城市供水管网系统震害分析
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摘要
摘 要
我国是地震多发国家，有很多大中城市位于地震带上，并且未来几年仍处
于强震活跃期，发生 7 级左右甚至更大地震的可能性很大。但是，作为生命线
工程之一的城市供水管网系统有很多没有经过正规的抗震设计，因此对供水管
网系统进行震害分析具有十分重要的现实意义。
在重点分析我国和美国相应研究成果的基础上，本文研究开发了一套功能
比较完善的供水管网系统震害分析和功能评价软件。该软件的功能主要包括以
下几个方面：
1)埋地管道震害分析。以管道接头作为其破坏的主要模式，考虑管一土
相互作用建立管道震害分析模型；关于地震动输入，采用了设定地震的概念，
以使管网系统震害分析更接近于实际震害趋势。
2)管网系统的连通性分析。对管网进行连通性搜索，剔除孤点和孤立连
通域，找出有效的连通网络。
3)管网系统的拓扑分析。搜索管网系统，提取管网有效连通网络的拓扑
信息。
4)管网系统的水力分析。结合前面三部分的分析结果，找出管网系统新
的水力平衡关系。
5)管网系统的负压节点分析。在进行水力分析后，可能出现某些节点计
算压力为负值的情况，此时需根据实际情况对其进行适当的处理。
6)管网系统的功能分析。以水压和流量为指标，对震后管网系统的服务
能力进行评价。
China is an earthquake prone country, and there are many medium-sized cities
and big-sized cities located in seismic area.and strong earthquake is active in next
years,M7 and even more stronger earthquake may occur. However,water supply
system,as one of lifeline system,many were not designed for earthquake, so to analyse
the aseismic abilities of the water supply system is significant.
This paper analyse the research results in China and USA emphasisly, then
develop a software which analyse the seismic damages of buried pipeline and the
functionality loss of the water supply system after an earthquake. In the software,
following main subjects are analyzed:
1) The seismic damage to the buried pipelines due to earthquake. In this paper,
the damage of the pipeline joint is the main damage pattern, established the pattern of
pipeline-soil interaction. The input earthquake is scenario earthquake, thus the results
may be closer to the true trend.
2) The connectivity analysis of the pipe network.To eliminate the acnodes and
the isolated network, and then to get the linked effective network.
3) The topology analysis of the pipe network. To get the topology information of
pipe network through network analizing and searching.
4) The flow analysis of the pipe network. To combine the results of proceeding
three parts to get the new flow balance of the pipe network.
5) Dealing with the negative pressure nodes in the pipe network. If some nodes
do not satisfy the equilibrium conditions of water head or flow conditions, take order
with the pipelines which connected with them.
6) The functionality analysis of the pipe network. Using the water head and the
water flow at the node as index to evaluate the functionality of the pipe network after
an earthquake.
我国是地震多发国家，有很多大中城市位于地震带上，并且未来几年仍处
于强震活跃期，发生 7 级左右甚至更大地震的可能性很大。但是，作为生命线
工程之一的城市供水管网系统有很多没有经过正规的抗震设计，因此对供水管
网系统进行震害分析具有十分重要的现实意义。
在重点分析我国和美国相应研究成果的基础上，本文研究开发了一套功能
比较完善的供水管网系统震害分析和功能评价软件。该软件的功能主要包括以
下几个方面：
1)埋地管道震害分析。以管道接头作为其破坏的主要模式，考虑管一土
相互作用建立管道震害分析模型；关于地震动输入，采用了设定地震的概念，
以使管网系统震害分析更接近于实际震害趋势。
2)管网系统的连通性分析。对管网进行连通性搜索，剔除孤点和孤立连
通域，找出有效的连通网络。
3)管网系统的拓扑分析。搜索管网系统，提取管网有效连通网络的拓扑
信息。
4)管网系统的水力分析。结合前面三部分的分析结果，找出管网系统新
的水力平衡关系。
5)管网系统的负压节点分析。在进行水力分析后，可能出现某些节点计
算压力为负值的情况，此时需根据实际情况对其进行适当的处理。
6)管网系统的功能分析。以水压和流量为指标，对震后管网系统的服务
能力进行评价。
China is an earthquake prone country, and there are many medium-sized cities
and big-sized cities located in seismic area.and strong earthquake is active in next
years,M7 and even more stronger earthquake may occur. However,water supply
system,as one of lifeline system,many were not designed for earthquake, so to analyse
the aseismic abilities of the water supply system is significant.
This paper analyse the research results in China and USA emphasisly, then
develop a software which analyse the seismic damages of buried pipeline and the
functionality loss of the water supply system after an earthquake. In the software,
following main subjects are analyzed:
1) The seismic damage to the buried pipelines due to earthquake. In this paper,
the damage of the pipeline joint is the main damage pattern, established the pattern of
pipeline-soil interaction. The input earthquake is scenario earthquake, thus the results
may be closer to the true trend.
2) The connectivity analysis of the pipe network.To eliminate the acnodes and
the isolated network, and then to get the linked effective network.
3) The topology analysis of the pipe network. To get the topology information of
pipe network through network analizing and searching.
4) The flow analysis of the pipe network. To combine the results of proceeding
three parts to get the new flow balance of the pipe network.
5) Dealing with the negative pressure nodes in the pipe network. If some nodes
do not satisfy the equilibrium conditions of water head or flow conditions, take order
with the pipelines which connected with them.
6) The functionality analysis of the pipe network. Using the water head and the
water flow at the node as index to evaluate the functionality of the pipe network after
an earthquake.
引文
1. 沈聚敏、周锡元等，《抗震工程学》，中国建材工业出版社，2000.12:7~44
2. 谢志平、谢宇 《给水工程抗震和震后给水》，地震出版社 1996.4:1~95
3. 何军，申请同济大学博士学位论文《生命线工程网络系统抗震可靠度分析方法研
究》，同济大学土木工程学院建筑工程系 2002.3:12~25
4. 陈伶俐，申请同济大学博士学位论文《城市供水管网系统抗震功能可靠度性能与
优化》，同济大学土木工程学院建筑工程系，2002.4:5~10
5. 高惠瑛，工学博士学位论文《基于 GIS 供水系统地震反应分析》，中国地震局工
程力学研究所，2000.3:1~9
6. 候忠良等，《地下管线抗震》，学术书刊出版社，1990:35~68
7. 韩阳，申请工学博士学位论文《城市地下管网系统的地震可靠性研究》，大连理工
大学土木工程学院，2002.7:1~64
8. 姜建华、李素贞、李杰，基于 GIS 的城市生命线工程地震反应仿真研究——以上
海市供水系统为例，灾害学 2001 年 3 月第 6 卷第 1 期:18~22
9. 李小军，赵凤新，胡聿贤，1997，空间相关地震动场模拟的研究，地震学报，
Vol.19,2:212-215
10. 符圣聪，用于埋管抗震设计计算的地面位移和地基反力系数，中国建筑科学研究
院研究报告，No3-1,1987:125~134
11. 住友恒，地震に ょ る引起的配水管被害のソツシ分析，水道协会杂志，第 572
号，1982 年 5 月:13~20
12. 王东玮，地下管线震害预测初探，郑州工学院学报，第 12 卷 1 期，1991 年:32~42
13. 北京市市政设计院，室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范及编制说明，
1984:966~968
14. 韩阳,城市给水管网的震害研究，北京市政工程研究院研究报告，1987 年 7
月:186~201
15. 韩阳、孙绍平，“地下管道抗震分析中的若干参数[J]，特种结构，16（3），
14-16.1997:17~21
16. 韩阳，“用对偶理论求网络可靠度的下界解[J],华北水利水电学院学报，
VOL.21,No.3,2000:77-80
17. 赵成刚，地震波作用下地下管道的模糊随机反应和可靠性分析，结构介质相互理
论及其应用，和海出版社，1993:98~105
18. 孙绍平，“国内外生命线地震工程的研究概况”，地震工程动态，1984 年第 1
- 76 -
参考文献
期:14~18
19. 谢宁、叶燎原等，“地下管网可靠性分析”，工程抗震 1996 年 9 月第 3 期:5~8
20. 焦国梁，北京市市政工程研究所研究生论文《城市给水管网地震可靠性研究分析》，
1988 年 8 月:10~25
21. 高小旺、李荷等，“供水系统抗震设防标准的研究”，建筑科学 1999 年第 15 卷
第 4 期:32~37
22. 李亦刚，中国地震局地质研究所硕士学位论文《城市生命线工程网络系统地震灾
害对策综合研究》，2000 年 6 月:15~30
23. 王小菊，昆明理工大学硕士学位论文 《城市给水管网震害预测》，2001 年 4
月:48~68
24. 孙荛，重庆大学硕士学位论文 《生命线工程震害损失评估及抗震减灾对策研究》，
2001 年 11 月:8~12
25. 韩阳，郑州市供水管网震害预测报告，郑州市城市灾害预测报告之四，
1990:222~245
26. 佟恩宠等执笔，唐山大地震天津市工程震害，第一版，天津科技出版社， 1984
年 9 月:328~350
27. 唐山市自来水公司，北京市政研究所，唐山市给水设施震害调查，1976 年 11
月:202~230
28. 熊占路、林惠杰，大同市供水系统震害分析，国家地震局工程力学研究所，1990
年:75~90
29. 城市公用设施抗震设计规范编制组，辽宁海城、营口地震城市公用设施震害调查
报告，1975 年:33~45
30. 北京市市政工程设计研究总院、北京市煤热设计院 《室外给水排水和燃气热力工
程抗震设计规范》2003 年:196~205
31. 李杰等，大型电力网络系统抗震可靠性分析，哈尔滨建筑大学学报，2002 年第 1
期:24~31
32. 郭星全等，设定地震的分类及其确定方法，西北地震学报，1999 年 3 月:14~19
33. 韩阳，许昌市供水管网震害预测报告，化工部抗震防灾研究中心研究报告，1994
年：208~255
34. 孙绍平、韩阳，生命线地震工程研究评述，新世纪地震工程与防灾减灾，北京：
地震出版社，2002 年：324~331
35. 王朝瑞，图论（第三版），北京理工大学出版社，2001 年 11 月：1~23
36. 赵洪滨，给水管网系统理论与分析，中国建材工业出版社，2003 年 9 月:33~120
37. 赵成刚、冯启民等，生命线地震工程，地震出版社，1994 年:35~90
- 77 -
北京工业大学工学硕士学位论文
38. Ariman,T.,and Muleski,G.E.,A Review of the Response of Buried Pipeline Under
Seismic Excitations,Int.J.of Earthquake Engineering Structural
Dynamics.,Vol.9,1981:15~20
39. L.R.L.Wang,Yaw-Huei Yeh,Damage Behavior Statistics of Lifeline Systems Around
the World During Earthquakes,April,1983:20~26
40. HOWARD H.M.Hwang,Xiyuan Zhou,Yuxian Hu,and Masanobu Shinozuka,
Comparison of American and Chinese Methodologies for Evaluation Seismic
Performance of Water Delivery Systems,1997:1~97
41. Hendrickson,C.,kufert,D.,and Oppenheim,I.,Water System Network Analysis Under
Seismic Hazard:80-c2/PVP-62,ASME.Pressure Vessel and Piping Technology
Conference,San Francisco,August.1980:12~18
42. Kameda,H.,Goto,H.,供水管网的功能和地震危险性分析，地下管道地震危险性分析
资料集，北京市政工程研究所，1983 年 6 月:128~217
43. Toki,K.,and Sato,T.,Estimation of Damage of Water Ditribution Systems by
Earthquakes,Recent Advance in Lifeline Earthquake Engineering in
Japan,ASME,1980:89~96
44. Shinozuka.M.,and Koike,T.,Estimation of Damage of Structural Strains in
Underground Lifeline Pipes,Technical Report
No.NSF-PER-78-15049-CU-4,1979:32~41
45. Kubo,K.,and Katayama,T.,Survey on Due to Earthquake,Tokyo Metropolitian Disaster
Prevention Congress,Gonvernor’s Office,the Metropolitian Government of
Tokyo,1974:44~58
46. Newmark,N.M.,Seismic Design Criteria for Structures and Facilities,Tans-Alaska
Pipeline System,Proceedings U.S.National Conference on Earthquake
Engineering,EERT 1975.:50~70
47. Leon Ru-Liang Wang,Seismic Evaluation Model for Buried Lifelines,Lifeline
Earthquake Engineering,The Current State of Knowledge, 1981:335-347
48. HOWARD H.M.Hwang and Huijie Lin, GIS-BASED EVALUATION OF SEISMIC
PERFORMANCE OF WATER DELIVERY SYSTEMS, Center for Earthquake
Research and Information The University of Memphis Campus Box 526590
Memphis,TN 38152-6590,1997:1~110
49. K.Toki,Y.Fukumori,M.Sako,Recommended Pratice for Earthquake Resistant Design of
High Pressure Gas Pipeline,1995:25~36
50. Kennedy,R.P.,Cnow,A.W.,Williamson,R.A.,Fault Movement Effects on Buried Oil
- 78 -
参考文献
Pipeline,J.of Transp.Engineering,ASCE,1997:617~633
51. Wang,L.R.L.,Role and Development of Soil Parameters for Seismic Response of
Buried Lifelines,PVP-Vol77,ASME,312-321,1983:10~16
52. Takada Shiro,Hassani Nemat and Fukuda Katsumi.A New Proposal for Simplified
Design on Buried Steel Pipes Crossing Active Faults,Journal of Structural Mechanics
and Earthquake Engineering,JSCE,2001,668(54):187~194
53. 刘爱文，申请博士学位论文《基于壳模型的埋地管线抗震分析》，中国地震局地球
物理研究所，2002 年:64~80
54. Yeh,Y.H.,Wang,L.R.L.,Combined Effects of Soil Liquefaction and Ground
Displacement of Buried Pipelines,PVP-Vol.98-4.1985:43~51
55. 冯德益，地震波理论与应用，地震出版社，1988 年:34~46
56. 日本建设省建筑研究所，新耐震设计法（案），建筑研究报告 NO.79，1997 年 3
月:44~50
57. Anshel J.Schiff,The Loma Prieta,California,Earthquake of October
17,1989—Lifelines,USGS Professional paper 1552-A,1998:
58. Shinozuka.M.,and Koike,T.,Estimation of Damage of Structural Strains in
Underground Lifeline Pipes, Technical Report
No.NSF-PER-78-15049-CU-4,1979:64~80
59. Kubo,K.,and Katayama,T.,Survey on Due to Earthquake,Tokyo Metropolitian Disaster
Prevention Congress,Gonvernor’s Office,the Metropolitian Government of
Tokyo,1974:12~18
60. The Chi-chi ,Taiwan Earthquake of September 21,1999:Reconnaissance
Report,MCEER,2000:452~478
61. M.Shinozuka,S.E.Chang,R.T.Eguchi,S.P.Abrams,Howard H._M. Hwang,Asam Rose,
Advances in Earthquake Loss Estimation and Application to
Memphis,Tennessee,1997:32~38
62. 周锡元等，工程场地地震危险性分析分析方法的研究，中国建筑科学研究院建筑
科学研究报告，NO3-1,1987:324~335
2. 谢志平、谢宇 《给水工程抗震和震后给水》，地震出版社 1996.4:1~95
3. 何军，申请同济大学博士学位论文《生命线工程网络系统抗震可靠度分析方法研
究》，同济大学土木工程学院建筑工程系 2002.3:12~25
4. 陈伶俐，申请同济大学博士学位论文《城市供水管网系统抗震功能可靠度性能与
优化》，同济大学土木工程学院建筑工程系，2002.4:5~10
5. 高惠瑛，工学博士学位论文《基于 GIS 供水系统地震反应分析》，中国地震局工
程力学研究所，2000.3:1~9
6. 候忠良等，《地下管线抗震》，学术书刊出版社，1990:35~68
7. 韩阳，申请工学博士学位论文《城市地下管网系统的地震可靠性研究》，大连理工
大学土木工程学院，2002.7:1~64
8. 姜建华、李素贞、李杰，基于 GIS 的城市生命线工程地震反应仿真研究——以上
海市供水系统为例，灾害学 2001 年 3 月第 6 卷第 1 期:18~22
9. 李小军，赵凤新，胡聿贤，1997，空间相关地震动场模拟的研究，地震学报，
Vol.19,2:212-215
10. 符圣聪，用于埋管抗震设计计算的地面位移和地基反力系数，中国建筑科学研究
院研究报告，No3-1,1987:125~134
11. 住友恒，地震に ょ る引起的配水管被害のソツシ分析，水道协会杂志，第 572
号，1982 年 5 月:13~20
12. 王东玮，地下管线震害预测初探，郑州工学院学报，第 12 卷 1 期，1991 年:32~42
13. 北京市市政设计院，室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范及编制说明，
1984:966~968
14. 韩阳,城市给水管网的震害研究，北京市政工程研究院研究报告，1987 年 7
月:186~201
15. 韩阳、孙绍平，“地下管道抗震分析中的若干参数[J]，特种结构，16（3），
14-16.1997:17~21
16. 韩阳，“用对偶理论求网络可靠度的下界解[J],华北水利水电学院学报，
VOL.21,No.3,2000:77-80
17. 赵成刚，地震波作用下地下管道的模糊随机反应和可靠性分析，结构介质相互理
论及其应用，和海出版社，1993:98~105
18. 孙绍平，“国内外生命线地震工程的研究概况”，地震工程动态，1984 年第 1
- 76 -
参考文献
期:14~18
19. 谢宁、叶燎原等，“地下管网可靠性分析”，工程抗震 1996 年 9 月第 3 期:5~8
20. 焦国梁，北京市市政工程研究所研究生论文《城市给水管网地震可靠性研究分析》，
1988 年 8 月:10~25
21. 高小旺、李荷等，“供水系统抗震设防标准的研究”，建筑科学 1999 年第 15 卷
第 4 期:32~37
22. 李亦刚，中国地震局地质研究所硕士学位论文《城市生命线工程网络系统地震灾
害对策综合研究》，2000 年 6 月:15~30
23. 王小菊，昆明理工大学硕士学位论文 《城市给水管网震害预测》，2001 年 4
月:48~68
24. 孙荛，重庆大学硕士学位论文 《生命线工程震害损失评估及抗震减灾对策研究》，
2001 年 11 月:8~12
25. 韩阳，郑州市供水管网震害预测报告，郑州市城市灾害预测报告之四，
1990:222~245
26. 佟恩宠等执笔，唐山大地震天津市工程震害，第一版，天津科技出版社， 1984
年 9 月:328~350
27. 唐山市自来水公司，北京市政研究所，唐山市给水设施震害调查，1976 年 11
月:202~230
28. 熊占路、林惠杰，大同市供水系统震害分析，国家地震局工程力学研究所，1990
年:75~90
29. 城市公用设施抗震设计规范编制组，辽宁海城、营口地震城市公用设施震害调查
报告，1975 年:33~45
30. 北京市市政工程设计研究总院、北京市煤热设计院 《室外给水排水和燃气热力工
程抗震设计规范》2003 年:196~205
31. 李杰等，大型电力网络系统抗震可靠性分析，哈尔滨建筑大学学报，2002 年第 1
期:24~31
32. 郭星全等，设定地震的分类及其确定方法，西北地震学报，1999 年 3 月:14~19
33. 韩阳，许昌市供水管网震害预测报告，化工部抗震防灾研究中心研究报告，1994
年：208~255
34. 孙绍平、韩阳，生命线地震工程研究评述，新世纪地震工程与防灾减灾，北京：
地震出版社，2002 年：324~331
35. 王朝瑞，图论（第三版），北京理工大学出版社，2001 年 11 月：1~23
36. 赵洪滨，给水管网系统理论与分析，中国建材工业出版社，2003 年 9 月:33~120
37. 赵成刚、冯启民等，生命线地震工程，地震出版社，1994 年:35~90
- 77 -
北京工业大学工学硕士学位论文
38. Ariman,T.,and Muleski,G.E.,A Review of the Response of Buried Pipeline Under
Seismic Excitations,Int.J.of Earthquake Engineering Structural
Dynamics.,Vol.9,1981:15~20
39. L.R.L.Wang,Yaw-Huei Yeh,Damage Behavior Statistics of Lifeline Systems Around
the World During Earthquakes,April,1983:20~26
40. HOWARD H.M.Hwang,Xiyuan Zhou,Yuxian Hu,and Masanobu Shinozuka,
Comparison of American and Chinese Methodologies for Evaluation Seismic
Performance of Water Delivery Systems,1997:1~97
41. Hendrickson,C.,kufert,D.,and Oppenheim,I.,Water System Network Analysis Under
Seismic Hazard:80-c2/PVP-62,ASME.Pressure Vessel and Piping Technology
Conference,San Francisco,August.1980:12~18
42. Kameda,H.,Goto,H.,供水管网的功能和地震危险性分析，地下管道地震危险性分析
资料集，北京市政工程研究所，1983 年 6 月:128~217
43. Toki,K.,and Sato,T.,Estimation of Damage of Water Ditribution Systems by
Earthquakes,Recent Advance in Lifeline Earthquake Engineering in
Japan,ASME,1980:89~96
44. Shinozuka.M.,and Koike,T.,Estimation of Damage of Structural Strains in
Underground Lifeline Pipes,Technical Report
No.NSF-PER-78-15049-CU-4,1979:32~41
45. Kubo,K.,and Katayama,T.,Survey on Due to Earthquake,Tokyo Metropolitian Disaster
Prevention Congress,Gonvernor’s Office,the Metropolitian Government of
Tokyo,1974:44~58
46. Newmark,N.M.,Seismic Design Criteria for Structures and Facilities,Tans-Alaska
Pipeline System,Proceedings U.S.National Conference on Earthquake
Engineering,EERT 1975.:50~70
47. Leon Ru-Liang Wang,Seismic Evaluation Model for Buried Lifelines,Lifeline
Earthquake Engineering,The Current State of Knowledge, 1981:335-347
48. HOWARD H.M.Hwang and Huijie Lin, GIS-BASED EVALUATION OF SEISMIC
PERFORMANCE OF WATER DELIVERY SYSTEMS, Center for Earthquake
Research and Information The University of Memphis Campus Box 526590
Memphis,TN 38152-6590,1997:1~110
49. K.Toki,Y.Fukumori,M.Sako,Recommended Pratice for Earthquake Resistant Design of
High Pressure Gas Pipeline,1995:25~36
50. Kennedy,R.P.,Cnow,A.W.,Williamson,R.A.,Fault Movement Effects on Buried Oil
- 78 -
参考文献
Pipeline,J.of Transp.Engineering,ASCE,1997:617~633
51. Wang,L.R.L.,Role and Development of Soil Parameters for Seismic Response of
Buried Lifelines,PVP-Vol77,ASME,312-321,1983:10~16
52. Takada Shiro,Hassani Nemat and Fukuda Katsumi.A New Proposal for Simplified
Design on Buried Steel Pipes Crossing Active Faults,Journal of Structural Mechanics
and Earthquake Engineering,JSCE,2001,668(54):187~194
53. 刘爱文，申请博士学位论文《基于壳模型的埋地管线抗震分析》，中国地震局地球
物理研究所，2002 年:64~80
54. Yeh,Y.H.,Wang,L.R.L.,Combined Effects of Soil Liquefaction and Ground
Displacement of Buried Pipelines,PVP-Vol.98-4.1985:43~51
55. 冯德益，地震波理论与应用，地震出版社，1988 年:34~46
56. 日本建设省建筑研究所，新耐震设计法（案），建筑研究报告 NO.79，1997 年 3
月:44~50
57. Anshel J.Schiff,The Loma Prieta,California,Earthquake of October
17,1989—Lifelines,USGS Professional paper 1552-A,1998:
58. Shinozuka.M.,and Koike,T.,Estimation of Damage of Structural Strains in
Underground Lifeline Pipes, Technical Report
No.NSF-PER-78-15049-CU-4,1979:64~80
59. Kubo,K.,and Katayama,T.,Survey on Due to Earthquake,Tokyo Metropolitian Disaster
Prevention Congress,Gonvernor’s Office,the Metropolitian Government of
Tokyo,1974:12~18
60. The Chi-chi ,Taiwan Earthquake of September 21,1999:Reconnaissance
Report,MCEER,2000:452~478
61. M.Shinozuka,S.E.Chang,R.T.Eguchi,S.P.Abrams,Howard H._M. Hwang,Asam Rose,
Advances in Earthquake Loss Estimation and Application to
Memphis,Tennessee,1997:32~38
62. 周锡元等，工程场地地震危险性分析分析方法的研究，中国建筑科学研究院建筑
科学研究报告，NO3-1,1987:324~335