给排水系统抗震管道设计探究

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［摘要］给排水系统由于受限于周围环境与技术水平等要素，给排水技术及其施工工艺暴露出较大问题，如防震设计处理上，存在较大的发展空间。针对市政给排水系统设计中存在的普遍性问题，从抗震技术角度，对于改进与发展给排水系统提出一些建议，以供参考。

［关键词］给排水工程；管道设计；抗震结构

市政给排水系统是城市现代化发展的基础性城市建设系统之一，对其进行科学规划的设计，对保障国民生命安全、维护居民居住环境、推动城市可持续发展具有积极的意义。现阶段，生态化城市建设成为促进城市发展的新模式，也是推动市政建设的重要战略步骤。对此，保障人民生命财产安全，维护城市发展建设，从生态化角度规划设计给排水系统的抗震功能，对城市建设而言，具有非常重要的价值。

1市政给排水设计的现存问题

1.1给排水系统处理模式的不恰当选择。城市给排水系统的规划设计，由于前期实地勘测与调查不充分，再加上系统设计倾向于集中式的给排水处理模式，管道埋深度不断加大，增加了系统管网的水泵站建设数量，提高了给排水规划建设成本。一些地区在给排水系统设计过程中，往往过于追求排水功能，大量采用封闭施工建设方式，大量水泥和钢筋的使用，加大了管道疏通难度，甚至会造成城市水浸问题。而有些城市给排水系统的规划设计中，不注重生态化功能建设，城市人工景观建设用水量较大，水资源浪费现象日益突出。1.2给排水系统缺少抗震功能。给排水系统的管网的形式是系统网络，具有覆盖面广、流域空间广、结构复杂、系统规模大等特点。现阶段，国内外给排水系统的抗震规划设计局限在管道部分的抗震，对于系统网络的整体抗震功能的研究与实践较少。抗震可靠性指标作为评估给排水系统管网的抗震性能的基础指标，未能发挥其整体性量化作用，未充分应用到管线整体布局与设计中。不仅如此，据国内外发生的地震灾害资料可知，地震对给排水系统造成的影响与破坏是巨大的，如水库坝的塌陷、剪短、滑动，系统主干道的接口断开、折断、破裂或脱落等，甚至出现大面积的损坏，严重影响供水设备与建筑的运行与安全。可以说，水资源是人们维持生命的必需资源，给排水系统应在短时间内获得修复，进而保障灾后维持正常给水。对此，给排水系统抗震规划设计与防灾工作迫在眉睫。

2给排水系统抗震规划设计应用

埋地给排水管道是该系统的基础组成部分，在整个给排水系统中承担着输水与配水的功能，经历次地震灾害调查了解到，给排水管道震后毁坏非常严重。对此，在给排水系统设计中，还应重点规划设计该系统的抗震性能，降低灾害毁坏程度，保证震后生活应急的水量输送。无论是哪种地震，对给排水系统管道所造成的非人为性破坏都是非常巨大的，应从管道抗震原理、抗震可靠性与耐久性等，借鉴建筑施工隔震原理，针对给排水管道抗震中的设计薄弱点，采取耗散系统受震能量方式，进而起到一种隔震效果。2.1输水管道的隔震设计。管道土体与输水管道之间铺设干燥的砂土，作为隔震基础层。砂土与普通土体相比具有很强的摩擦力，能消耗一些地震产生的能量。粘聚力与摩擦强度是决定砂土摩擦力的重要参数，按粒径大小，将其划分为5个种类，具体样态指标见表1。从表1数据可知，砂粒粒径最大，砂粒摩擦角较大，粘聚力较低，受到外界环境因素的影响会加重颗粒之间的摩擦力；粉砂粒径最小，摩擦力最小，但是粘聚力最大，说明颗粒间结构紧密，较容易传递地震作用力，不能较好地消耗地震能量。而中间3种砂粒，从细砂、中砂到粗砂，随着粒径增加，摩擦角逐渐增强，但聚合力逐渐减小。从3种物理指标来看，粗砂可考虑作为隔震层的原材料，能消耗掉一部分地震能量，有减震作用。2.2管网抗震可靠性的规划设计。2.2.1管网参数值的设计。管网线的设计考虑因素较多，其参数值的选择具有较大的随机性，如管线材质、地形结构、接口抗震力与变形量、工程施工方式等。从管道接口变形界限来说，给排水系统管线抗震设计，应在100~800mm范围中选择管径，其中R1是管线开裂移位的极限值，R2是渗漏位移的极限值，Rk是管线接口开裂的极限抗力，具体参数详见表2。2.2.2两态破坏性可靠性分析。按照给排水系统抗震性能需求、实际规划规模与可靠性原理，地震与管道作用同时存在的情况下，设系统管道的瞬时状态函数定义为：Z=f（R,S）=R–S设定管道的接口处破坏变形为可靠性指标，系统管道的完好状态极限方程可表示为：Zn=R2–Sn式中：R2为渗漏位移的极限；Sn为管道接口变形。根据以上公式，可得出管道受到破坏的2种情况：（1）当Zn<0，则管道破坏处于渗漏状态；（2）当Zn>0，则管道破坏处于非渗漏状态。进而假设R、S服从正态分布，根据概率统计可知，Z同样服从正态分布，概率密度的公式可表示为：222)(21σσusef−−=π式中：μ为随机变量期望值；σ为随机变量标准差。μ=μR–μS，22SR+=σσσ式中：μR–μ2为均值；σR=R2为标准差；μS为管道接口的最大变形均值；σS为管道接口的最大变形标准差。给排水系统的管网管道受到地震破坏时，管道破坏概率的计算公式可表示为：(βφ)σµφσσµ−==<∫−==∞−−−02)(2221PP)0(dxeZsnfπ式中：为标准正态分布函数；β为可靠性指标。对此，给排水管网管道在遭受到地震灾害时，安全概率可表示为：=−=σµφfPP1管道遭到地震破坏的作用点如下。（1）管道连接处的错动，常出现三弯头、三通、闸门等连接处，出现错动变形或集中应变。（2）管体的折断，常出现在饰面水泥、铸铁管、钢筋混凝土等管道上，特别是直径较小的铸铁管或钢管较容易出现破裂或折断现象。（3）接头破坏，在连续性管网的焊接处容易出现断裂，螺栓接口处易出现松动，铸铁管接口的填料可能有松动、破坏等问题，这种破损现象在地震发生时最为普遍。（4）管道接口的形式。在同样的地震作用、地质条件作用下，柔性给排水管道比刚性给排水管道的抗震性能要强，主要原因是柔性接口的给排水管道能较好地接受或承受地震导致的周围场地应变。2.2.3系统管道网络抗震布局与设计。（1）地质条件的选择。给排水系统输水与配水管网设计，应铺设在地质情况较好的位置，应综合考虑地基变形、滑坡、山崩、液化等情况，避免上述地形。若因抗震规划设计，无法避免这种地形时，可根据实地情况采用加固技术、高强度管网管道、抗震接口，管道埋深前做好地质勘测，同时考虑抗震强度与地质环境设计管道的埋置深度，管道要覆盖一定厚度的土质，以抵抗恶劣的环境与承受荷载量，避免恶劣环境对系统管道造成的强制破坏。（2）管网布局。给排水系统的管网布局要选择合适的管网冗余度，建议采取环状的布置方式，形成环环相扣的连通态，以便发生地震灾害能实现调水功能。当前市政给排水的管线铺设区域较大，应合理布局多个子区域，且应保证当自然灾害发生时，调节给排水的水闸减少管道水量压力，从而缓冲地震对管道的物理损害。在给排水管网布局上，考虑到主干道与分区功能，减少地震发生时的断水面积，进而减少灾后管网建设工作，及时恢复给水需求。（3）管网管道的设计。给排水管道设计中，减少管道垂直或水平的急转弯方向设计，避免地震灾害破坏力强度过大造成的外界地震作用与管道内部水压形成的双重作用下的损坏，可根据管网设计规模，合理选择一定的弧度，能在地震发生时有充足的管道变量。对此，地下衔接处管道应能承受一定变形量，避免管网出现物理性破损而造成整体瘫痪。在管道上可间隔适当距离设置一个或若干个自控装置，进而预备在地震发生时，能通过切断阀门减轻水量压力。

3结束语

综上所述，给排水管线埋地接口处最容易受到地震的破坏影响，若在接口处安装叠层的橡胶作为起隔震作用的支座，管道与支座材料之间用多边形的钢板、螺栓连接方式等，便可削弱地震破坏应力，再加上在隔震层铺设砂土方式，实现减震的效果。本文提出城市给排水系统抗震规划设计中，可通过分析抗震可靠性指标，立足于管线埋线的地质与布局条件，对管网抗震功能进行勘测地质、布局管线与抗震设计，进而增强给排水系统的抗震功能，减少因灾害不可抗力带来的损失。

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作者:闫彬 单位:中国建筑第七工程局有限公司