引言

地震这种造成巨大灾难的自然灾害，越来越被我们重视，尤其是在经济建设飞速发展的今天，加强防震减灾工作更为突出和紧迫[1-2]。城市供水系统的抗震设计/分析可以追溯到O’Rourke[3]的首次相关科学研究工作。在可用的技术中，地震概率安全分析（SPSA）工具[4-5]能够对加强供水管线抗震能力提供有价值的决策支持，但是该工具并没有嵌入在一个风险管理的工业文化中，如何使用SPSA方法定量预测供水管网的地震风险，以往的评估往往只是概要的方向性评估，没有准确的数字化的程度对比和分析。因此限制了其在预防地震影响的能力。

本文在对北京市工程地震及工程地质特征描述的基础上，从理论依据出发，分别建立了基于容许应变的焊接钢管地震破坏概率预测模型和承插口管道的地震破坏概率预测模型，并以北京市自来水集团供水管线为实例论述该模型的应用，旨在努力消除学术地震概率安全分析研究和供水系统工业应用之间的差距。

1.北京市区工程地震及工程地质特征

21世纪初，北京市开展了活动断层探测及地震危险性评价工作[6]，从基岩的构造背景、第四系的厚度、岩性岩相等方面，对平原区的第四纪地层进行了划分，以主要的活动断裂为分界线，划分为5个区，即昌平-高丽营区、南口-沙河区、怀柔-顺义区、北京-良乡区、通州-大兴区。具体分区图详见下页图1所示。

图1 平原区第四纪地层分区

A区：昌平-高丽营区

该区以南口—孙河断裂的西北段和黄庄—高丽营断裂的东北段为界，北部到平原与山区的分界线，由它们构成一个三角形的区域，分布在平原区的北部。

地层特点是上部填土、耕土层与下部砂砾、卵石之间普遍夹有褐色和黑色软塑流动状态淤泥，厚度1～2m，地下水埋深较浅。

地震时抗剪切力强度低，对土基建筑产生过大沉降或不均匀沉降，为抗震性能较差的天然地基。

B区：怀柔-顺义区

该区位于平原区的东北部，由南口—孙河断裂的东南段与黄庄—高丽营断裂的东北段和南苑—通县断裂的东北段所夹持的区域。

该区西部河流冲积扇形地顶部地基土为砂砾石层。排水良好，表层为1～3米粘土。东部、南部以粘土、粉细砂层为主。地下水位埋藏较深，西北部分地区地下水位较高。全区地势平坦。

地震时地基土稳定，工程地质条件最好。黄庄—高丽营断裂带从本区通过。

C区：南口-沙河区

该区位于平原区的西部，其西界为平原与山区的界限，东北以南口—孙河断裂的西北段为界，南界为黄庄—高丽营断裂的西南段。

该区为晚更新世冲洪积区，地层土有明显层理，岩性为黄、黄褐色亚粘土、砂和粉砂互层，含卵石夹层，地下水位较深，一般为3～7米。中等压缩性，地形平坦。

地震时，一般不会产生地基不稳定问题，地震工程地质条件较好，抗震性较强。

D区：北京-良乡区

该区呈北东向分布在平原区的西南部，介于南苑—通县断裂与平原的边界之间，其东北界为南口—孙河断裂。

该区由于历代建筑，土层受人工破坏严重，遍布全区有较厚的人工杂填土，及被掩没的古河、湖、海、坑，其分布不规律，土质极不均匀，压缩性不一致，还具有湿陷性，地下水位一般均大于10米，地形平坦。

本区进行工程建筑时，必须进行细密的勘察设计，注意可能引起的局部震害。

E区：通州-大兴区

该区位于平原区的东南部，南苑—通县断裂以南地区。

该区地貌为各大河流的冲积平原带，地形平坦，坡度小于1‰，地层表层分布有粘土，以下为较松散的细粉砂或轻亚粘土，工程地质条件较差，抗震性能较差。

本区在八度地震烈度时，地基可能产生液化。在工程地震设计时应注意采取措施。

2.构建供水管线地震破坏概率预测模型的理论依据

地震发生时，地震波作用在场地土上，使其各点产生相对位移，该位移通过土体传给埋地管线，使管线产生轴向变形和弯曲变形。由于弯曲应力相对较小，可在分析中忽略不计，重点研究轴向变形。

1978年，我国颁布了第一本地下管线抗震设计规范《室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范》（TJ32-78）。该规范的计算方法应用波动理论，考虑了剪切波对长直管线引起的轴应变（应力），应用半经验法，考虑了管土间的弹性相对位移，采用场地土层的平均剪切波速取代土的弹簧强度系统。研究表明，半经验法方法计算出的传递系数过小，影响结构安全。因此，2003年我国颁布《室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范》（GB-2003），简称规范法，其实质是半经验半理论的计算方法。其只考虑地震波对直埋管道的轴向应变。该方法有以下几个基本假定：（1）土壤是线弹性的，是均质的；（2）除周围土壤之外，管道没有任何其他外部支撑；（3）管道与周围土体同步变形，即管道的轴向应变等于周围土沿管道轴向的正应变；（4）地震波在传播过程中为保持波形不变的剪切波；（5）假设地震波动为正弦地震波，沿剪切波平面的土的波动位移为波动位移幅值和地震波长的函数；（6）假定地震波与管道轴向夹角为Φ。当角度为45°时，管道轴向应变值最大。当已知地震波速度时程时，可计算管道的轴向应变时程，进而可以计算给定长度管道的变形时程。当未知地震波速度峰值时，也可计算规定地震动超越概率条件下的管体变形最大值。