供基础数据。5．1GlS技术的应用和开发GIS(GeographicInformationSystem)即地理信息系统，是在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供规划、管理、决策和研究所需的技术系统。简单地说，GIS就是综合处理和分析空间数据的一种技术。它将计算机图形和数据库融于一体、可以存储和处理空间信息”“。GIS把地理位置和相关属性有机的集合起来，可以根据用户的需要将空间信息及其属性信息准确真实、图文并茂的输出给用户，满足城市建设、企业管理、居民生活等方面对空间信息的要求，借助其独有的空间分析能力和可视化表达能力，进行各种辅助决策。总的来说，GIS具有三方面的功能““：①具有采集、存储、管理各种数据的能力，这些数据具有空间连续性和动态性；②以研究和决策为目的，由计算机程序模拟各种分析方法，作用于空间数据，产生高层次的信息，可以快捷、准确、综合地对复杂的空间现象进行过程和动态分析；③具有显示功能，可将各种信息及分析结果以多种形式表达出来。正是因为这些，使它在很多领域中得到了广泛的应用。现在，在美国等发达国家，许多政府机关、咨询公司、商业单位都有自己的地理信息系统，应用范围包括高精度制图、土地规划、自然资源管理、环境保护、交通管理和减灾 北京工业大学工学硕士学位论文等各领域。GIS之所以能应用于管道震害预测是因为与管道震害预测有关的各种因素，如震源特性、场地条件等因素全部与地理相关。GIS提供了可以用来表示这些因素的点、线、面、多边形等多种数据模型。而且，GIS还具有双向查询检索、拓扑及空间集合分析和缓冲区分析等等强大的空间分析功能。我们可以在这些功能的基础上进行二次开发，将专用的分析方法编成程序，嵌入到GIS软件平台上，形成专门、实用的GIS系统，达到较准确预测震害的目的。本文在这种技术思路上建立了供水管网的动态震害预测系统。该系统的工作流程见图5—1。图5—1动态震害预测系统工作流程图Figure5-1Workflowlsdiagramofdynamicseismicdisasterpredictionsystem可以看出：基础资料数据和常规预测方法是进行动态震害预测基础，而动态调整库则是进行动态震害预测的关键，是我们需要重要解决的问题。动态调整库中的内容应该满足动态震害预测的功能．。例如：管网铺设的变化、管道剩余壁厚与使用时间的关系、各地需水量变化等。本文主要考虑了管网铺设的变化和管道腐蚀的影响。 帮5牵耩于GIS的供水管阕动态髓害预测城市地下管线的数据量大，既有大量的图形数据，又有大鬣的管线属性数据，薅虽髓藿城市建设熬鑫瑟月异，怒下瞽线数爨霆瑟颧繁，魏都分老管逶濡要更新、改造，不断有新管道需要铺设，各种管线数据都需要及时的处理与翌新，这就需要对数据进行不断的更新。过去在开展收集工作的时候多数采用手工摄俸，不仅耗时、费力露且灵貔静态瓣表达，不§§及时凳薪数搽，鼹游城市疆新月异的变化。但是GIS技术就可以很好的解决这令问题。GIS技术提供了强大的数据采集与编辑功能，各种图形数据可通过数字化仪、扫描仪、全站仪簿多季孛方法臻天GIS图形瘴，瓣时，GIS逐兼容多静绘颦软{孛麴AutoCAD、Photoshop等绘制的图形格式；属性数据及统计数据除用传统的键盘输入外，还可从其它数据库管理系统或电子表格处理系统拷入，这就为因管道铺设变化而引起的数据受耨提供了方程。地下管道不可避免的存在腐蚀，锗道腐蚀后，管壁金属遭受破坏，管壁变薄，管道腐蚀区段承受内压的能力降低，抗泄露和破裂(破断)能力降低。丽虽，壤摆翦且章掰述静震害{茭溺方法，我翻瞧可瞬看出：管道静壁．|孳变亿会赢接影响到管道的接头位移的计算，进丽对震密预测结果产生影响。因此，如粱能建立管道剩余壁厚与使用时间关系的数学模型，我们就可以利用它求出几年惹静管壁剩余．|孚黢，遴褥确定凡年后管道豹破琢程度。下一节中，我们对这个问题进行详细的研究。5．2剩余壁厚预测模型供永管道的服役环境一般十分复杂，涉及到的腐蚀类型很多，因此存在很多不确定爨素。这些不礁定霆豢给管线懿剩余壁簿预测带囊缀多露难，魍之不同的腐蚀类型需要不同的预测模型，这使得对剩余蹙厚预测模型的研究更加复杂。正因为这一原因，要找到一种通用的剩余壁厚预测模型还存在一些问题。为垂艺，本文介绍鼹辩剩余壁厚=l{；l测模受：罄麴预测模型黧获色预溺模登，这鎏模型可分别适用于已知不同信息的情况。5．2，1回归预测模型回归预铡模型是稍粥管道的检测结果，通过回归分帮彳，建立剩余墼厚与使鼹时阚鲍关系，鼹此作为对管i筵剩余爨簿孩溺戆蒎据。葵纂本愚路是：曹先进行定性的考察，确定相关的因索，然后收集有关因素的数据资料，应用最小二4l 乘法得到回归方程式，再根据方程外推预测。考感到长竣管道瘾链蹩羼子毫优学磨镶，篱道澍开始露链时速凄攫快，毽随着时间的延伸，腐蚀速率逐渐衰减，因而假设管道的剩余瓞厚的发展变化趋麴可用式(5-i)表示“”：}=t。一毒=韶67(S—i)式中，拉，6为霉数，f为剩余壁浮，t。为管道灏戆熬黧厚，万为露锤深度，≯为时间。假设4，如，⋯，瓯为在正，疋，⋯，砌时间分别对腐蚀管段进行的n次腐蚀检测测得的腐蚀照，则相应的剩余壁厚为t，一4，0一磊，0一瓯。根据，，一4，f，一如，⋯，t，一瓯的大小可以观察剩余壁厚的发展变化趋势，拟合高裁余蘩浑随辩闻发麓的趋势线，如图5-2。‘ys-62卜～}m一一卜、。tys一6n卜一上一一～二_===二‘斗～～、——一J～～L～一——j——。》TTlT2Tn图5-2根据n次腐蚀检测数据的剩余蹙厚预测Figure5-2PrediCtiOnofresidualw8】】thicknessbasedOnntime’Scorrosiondetectingdata根据(互，0一最)，(正，，。～盈)，⋯，(砌，0～瓯，)，用，=舳67拟合两边取对数得：血≠=巍岛十6，(5-2)进行线性化，令y=觑“4=肪口，则y=“+bT。采用一元线性回炽的方法，得 故口=e。其中：故剩余壁厚∑C一于)(H一歹)∑(z一一T)Unt，一一lm)b=旦—F———～=型—i————一(5—3)∑(z一歹)2∑(7：一亍)2f=lA=Y——bT=Int——bT歹：!宇f，丽：!争如，”智1"智(5—4)(5—5)(5-6)回归预测模型的主要特点是计算简单，方便，对检测时刻的选取没有特别的要求；但是它的预测精度和可靠度的高低，关键取决于充分可靠的基础数据，尤其是历次管道腐蚀检测及维修情况、防腐层质量状况变化检测及维修情况、土壤腐蚀性等数据。基础数据多且充分可靠，预测的精度和可靠度就高；相反，基本数据少，又不可靠，则预测的精度和可靠性就低。就预测方法本身而言，它是根据已有数据经一定的方法处理进行外延，因此预测未来期短，则预测的精度和可靠性就高，预测未来年限时间长，则预测的精度和可信度就大为降低。因此，该模型适用于使用时间较长，使用过程中检验频繁的管道。5．2．2灰色预测模型灰色理论””的基本思想和方法是通过对有限的、表面无规律的数据进行“生成”处理，再利用生成数据建立预测模型，从而揭示出系统发展变化的潜在规律。由于影响管线腐蚀的因素很多，因素以及因素之间的关系也错综复杂，某些因素对管道剩余壁厚影响的有关信息，由于种种条件的限制，目前尚不知道，因此对管道剩余寿命的预测常具有灰色性特征。本节的灰色预测模型以管道剩余壁厚的时间序列为基础，应用灰色模型去外推管道的剩余壁厚。(1)数据处理设管道剩余壁厚的时间序列为E‘01=(E‘o’(1)，E‘01(2)，⋯，E‘o’("))43 ：：鏊圣三兰查羹薹茎薹耋耋基鎏耋对它进行～次累加生成褥列疼捌k∥(≈)=∑E‘。’(f)，(扛1州2一，n)(5—7)E‘1’=(E‘1’(1九E‘1’(2)，⋯，E‘1’(n))这个序剜为递增酶，膏一定麓律毪，弱纯了原始数据序弼静随孝冗性。(2)GM(1，1)模型楚瑷单个数据弹歹l时，霹以采蕉GM(1，1)穰黧。对E{13建立自纯形式豁徽分方程”3：型塑十口E∞(f)：“(5-8)dt、7方程中熬灰参数稃，12．，其蠢髫二{薹(瓣圣爻参数)必鑫=沁“r，可交墩小二乘滚求解，结果为：矗=[：]=c“’“，t“r嚣c5—9，式中矩黪A为：A=一h簋㈤(2)+居m(1)]一委【嚣‘’’(3)+∥’(2笼一lIE({’(担)+露({)(5一10)矩阵B为：B=[E‘o’(2)，E‘01(3)，．E(o’(n)]7’(5—11)求簿灰彘微分方掇式，得霹阉翡应函数(霹蘸溅爨数)雪(1’(f+1)=(E(。’(1)一U-)e“+兰(5—12)荔a将上式豹缩栗俸一次素减生成，邵可褥蓟原始数猎序歹l盼颈溺僮：盖‘o’(f+1)=占(1’(r+1)一点(1’(f)=汪‘劬(1)一兰)(1一矿)P“(5—13)口 第5章基于GIS的供水管网动态震害预测(3)改进的GM(1．1)模型GM(1，1)模型要求参加分析的序列为一等时间序列，因此，它只能对等时距时刻进行预测，无法预测任意时刻的剩余壁厚。而对第一个点的估计值，一般认为其是原始数据。如假设等时距数列第一个数据对应的时间为瓦单位，等时距为N，则原始数据的顺序号，与时间T的关系可用下式表示：f=专(，一瓦)(r=瓦，Ⅳ+瓦，．2N+兀，⋯)(5-14)则根据式(5-12)，改进的GM(1，1)模型的时间相应函数为：趴r+1)：(趴1)一苇孚+兰(5—15)原始数据的预测值表达式为：应(。’(r+1)=E(1’(f+1)一E(1’(r)：(巩1)一与(1一Pa)e一掣(5一16)(4)模型预测值的后验差检验后验差检验是残差分布统计特征的检验，其方法如下：记试验实际值E‘o’(f)与预测值雪‘∞(f)之差为残差，故g(r)=E(o’(，)一言(o’(f)，残差g(r)的平均值虿=去喜g(f)。实际数据的平均值为豆(o)=去喜E‘0砸)，记实际数据和残差的方差分别为并和霹，分别按下式计算㈨：耻去喜(巩f)．∽2(5-17)簧=去扣沪耵旧㈣后验差检验两个指标为后验差比值c与小误差频率P，计算公式为：c：量(5一19)S1、。⋯P=P{IgO)一虿I<0．6745S．}(5-20)45 j￡象7E驻大学I学鹾士学位论文根据后骏差比值C与小误差频率P两个指标，可以综合的评定预测模型精凄。指标c越小越好，措标P越大越好，当cO．95时，预测模测的精度为良好。从上述过程可以蔷出，管道的痢余壁潭灰色预测模型是～种动态豹预测模型，它很容易接受新信息弗调整模型去适应新的情况，具有较强的自适成能力，嚣时，该攘羹不壹接采羯原始数魏两是粟髑一次桑黧生成后静序到去推溺系统等发展变化规律，在一定程度上消除了原始数列的随机性，使模型在信息量较少，数握凄量不亳夔蟪凝下逢骞较裹戆颡溅摸鍪。箕主要浚点蹩：离散优豹模型要求参加分析的序列为一等时间序列。因此，该模测适用于定期检测的管道。5．3本耄小缝本章对基于GIS的供水管网动态震害预测模型进行了系统的介绍，还对两嵇粼余壁T|孚颈溅模型进零亍了详缨瓣奔缨。主簧结论磐下：①矮害预测中，许多影响预测结果的因数怒随时间变化的，必须在数学模型中考虑这些变化鲍影响，进行未来震害的动态预测。②进行动态髓害预测，需尽可能多的收集不向年份备种数据的统计资料，建立动态预测数据库，并通过对现有的数据比较分析，确定合适的模型及参数。 第6章某市供水管网动态震害预测近几年，城市发展速度很快，城市基础建设的变化也较大，随着城市建设的不断发展，如何有效提高市政基础设施抵御地震破坏的能力，减轻地震造成的直接和间接经济损失成为一个亟待解决的问题。61某市供水管网系统概述某市规划区预计用十年的时间将本市的供水工程建成以两家较大的水厂为主的供水干网。市中心区管网呈环状，郊区呈枝状，管材为普通铸铁、球墨铸铁、预应力钢筋混凝土。普通铸铁管直径为100～300毫米，石棉水泥刚性接头：球墨铸铁为400～800毫米，为承插式楔型接头；预应力混凝土为1000～1400毫米，承插式橡胶圈接头。某市的地震基本烈度为VII度，场地类型大多属于II类和III类场地。6．2预测结果与分析建议根据上述资料对某市规划区供水管网做了烈度为6～9度下的震害预测。某市规划区供水管网震害预测结果示意图见图6—1～图6—4。需要说明的是，在网络连通性计算中，管网节点按预测结果分为五类：连通概率在O．9～l之间的节点为可靠节点；连通概率在0．7t0．9之间的节点为轻微不可靠节点：连通概率在0．5--0．7之间的节点为中等不可靠节点：连通概率在0．3～O，5之间的节点为严重不可靠节点；连通概率在0～0．3之间的节点为断水点。对预测结果进行分析，从管材上看：预应力混凝土管性能好，球墨铸铁管次之，但是它的耐腐蚀性较钢管来说比较好，使用寿命长。从管径上看，大管径比小管径的管道在同类场地的抗震性能好，这与已有的震害数据以及震害经验是吻合的。。从供水管网节点的可靠性分析结果来看，某市供水网络的可靠度较好，在7度地震作用下，多数节点处于可靠状态，少数管网末梢的汇点处于轻微不可靠状态；在8度与9度地震作用下，轻微不可靠状态的节点逐渐增加，但管网整体的可靠度还是较高的。根据网段和网络节点的可靠性分析结果，为提高某市供水管网的抗震可靠度，建议采取以下措施： i!至王些銮童三兰堡耋耋堡堡塞隧6-1菜帮翘鲻区供求管网6度动态震害预测鞫Figure6-1Dynamicpredictiontodamageofwatersupplynetworksincertaincity’splanningarea隧6-2菜带嫂划区供水管嘲7度动态震害鬏测豳Figure6-2Dynamicpredictiontodamageofwatersupplynetworksincertaincity’splanningarea 塑叁茎董蒌筌童茎壁鎏查塞塞鎏型．圉6-3菜市艘翔区供水誊鄹8发动悫震害骥溯圈Figure6-3Dynamicpredictiontodamageofwatersupplynetworksincertaincity’splanningarea图6—4某市规划区供水管网9度动悫震害预测图Figure6-4Dynamicpredictiontodamageofwatersupplynetworksincertaincity’splanningarea 北京工业大举工学顾士学位论文(1)从评估缡果来看，菜市供水网络系统的抗震性能较好，如能将管道尽可能连接成网状，尤其是增搬对束捎节点豹连接，供水管阚系统的抗震性能会进一步掇高；(2)豢性接头的管道的抗震能力礴于剐性接头的管道，应逐步将剐性接头的管道改造为柔性接头，且在不同材康的接头处应做好防渗漏处理：(3)对铺设年代较早的管段，或平时运行发生泄漏或年久失修的管段，应及时更换成抗震髓力高豹管道耪接关，以提高蛰道抗震安全经；(4)做好金属管道的内外防腐保护工作：(5)在镶设管道时，最蟹浅埋若麓巯裣、中等容重熬主謦填，霹提裹管逡抗震能力；管沟基础要夯实，防止不均匀沉降给铸铁管接头造成损害。8．3本睾小结本章用基于GIS的动态震害预测模型对某市规划区的供水管网进行了动悉震害颈测，著对其鞭溺结暴送霉亍了努羧，为完善蒺泰兹警溅撬震簸力爨塞了一些建议。结果表明，本文所聚取的方法简单有效，与震害统计结果能基本吻合，涯盟方法是可雩亍的。 患缩结论{魏言我国目前正面临着地震活跃期。从1988年开始，中国大陆地区进入第五个遥震活跃麓。穰蕹蓠凡次圭|亟震活跃期翡活动特点，专象韵谈为本次建震活荻期将持续到本世纪初，目前已进入了强震高发期，其间可能发生多次7级左右、甚至个别更大瓣邀震。德是我国城毒萎稿设旋普逮较麓，过去建立熬城市生命线管网系统，大多数没有经过正规的抗震设计，而不少城市又处于地震烈度较葛的地区，有可能遭受中、强地震。因此，进行供水簿潮的震害鞭测，对减轻城市灾害，做好城市抗蕊防灾工作是很有必簧的。目前，我豳已经完成了一部分重点城市的防震减灾规划的制定。但是，近几年来，我国城市的发璇速度根侠，城市鏊襁建设也发生了穰大变化。随着城市建设的不断发展，以前所制定的规划已不能准确的反映震害的实际情7兄。重薪耱铡裁捌，将会存在缀多重菱工作，造成大量酶入力、镑力浪费。霞魏，纛要建立一种考虑时间因索的动态震窖预测模型。2本文工作总结本文从我阑抗震防灾工作对蕊础研究的现状出发，在综合分析了现有的国内外警遵震害露赣《磋究麴基韬上，以理论霖谤稆实弼瞧并重，对建立基予GIS的供水管网的动态震害预测的研究作了一些初步的探讨和尝试。主要完成了，以下弱王佟：(1)借攫国内外的研究成果，对地下管道的地震破坏特镊和地震反应特，征、供水管嘲的震害预测昶连通性分摄方法避乎亍了较为全面系统躲职究。(2)将GIS技术应厢于地下管网的动态震害预测系统，有效地发挥了GIS的空间与属性数据综合分析的功能，节省了工作量，提高了分析的精度，使原始数据和分析结栗具有可视化和动态化功熊，为城市地下管网酶礤究提供了一个有力的工具。(3)考蕊露阉嚣索的影响，对管道裁态震害预测进行了裙步静磅究，取得一定的成果。提出了进行管道动态震害预测的基本技术路线，并对铺设变化帮露夸垒作弱数彩稳遗露了耱步懿搽谤。 北京工业大学工学硕士学位论文(4)编制了基于GIS的城市供水管网的动态震害预测的通用计算程序，并以某市的供水管网动态震害预测的实际工程为例，验证了方法的实用性和有效性。3今后的工作展望对供水管网进行动态震害预测具有非常重要的学术意义和实用价值。由于管道震害预测过程中存在着许多与时间有关的因素，而且，它们之间的关系又比较难以确定。由于研究生阶段的时间限制，不能完全的研究所有的问题。以下是我结合自己的研究经验，提出的对未来供水管道动态震害预测进行进一步研究的一些设想：(1)随着经济的发展，许多新型的管材被运用到了供水系统中。这就要求我们加强管道的试验研究，获取更多的接口抗开裂荷载数据，为管道的抗震设计和动态震害预测提供依据。(2)总的来说，本文提出的两种腐蚀作用下的管道剩余壁厚预测模型都是从现场实用性出发的，每次计算都需要大量的检验数据，运算量较大，而且数据的收集和录入都需要投入大量的人力、物力。因此，建议编制一个通用的预测模型。(3)除了本文已经考虑的因素之外，管道震害预测过程中存在着许多与时间有关的因素，例如：人口变化引起的水压变化等问题。因此，需要不断完善动态调整库的内容，考虑更多的影响因素，建立它们随时间变化的预测模型。(4)GIS的应用研究尚待深入。GIS作为一种高新技术，功能非常强大。本文只是用到了其中一些比较简单的功能。如何更好的利用GI$的强大优势为供水管网的动态震害预测服务还需要对GIS技术进行更深入的研究。鉴于本人水平有限，本文中有些观点还很肤浅，有待进一步深入，或许还存在一些谬误之处，恳请各位老师和专家指正。 参考又献参考文献1胡聿贤．地震工程学．北京地震出版社．19882赵成刚，冯启民等．生命线地震工程．地震出版社．19943韩阳．城市地下管网系统的地震可靠性研究．大连理工大学博士学位论文．2002‘4T．Ar／man．G．E．Muleski．freviewoftheresponseofburiedpipelinesunderseismiCexcitation．J．OfEarthquakeEngineeringStructuralDynamiCS．V01．9．1981：133～i5l5L．R．L．Wang．Yaw—HueiYeh．DamagebehaviorstatistiCSofLifelinesystemaroundtheworldduringearthquake．1983(4)6城市公用设施抗震设计计划规范编制组．辽宁营口地震城市公用设施震害调查报告．19757唐山市自来水公司，北京市政研究院．唐山市给水设施震害调查．1976，ll8徐鼎文．唐山市区地下给水管网震害，唐山大地震震害．北京：地震出版社．19869佟恩宠等．唐山大地震天津市工程震害．天津科技出版社．1984，910L．R．L．Wang，ShaopingSun，shijieShen．SeismiCdamagebehaviorofburiedlifelinesystemsduringrecentlyearthquakesinU．S，Chinaandethercountries．Tech．ReportNo．ODULEE一021lHisashi．Sumitomoere．SystemanalysiSofearthquakedamageonwatersupplynetworkinKobeCity．Proceedingsofthe4。“InternationalSymposiumOHWaterPipeSystems．1997：137～14512TheChi—Chi．TaiwanEarthquakeofSeptember21．1999：ReconnaissanceReport，MCEER，2000．13N．M．Newmark．Probleminwavepropagationinsoilandrock[A]．Proe．ofInternationalSymposiumonwavePropagationandDynamiCSpropertiesofEarthMaterial[C]，Albuquerque．NewMexico．1967：7～26】4R．AParame]Re．C．A．1，udtke．SeismiCSOi]一StructureinteractiOnof 北京工业大学工学硕士学位论文buriedpipeline[A]．ProcofUSNationatConfEarthquake[C]Oakland：EEEI．1975：406～41515L¨R．L¨Wang．K．M．Cheng．SeismiCresponsebehaviorofburiedPipeline[J]．JOfPressureVesselTechnology．1979，101(1)21～3016I．Nelson，P．Weidlinger．Dynamicseismicanalysisoflongsegmentlifelines[J]．J．OfPressureVesselTechnology．1979，i01(1)10～2117G．E．Muleski，T．Ariman．Ashellmodelforburiedpipesinearthquakes[J]．J．OfPressureVesselTechnology．i979，101(1)43～5118S．Takata，K．Tanabe．Three—dimensionalseismicresponseanalysiSofburiedcontinuousorjointedpipelines[J]。JOfPressureVesselTechnology．1987，109(1)35～4219S．Takata，N．Horinouchi，T．Tsubakimotoo．EarthquakeResistancegvaluationofService]unctioninSmall—DiameterSteelPiDelines．Procof9”WorldConfonEarthquakeEngineering，Tokyo--Kyoto．1988(7)：85～9020S．K．Datta，A．H．Shah，K．C．Wong．DynamicStressesandDisplacementsinaBuriedPipe．JforEngMech，ASCE，1984(110)：1451～14662lH．Goto，M．Sugito，HKameda．SeismicResponseAnalysiSofJoint—ConnectedBuriedPipelinesIncludingBentSections．MemoirsoftheFacultyofEng，KyotoUniversity．1982(44)：182～22122A．Hindy，M．Novak．EarthquakeResponseofUndergroundPipelines．JOfEarthquakeEngineeringStructuralDynamic．1979(7)：45l～47623叶耀先，魏琏等．浅埋地下管线的动力特征．地震工程论文集．198224中华人民共和国国家标准．室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范(TJ32—78)．t97925熊占路．用离散模型分析地下管道的地震应力．第--N全国地震工程会议论文集．1987。26谢旭，何玉敖．地下埋设管线通过不同介质时的地震反应研究．第二届全国地震工程会议论文集．1987 参考克献27王海波，林皋．半无限弹性介质中管线地震反应分析。±本工程学报．1987，20(3)28甘水文，候忠良．地震行波{乍赐下蠼设管线的反应诗算，地震工程与工程掇动．1988，8(2)：79～8629候忠良，王筠．我国地下管线抗震研究进展．冶金工业部建筑研究总院院刊．1997(3)30赵成霞《．魄震波作用下土瞧下管道的模糊随机反应和可靠性分析．结构与介质相互作用理论及其应用．南京：海河出版社，19933l张社荣，艨装。沟埋式蛰道与±楣互馋髑懿动态毒疆单元法[J]。天津大学学报，1995，28(3)：369～37432张永国，陆朝荣，于佰俭．防治蠼地管道上浮的措施[J]．油气输送．1999，18《8)：48～4933甘水文，镁忠良．液化主中堙设管线的上浮反应．特种结构。1989，6(3)：3～734j。G．Xiong，T。Wang，G。Wang。Seismicbehaviorofburiedpipelinesduringliquefaction[A】．Procof2“China—Japan～USTrilateralSymponLifelineEarthquakeEng[C]．1994：185～19235嵩惠瑛，游虐疑，场媳沉鹣埋遗簧邋反应分辑方溱[J]．地震芝翟与工程振动．1997。17(I)：68～7436林惠杰，胡聿贤．不均匀土中管线的地震反应分析．第三届全硝地震工程会议论文集．199137粱建文，何玉熬．弹性半无限空间中邋过不同介质管道的三维她鬣反应．结丰句与介质相互作用理论及其应用．南京：海河大学出版社．199338粱建文，傍玉熬．遵避不均匀主套矮警道戆三绻逮震反应一，天津大学学报．1994，27(2)：2∞～20439黄忠邦，离海，项忠敉．埋地管线在均匀和非均匀土介质中的地震反应[J]，天津大学学擐．1995，2(1)40N．M．Newmark．SeismiCdesigncriteriaforstructuresandfacilities，Trans—A1askaPipelineSystem．ProceedingUS．NationalConferenceOn lb衷工韭丈掌王学磋士学位论文EarthquakeEngineering．19754iR．P．Kennedy，A。W．Chow，R．A．Wil1iamson。FaultmovementeffectsOnburiedoilpipeline．JOfTransp．Engineering．ASCE．1977：617～63342首东文，谈惠随．建震罩子渡佟爱下壤设营线瓣爱应诗葵．缝震工程与工程攘动．1988．8(2)：79～8643张避鞫，基荚凝，崔缎萍。逮震佟蠲下理遗警遵缎凑振幼攘较余蕊解[舅。法气储遮，1977，16(12)30～32、44刘爱文。基于壳模型的理她管线抗震分享厅。中嗣地震局媳球物理躜究所搏士学位论文．200245PanousiS，George．SeismicReliablyofLifelineNetwork，SDDAReportNo．15．MtTOept．ofcivilEngineeringReportR74—75．1974(9)46G．Taleb—Agha，SeismiCRiskAnalysiSofLifelineNetwork．SDDAReportKo．24．MITDept、ofcivilEngineeringReportR75—49，1975(§)47M．Shinozuka，R，Y．TanandT．Koike．Serviceabilityofwatertransmissionsystemsunderseismicrisk．LifelineEarthquakeEngineering．ThecurrentStateofKnowledge．ASCE．Aug．198197～llO48韩阳，孙绍平．城市给水管网的震寄预测研究．北京市政工程研究院研究报告。1987，7唾霉焦国梁．城市给水管丽遗震可靠性骈究分析．北京市市政工程研究所研究生论文，1988，850张锐，郭奏薅，刘锡荟．城薅生会线工程抗震盼模期强分辑方法．地震工程与工程搬动．1989，9(1)5l李挂鬻，霍达，王东炜。城市建筑网络系统的抗震可靠性分摄，北索：地震出版社．199352王东炜，李桂鬻，霍达簿，生命线网络抗震可靠度的一般算法．地震工程与工程掇动．1995，15(1)53李小军，胡聿贤，赵风新．管网系统功能的地簏响应分析．城市与工程减灾熬礁磅究论文集+ll京：中嚣辩技出黢敬。1997+14～21j4冯启民，高惠琰，张伟林．天津开发区供水系统地震反应分析．自然灾害学 报．2000，1155疆本建设雀建筑研究掰，薪抗震设计法(寰)，建筑磺究擐镑，199456中国建筑科学研究院，地下管道抗震措施的实验研究，i977(i)578．Yakada，SeismieResponseAnalysisofBuriedVesseLsandDuctileIronPipeline．The1980PressureVesselsandPipingconference．ASME，1980(8)：23～3258伸伟涛，孙绍乎。餐簸与填±淄辘向摩隈力豹研究。第霞属全黼缝震工稔会议论文集．1994(6)142～147鹃蔚圣聪，鬟予埋譬抗震诗冀懿稳器位移秘迭基反力系数。跨零孛结稳，199260熊占路、溺启民，埋地管道地应变及传递系数的研究，第四瘸全国地震工程学术会议论文囊，19946l沈世杰．地下管道在地震波作用下的动力反应分析．特种结构，198762K．Toki，Y．Fukumori，醒．Sako，T．Tsubakimoto。RecommendedPracticeforEarthquakeResistanceDesignofHighPressureGasPipelins．198463Saltu，N．Nishio，T．Katayama．RecommendedPracticeforEarthquakeResistanceDesignofMediumandLowPressureGasPipelines．199464D．Bresko，C．Hendrickson，工-Oppenheim．Seismicriskanalysisofanurbanwatersystem。JrSmithDJ，ed。LifelineEarthquakeEngineering．theCurrentStateofKnowledge．NewYork：ASCE。1981：241～2弱65王东炜．地下管道震密预测初探．郑州工学院学报．199I，12(1)、356R．Isoyama，T．Katayama．Practicalperformanceevaluationofwatersupplynetworksduringseismicdistracter．JrSmithDJ，ed．LifelineEarthquakeEngineering．theCurrentStateofKnowledge。NewYork：ASCE．1981：nl～强667张琼，朱美珍．汕头市给水系统的抗震防灾示范研究．+褥朱美珍。绘东管礴翁栽害预溺及可靠谴译定．弱济大举学报1994，12，(4)69戚务柏，叶燎原，王渡勇．地下管线抗震等级的模糊评定．工程抗震．1997(8)70棱端薅．运筹蛰论+jE索靛空霆霆天大学塞敝享±。1990 i!垒三些查耋三兰堡圭耋堡鎏塞7l李昕．供水系统地可靠性分析．大连理工大学博士论文．200072赵国藩．工程可靠性理论与应用，大连：大连理工大学出版社．1996，10：195～19673李杰，李国强．地震工程学导论．地震出版社．198274温瑞智．基于GIS的防震减灾系统．中国地震局工程力学研究所工学博士学位论文．199775黄新杰．带腐蚀缺陷管道剩余寿命预测研究方法．西南石油学院硕士学位论文．2002。476邓聚龙．灰色系统基本方法．华中工学院出版社．1985，777邓聚龙．灰色理论教程．武汉：华中理工大学出版社．1990 致谢本文是在恩师闰维明教授、周锡元院士的悉心指导一F完成的。导师严谨的治学态度、渊博的学识、诚挚正直的处世态度使我深受感染和启迪，成为我终生受益的精神财富。三年来，导师不仅在学习、生活上给予了我无微不至的关怀与帮助，还在精神上给予了无私的鼓励与支持，值此论文完成之际，我谨向导师致以最崇高的敬意和最诚挚的谢意。在今后的学习和工作中，导师的淳谆教诲将成为我勇往直前的动力。本文是“泉州市抗震防灾规划项目组”研究工作的一部分，感谢泉州市建设局对本项目的资助!感谢“泉州市抗震防灾规划项目组”各位老师对本论文的指导!本文还得到了韩阳老师的大力支持，在此表示衷心的感谢!我有幸在一个团结、友爱的导师组中度过了愉快的三年，感谢导师组的各位老师和同学在学习和生活上给予我的帮助。在这里我还要感谢我的父母和爱人曾晓的默默支持，给予我无私的支持和理解，这是我能够安心学习的基础，是我能够继续求学的精神支柱。真心感谢北京工业大学对我的培养和一切关心、帮助过我的老师、同学和朋友j在此，也对本文中所有参考文献的作者表示感谢!牛燕利2004．520'