摘要：根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害引起的燃?xì)夤芫€事故分析，結(jié)合北京地質(zhì)條件與國內(nèi)外燃?xì)夤芫€防災(zāi)減災(zāi)的先進(jìn)辦法。從燃?xì)庠O(shè)施規(guī)劃選址、管線改造和建設(shè)加強(qiáng)保護(hù)措施、分區(qū)域獨(dú)立控制、防災(zāi)減災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)建立方面論述了城市天然氣管網(wǎng)地質(zhì)災(zāi)害的防范。
關(guān)鍵詞：城市燃?xì)?；防?zāi)減災(zāi)；地質(zhì)災(zāi)害；抗震措施
Study of Geological Disaster Prevention in Beijing Natural Gas Network
Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture Du Xueping，Liu Rong
Beijing Gas Group Liu Yan，Zhi Xiaoye
Abstract：According to the analysis about gas pipeline accident caused by geological disasters，combining with geological conditions in Beijing and advanced disaster prevention at home and abroad，we elaborated on city natural gas pipeline geological disaster prevention in natural gas facilities planning and site selection，strengthen protection measures in conversion and new construction pipeline，sub-regional independent control，and establishment of disaster prevention and mitigation monitoring system.
Keywords：city natural gas；disaster prevention and mitigation；geological disasters；anti-seismic measures
1 引言
? ??“5·12”汶川大地震導(dǎo)致了大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，給當(dāng)?shù)啬酥寥珖慕?jīng)濟(jì)、社會(huì)造成了極大的影響。地震引發(fā)了大量的滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。初步統(tǒng)計(jì)，地質(zhì)災(zāi)害多達(dá)12000多處，潛在隱患點(diǎn)近8700處，部分城市基礎(chǔ)實(shí)施破壞相當(dāng)嚴(yán)重，燃?xì)庠O(shè)施也有不同程度的損壞。
? ??城市天然氣管網(wǎng)在震中極易損壞，泄漏引發(fā)的大火往往成為最嚴(yán)重的次生災(zāi)害。北京市約有11000km天然氣輸配管道，一旦發(fā)生意外將會(huì)造成不可估量的損失。只有未雨綢繆，切實(shí)做好規(guī)劃，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，才能將災(zāi)害損失降到最低限度。
2 北京地質(zhì)災(zāi)害
??? 北京市位于華北平原西北隅，燕山山脈和太行山山脈銜接部位[1]，其特殊的自然條件和強(qiáng)烈的人類活動(dòng)，易發(fā)育多種地質(zhì)災(zāi)害。1949年以來，北京地區(qū)泥石流、崩(滑)塌、采礦塌陷3類地質(zhì)災(zāi)害已造成600余人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元。北京具有災(zāi)種多、災(zāi)害頻發(fā)和群發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，地質(zhì)災(zāi)害除造成人員傷亡和建筑物破壞外，還可毀壞、破壞景觀，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。
??? 北京及周邊地區(qū)經(jīng)歷多次地震，歷史上北京曾遭受幾次嚴(yán)重地震災(zāi)害。自有史記載以來，北京地區(qū)曾遭受有感地震592次，其中地震用表面波的強(qiáng)度Ms≧4.75有67次(1976年7月28日唐山地震止)。1679年9月2日平谷-三河8級(jí)地震是有記載以來對(duì)北京地區(qū)造成破壞最為嚴(yán)重的地震，10萬人在這次地震中傷亡[1]。
??? 除地震強(qiáng)度外，液化也是破壞埋地管道的一個(gè)重要因素。砂土液化是由地震引起的使土壤呈現(xiàn)液態(tài)泥狀現(xiàn)象閉。砂土液化具有重復(fù)性，歷史地震所導(dǎo)致的砂土液化的分布范圍和特征可為今后的城市規(guī)劃和工程建設(shè)提供有力的參考[1]。唐山大地震在北京地區(qū)所造成的砂土液化的分布范圍很廣，幾乎涉及到了整個(gè)北京平原區(qū)[1]。
??? 由于過量開采地下水，我國多個(gè)城市出現(xiàn)地面沉降，地面沉降也是北京平原區(qū)主要災(zāi)害之一。1999年-2005年近6年來北京地面沉降面積的年均增加速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于以往的45年，2005年沉降速率是20世紀(jì)80年代的2倍～3倍，也是北京有監(jiān)測資料以來最快的時(shí)期，且遠(yuǎn)大于上海、天津、滄州等沉降嚴(yán)重區(qū)同期的年沉降率[1]。平原地區(qū)地面沉降面積不斷擴(kuò)大，已由20世紀(jì)80年代2個(gè)沉降區(qū)，增加為5個(gè)主要沉降區(qū)(圖1)，沉降區(qū)造成局部線路、管線變形破壞，建筑地基下沉等[1]。
??? 近代以來，由于人類大量抽取地下水和進(jìn)行采礦等活動(dòng)，出現(xiàn)了一系列因人為活動(dòng)所引起的地裂縫[1]。根據(jù)近幾年的調(diào)查資料顯示，目前北京地區(qū)發(fā)現(xiàn)的對(duì)城市建設(shè)有較大影響的地裂縫為順義地裂縫、高麗營地裂縫、北小營地裂縫和葦溝地裂縫(圖1)，均分布在平原區(qū)地面沉降較為發(fā)育地帶，與斷裂構(gòu)造有著密切關(guān)系[1]。地裂縫已造成建筑物開裂變形，對(duì)城鎮(zhèn)建設(shè)造成了極大的影響。
??? 近年來城市工程建設(shè)地面塌陷時(shí)有發(fā)生，由于城市建設(shè)實(shí)施的大量地下工程，如市政管線工程、地鐵工程等都位于平原松散地層中，這些工程擾動(dòng)了地下土體，機(jī)械施工震動(dòng)、地下空間開挖、人工土石置換、開挖回填不實(shí)等都會(huì)導(dǎo)致土層結(jié)構(gòu)變化和地應(yīng)力發(fā)生改變，在局部地帶形成空洞或土層疏松等不穩(wěn)定空間。不穩(wěn)定空間上部土體在雨、地表水、各類滲水和外部震動(dòng)的作用下，不斷坍塌，致使不穩(wěn)定空間不斷擴(kuò)大，最終發(fā)展到地表，形成地表陷落[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，北京市近幾年發(fā)生影響較大的地表陷落50余起，其中一半發(fā)生在地下管線工程建設(shè)較多的朝陽區(qū)[1]。
? ??北京震害分布的總趨勢(shì)是東部重，西部輕，平原重，山區(qū)輕。市區(qū)為松散的沉積物平原，人為和自然原因共同作用加劇了市區(qū)地裂縫、地面沉降、地表陷落等城市地質(zhì)災(zāi)害。
3 世界部分地區(qū)城市燃?xì)庠O(shè)施地質(zhì)災(zāi)害防范措施
環(huán)太平洋地震帶集中了全球80%以上的淺源地震和幾乎全部的中源地震和深源地震，表1所示為20世紀(jì)80年代以來各大地震對(duì)供氣系統(tǒng)的影響。
表1 20世紀(jì)80年代以來各大地震對(duì)供氣系統(tǒng)的影響[3～5]
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發(fā)生年代 | 發(fā)生地點(diǎn) | 對(duì)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的影響 | 地震引起的火災(zāi) | 燃?xì)鈱?dǎo)致的火災(zāi) |
1985 | 墨西哥墨西哥市 | 400余處煤氣管網(wǎng)的中壓管線破壞 | 引起了市區(qū)的火災(zāi) |
1989 | 美國Loma Prieta | 1000余戶城市供氣系統(tǒng)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象 | 67 | 16 |
1994 | 美國Northridge | 供氣系統(tǒng)出現(xiàn)1 500多處的漏氣現(xiàn)象 | 97 | 54 |
1995 | 日本神戶 | 主干供氣線路破壞5190處 | 205 | 36 |
2002 | 中國臺(tái)灣“311” | 應(yīng)用SUPREME系統(tǒng)及時(shí)關(guān)斷，管線最終只有少量泄漏，未導(dǎo)致火災(zāi) |
? ??美國加州地震安全委員會(huì)[5]的研究表明天然氣泄漏是導(dǎo)致地震火災(zāi)的主要原因，過去的地震火災(zāi)中大約有20%～50%與燃?xì)庑孤┯嘘P(guān)。震害發(fā)生時(shí)往往因?yàn)闃?gòu)筑物的損壞首先殃及用戶側(cè)的中、低壓管道，所以管徑較小的輸送管道受損率更高，這也直接威脅著居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。采取相應(yīng)的措施可降低風(fēng)險(xiǎn)，但這有賴于用戶的選擇和投入。
??? 東京瓦斯公司截止2007年共有1010萬用戶，總管線長度為50800km。覆蓋東京及其附近地區(qū)31OOkm2。管網(wǎng)壓力分為4級(jí)，最新的SUPREME(super-dense real-time monitoring of earthquakes)超密集實(shí)時(shí)地震監(jiān)測系統(tǒng)，采用地震測示儀和切斷閥門聯(lián)動(dòng)，以保障低壓管線供應(yīng)安全。在31OOkm2供氣區(qū)域內(nèi)，共有3800個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，平均每個(gè)監(jiān)測站監(jiān)測0.9km2，監(jiān)控中心通過計(jì)算機(jī)下達(dá)切斷命令，傳感器與監(jiān)控中心之間通過無線網(wǎng)絡(luò)和普通電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信號(hào)傳輸[3]。
??? 臺(tái)北燃?xì)夤居?span>32萬燃?xì)庥脩簦捎昧巳毡維UPREME系統(tǒng)[3]，共安裝了31個(gè)新式傳感器，利用租用的無線電話線路遙測，在1999年臺(tái)灣集集地震和2002年的311大地震中。SUPREME系統(tǒng)都發(fā)揮了作用[3、6]。
4 地質(zhì)災(zāi)害引起的管道事故分析
??? 美國、歐洲和加拿大等國家建立了相應(yīng)的管道事故數(shù)據(jù)庫[7]，歐洲燃?xì)夤艿赖刭|(zhì)災(zāi)害引起的管道事故各破裂模式發(fā)生比例，分別為斷裂50%、孔30%、微孔/裂紋20%[8]。由此可知，地質(zhì)災(zāi)害引起的燃?xì)夤艿朗鹿室詳嗔褳橹鳌?/span>
??? 美國石油學(xué)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)API 581提供了燃?xì)獍l(fā)生泄漏后各種表現(xiàn)形式的概率[9]，燃?xì)獍l(fā)生泄漏后有80%可以安全排放，有20%會(huì)造成事故。
??? 燃?xì)庑孤?、擴(kuò)散及爆炸是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，但泄漏量無疑是事故危害程度的最主要參數(shù)。
??? 氣態(tài)燃?xì)庑孤┝靠蓮牟匠掏茖?dǎo)得到，燃?xì)庑孤┑馁|(zhì)量流量與其流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。
??? 
P0，環(huán)境壓力，Pa；
P，容器內(nèi)介質(zhì)壓力。Pa；
Q，燃?xì)庑孤┑馁|(zhì)量流量，kg/s；
Cdg，氣體泄漏系數(shù)，與泄漏口形狀有關(guān)，泄漏口為圓形時(shí)取1.0，三角形時(shí)取0.9，長方形時(shí)取0.9。漸縮孔取0.9～1.0，漸擴(kuò)孔取0.6～0.9，管道完全斷裂取1.0；
??? A，泄漏口的面積，m2；
??? k，氣體絕熱指數(shù)(定壓比熱與定容比熱之比)，甲烷(多原子氣體)取1.29；
??? M，分子量，甲烷16；
??? R，氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K)；
T，氣體溫度，288K(15℃)。
?
利用以上公式可計(jì)算出一定漏氣面積，在不同管線壓力下的泄漏量。大量的資料表明，低壓管網(wǎng)破壞率遠(yuǎn)高于高壓管網(wǎng)。如1995年日本阪神大地震，神戶市燃?xì)夤艿栏邏汗芑疚磯模袎汗苡?6處破壞，低壓管損壞21647處[11]。美國加州地震安全委員會(huì)的研究表明低壓燃?xì)夤艿赖钠茡p率遠(yuǎn)高于高、中壓管道。北京市低壓管道壓力(相對(duì)壓力)一般為2kPa左右，當(dāng)直徑為100mm管道破裂時(shí)。其泄漏量計(jì)算結(jié)果如下：
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Cdg=1.0，管道斷裂泄漏口近似為圓口；A=πd2/4=0.00785m2，低壓管道斷裂后從裂口一側(cè)漏氣，管內(nèi)徑0.1m為泄漏口的當(dāng)量直徑：
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??? 折合為10min體積泄漏量為8232m3，由上式可計(jì)算出當(dāng)管徑分別為80mm、150mm、200mm，管道破裂10min氣體泄漏量分別為5264m3、18520m3、32928m3。此結(jié)果說明，即時(shí)是低壓管線的斷裂，泄漏量也很大，其危險(xiǎn)性是不言而喻的。
