給排水系統抗震管道設計探究

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［摘要］給排水系統由于受限于周圍環境與技術水平等要素，給排水技術及其施工工藝暴露出較大問題，如防震設計處理上，存在較大的發展空間。針對市政給排水系統設計中存在的普遍性問題，從抗震技術角度，對于改進與發展給排水系統提出一些建議，以供參考。

［關鍵詞］給排水工程；管道設計；抗震結構

市政給排水系統是城市現代化發展的基礎性城市建設系統之一，對其進行科學規劃的設計，對保障國民生命安全、維護居民居住環境、推動城市可持續發展具有積極的意義。現階段，生態化城市建設成為促進城市發展的新模式，也是推動市政建設的重要戰略步驟。對此，保障人民生命財產安全，維護城市發展建設，從生態化角度規劃設計給排水系統的抗震功能，對城市建設而言，具有非常重要的價值。

1市政給排水設計的現存問題

1.1給排水系統處理模式的不恰當選擇。城市給排水系統的規劃設計，由于前期實地勘測與調查不充分，再加上系統設計傾向于集中式的給排水處理模式，管道埋深度不斷加大，增加了系統管網的水泵站建設數量，提高了給排水規劃建設成本。一些地區在給排水系統設計過程中，往往過于追求排水功能，大量采用封閉施工建設方式，大量水泥和鋼筋的使用，加大了管道疏通難度，甚至會造成城市水浸問題。而有些城市給排水系統的規劃設計中，不注重生態化功能建設，城市人工景觀建設用水量較大，水資源浪費現象日益突出。1.2給排水系統缺少抗震功能。給排水系統的管網的形式是系統網絡，具有覆蓋面廣、流域空間廣、結構復雜、系統規模大等特點?，F階段，國內外給排水系統的抗震規劃設計局限在管道部分的抗震，對于系統網絡的整體抗震功能的研究與實踐較少?？拐鹂煽啃灾笜俗鳛樵u估給排水系統管網的抗震性能的基礎指標，未能發揮其整體性量化作用，未充分應用到管線整體布局與設計中。不僅如此，據國內外發生的地震災害資料可知，地震對給排水系統造成的影響與破壞是巨大的，如水庫壩的塌陷、剪短、滑動，系統主干道的接口斷開、折斷、破裂或脫落等，甚至出現大面積的損壞，嚴重影響供水設備與建筑的運行與安全?？梢哉f，水資源是人們維持生命的必需資源，給排水系統應在短時間內獲得修復，進而保障災后維持正常給水。對此，給排水系統抗震規劃設計與防災工作迫在眉睫。

2給排水系統抗震規劃設計應用

埋地給排水管道是該系統的基礎組成部分，在整個給排水系統中承擔著輸水與配水的功能，經歷次地震災害調查了解到，給排水管道震后毀壞非常嚴重。對此，在給排水系統設計中，還應重點規劃設計該系統的抗震性能，降低災害毀壞程度，保證震后生活應急的水量輸送。無論是哪種地震，對給排水系統管道所造成的非人為性破壞都是非常巨大的，應從管道抗震原理、抗震可靠性與耐久性等，借鑒建筑施工隔震原理，針對給排水管道抗震中的設計薄弱點，采取耗散系統受震能量方式，進而起到一種隔震效果。2.1輸水管道的隔震設計。管道土體與輸水管道之間鋪設干燥的砂土，作為隔震基礎層。砂土與普通土體相比具有很強的摩擦力，能消耗一些地震產生的能量。粘聚力與摩擦強度是決定砂土摩擦力的重要參數，按粒徑大小，將其劃分為5個種類，具體樣態指標見表1。從表1數據可知，砂粒粒徑最大，砂粒摩擦角較大，粘聚力較低，受到外界環境因素的影響會加重顆粒之間的摩擦力；粉砂粒徑最小，摩擦力最小，但是粘聚力最大，說明顆粒間結構緊密，較容易傳遞地震作用力，不能較好地消耗地震能量。而中間3種砂粒，從細砂、中砂到粗砂，隨著粒徑增加，摩擦角逐漸增強，但聚合力逐漸減小。從3種物理指標來看，粗砂可考慮作為隔震層的原材料，能消耗掉一部分地震能量，有減震作用。2.2管網抗震可靠性的規劃設計。2.2.1管網參數值的設計。管網線的設計考慮因素較多，其參數值的選擇具有較大的隨機性，如管線材質、地形結構、接口抗震力與變形量、工程施工方式等。從管道接口變形界限來說，給排水系統管線抗震設計，應在100~800mm范圍中選擇管徑，其中R1是管線開裂移位的極限值，R2是滲漏位移的極限值，Rk是管線接口開裂的極限抗力，具體參數詳見表2。2.2.2兩態破壞性可靠性分析。按照給排水系統抗震性能需求、實際規劃規模與可靠性原理，地震與管道作用同時存在的情況下，設系統管道的瞬時狀態函數定義為：Z=f（R,S）=R–S設定管道的接口處破壞變形為可靠性指標，系統管道的完好狀態極限方程可表示為：Zn=R2–Sn式中：R2為滲漏位移的極限；Sn為管道接口變形。根據以上公式，可得出管道受到破壞的2種情況：（1）當Zn<0，則管道破壞處于滲漏狀態；（2）當Zn>0，則管道破壞處于非滲漏狀態。進而假設R、S服從正態分布，根據概率統計可知，Z同樣服從正態分布，概率密度的公式可表示為：222)(21σσusef−−=π式中：μ為隨機變量期望值；σ為隨機變量標準差。μ=μR–μS，22SR+=σσσ式中：μR–μ2為均值；σR=R2為標準差；μS為管道接口的最大變形均值；σS為管道接口的最大變形標準差。給排水系統的管網管道受到地震破壞時，管道破壞概率的計算公式可表示為：(βφ)σµφσσµ−==<∫−==∞−−−02)(2221PP)0(dxeZsnfπ式中：為標準正態分布函數；β為可靠性指標。對此，給排水管網管道在遭受到地震災害時，安全概率可表示為：=−=σµφfPP1管道遭到地震破壞的作用點如下。（1）管道連接處的錯動，常出現三彎頭、三通、閘門等連接處，出現錯動變形或集中應變。（2）管體的折斷，常出現在飾面水泥、鑄鐵管、鋼筋混凝土等管道上，特別是直徑較小的鑄鐵管或鋼管較容易出現破裂或折斷現象。（3）接頭破壞，在連續性管網的焊接處容易出現斷裂，螺栓接口處易出現松動，鑄鐵管接口的填料可能有松動、破壞等問題，這種破損現象在地震發生時最為普遍。（4）管道接口的形式。在同樣的地震作用、地質條件作用下，柔性給排水管道比剛性給排水管道的抗震性能要強，主要原因是柔性接口的給排水管道能較好地接受或承受地震導致的周圍場地應變。2.2.3系統管道網絡抗震布局與設計。（1）地質條件的選擇。給排水系統輸水與配水管網設計，應鋪設在地質情況較好的位置，應綜合考慮地基變形、滑坡、山崩、液化等情況，避免上述地形。若因抗震規劃設計，無法避免這種地形時，可根據實地情況采用加固技術、高強度管網管道、抗震接口，管道埋深前做好地質勘測，同時考慮抗震強度與地質環境設計管道的埋置深度，管道要覆蓋一定厚度的土質，以抵抗惡劣的環境與承受荷載量，避免惡劣環境對系統管道造成的強制破壞。（2）管網布局。給排水系統的管網布局要選擇合適的管網冗余度，建議采取環狀的布置方式，形成環環相扣的連通態，以便發生地震災害能實現調水功能。當前市政給排水的管線鋪設區域較大，應合理布局多個子區域，且應保證當自然災害發生時，調節給排水的水閘減少管道水量壓力，從而緩沖地震對管道的物理損害。在給排水管網布局上，考慮到主干道與分區功能，減少地震發生時的斷水面積，進而減少災后管網建設工作，及時恢復給水需求。（3）管網管道的設計。給排水管道設計中，減少管道垂直或水平的急轉彎方向設計，避免地震災害破壞力強度過大造成的外界地震作用與管道內部水壓形成的雙重作用下的損壞，可根據管網設計規模，合理選擇一定的弧度，能在地震發生時有充足的管道變量。對此，地下銜接處管道應能承受一定變形量，避免管網出現物理性破損而造成整體癱瘓。在管道上可間隔適當距離設置一個或若干個自控裝置，進而預備在地震發生時，能通過切斷閥門減輕水量壓力。

3結束語

綜上所述，給排水管線埋地接口處最容易受到地震的破壞影響，若在接口處安裝疊層的橡膠作為起隔震作用的支座，管道與支座材料之間用多邊形的鋼板、螺栓連接方式等，便可削弱地震破壞應力，再加上在隔震層鋪設砂土方式，實現減震的效果。本文提出城市給排水系統抗震規劃設計中，可通過分析抗震可靠性指標，立足于管線埋線的地質與布局條件，對管網抗震功能進行勘測地質、布局管線與抗震設計，進而增強給排水系統的抗震功能，減少因災害不可抗力帶來的損失。

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作者:閆彬 單位:中國建筑第七工程局有限公司