摘要：根据地质灾害引起的燃气管线事故分析，结合北京地质条件与国内外燃气管线防灾减灾的先进办法。从燃气设施规划选址、管线改造和建设加强保护措施、分区域独立控制、防灾减灾监控系统建立方面论述了城市天然气管网地质灾害的防范。
关键词：城市燃气；防灾减灾；地质灾害；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”汶川大地震导致了大量的人员伤亡和经济损失，给当地乃至全国的经济、社会造成了极大的影响。地震引发了大量的滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害。初步统计，地质灾害多达12000多处，潜在隐患点近8700处，部分城市基础实施破坏相当严重，燃气设施也有不同程度的损坏。
城市天然气管网在震中极易损坏，泄漏引发的大火往往成为最严重的次生灾害。北京市约有11000km天然气输配管道，一旦发生意外将会造成不可估量的损失。只有未雨绸缪，切实做好规划，及时采取应对措施，才能将灾害损失降到最低限度。
2 北京地质灾害
北京市位于华北平原西北隅，燕山山脉和太行山山脉衔接部位[1]，其特殊的自然条件和强烈的人类活动，易发育多种地质灾害。1949年以来，北京地区泥石流、崩(滑)塌、采矿塌陷3类地质灾害已造成600余人员伤亡，经济损失达数亿元。北京具有灾种多、灾害频发和群发性强等特点，地质灾害除造成人员伤亡和建筑物破坏外，还可毁坏、破坏景观，对生态环境造成严重的影响。
北京及周边地区经历多次地震，历史上北京曾遭受几次严重地震灾害。自有史记载以来，北京地区曾遭受有感地震592次，其中地震用表面波的强度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级地震是有记载以来对北京地区造成破坏最为严重的地震，10万人在这次地震中伤亡[1]。
除地震强度外，液化也是破坏埋地管道的一个重要因素。砂土液化是由地震引起的使土壤呈现液态泥状现象闭。砂土液化具有重复性，历史地震所导致的砂土液化的分布范围和特征可为今后的城市规划和工程建设提供有力的参考[1]。唐山大地震在北京地区所造成的砂土液化的分布范围很广，几乎涉及到了整个北京平原区[1]。
由于过量开采地下水，我国多个城市出现地面沉降，地面沉降也是北京平原区主要灾害之一。1999年-2005年近6年来北京地面沉降面积的年均增加速度，远远快于以往的45年，2005年沉降速率是20世纪80年代的2倍～3倍，也是北京有监测资料以来最快的时期，且远大于上海、天津、沧州等沉降严重区同期的年沉降率[1]。平原地区地面沉降面积不断扩大，已由20世纪80年代2个沉降区，增加为5个主要沉降区(图1)，沉降区造成局部线路、管线变形破坏，建筑地基下沉等[1]。
近代以来，由于人类大量抽取地下水和进行采矿等活动，出现了一系列因人为活动所引起的地裂缝[1]。根据近几年的调查资料显示，目前北京地区发现的对城市建设有较大影响的地裂缝为顺义地裂缝、高丽营地裂缝、北小营地裂缝和苇沟地裂缝(图1)，均分布在平原区地面沉降较为发育地带，与断裂构造有着密切关系[1]。地裂缝已造成建筑物开裂变形，对城镇建设造成了极大的影响。
近年来城市工程建设地面塌陷时有发生，由于城市建设实施的大量地下工程，如市政管线工程、地铁工程等都位于平原松散地层中，这些工程扰动了地下土体，机械施工震动、地下空间开挖、人工土石置换、开挖回填不实等都会导致土层结构变化和地应力发生改变，在局部地带形成空洞或土层疏松等不稳定空间。不稳定空间上部土体在雨、地表水、各类渗水和外部震动的作用下，不断坍塌，致使不稳定空间不断扩大，最终发展到地表，形成地表陷落[1]。据不完全统计，北京市近几年发生影响较大的地表陷落50余起，其中一半发生在地下管线工程建设较多的朝阳区[1]。
北京震害分布的总趋势是东部重，西部轻，平原重，山区轻。市区为松散的沉积物平原，人为和自然原因共同作用加剧了市区地裂缝、地面沉降、地表陷落等城市地质灾害。
3 世界部分地区城市燃气设施地质灾害防范措施
环太平洋地震带集中了全球80%以上的浅源地震和几乎全部的中源地震和深源地震，表1所示为20世纪80年代以来各大地震对供气系统的影响。
表1 20世纪80年代以来各大地震对供气系统的影响[3～5]
发生年代 | 发生地点 | 对燃气供应系统的影响 | 地震引起的火灾 | 燃气导致的火灾 |
1985 | 墨西哥墨西哥市 | 400余处煤气管网的中压管线破坏 | 引起了市区的火灾 |
1989 | 美国Loma Prieta | 1000余户城市供气系统出现漏气现象 | 67 | 16 |
1994 | 美国Northridge | 供气系统出现1 500多处的漏气现象 | 97 | 54 |
1995 | 日本神户 | 主干供气线路破坏5190处 | 205 | 36 |
2002 | 中国台湾“311” | 应用SUPREME系统及时关断，管线最终只有少量泄漏，未导致火灾 |
美国加州地震安全委员会[5]的研究表明天然气泄漏是导致地震火灾的主要原因，过去的地震火灾中大约有20%～50%与燃气泄漏有关。震害发生时往往因为构筑物的损坏首先殃及用户侧的中、低压管道，所以管径较小的输送管道受损率更高，这也直接威胁着居民的生命和财产安全。采取相应的措施可降低风险，但这有赖于用户的选择和投入。
东京瓦斯公司截止2007年共有1010万用户，总管线长度为50800km。覆盖东京及其附近地区31OOkm2。管网压力分为4级，最新的SUPREME(super-dense real-time monitoring of earthquakes)超密集实时地震监测系统，采用地震测示仪和切断阀门联动，以保障低压管线供应安全。在31OOkm2供气区域内，共有3800个监测点，平均每个监测站监测0.9km2，监控中心通过计算机下达切断命令，传感器与监控中心之间通过无线网络和普通电话网络进行通信号传输[3]。
台北燃气公司有32万燃气用户，采用了日本SUPREME系统[3]，共安装了31个新式传感器，利用租用的无线电话线路遥测，在1999年台湾集集地震和2002年的311大地震中。SUPREME系统都发挥了作用[3、6]。
4 地质灾害引起的管道事故分析
美国、欧洲和加拿大等国家建立了相应的管道事故数据库[7]，欧洲燃气管道地质灾害引起的管道事故各破裂模式发生比例，分别为断裂50%、孔30%、微孔/裂纹20%[8]。由此可知，地质灾害引起的燃气管道事故以断裂为主。
美国石油学会制定的标准API 581提供了燃气发生泄漏后各种表现形式的概率[9]，燃气发生泄漏后有80%可以安全排放，有20%会造成事故。
燃气泄漏、扩散及爆炸是一个复杂的物理、化学过程，但泄漏量无疑是事故危害程度的最主要参数。
气态燃气泄漏量可从伯努利方程推导得到，燃气泄漏的质量流量与其流动状态有关。
P0，环境压力，Pa；
P，容器内介质压力。Pa；
Q，燃气泄漏的质量流量，kg/s；
Cdg，气体泄漏系数，与泄漏口形状有关，泄漏口为圆形时取1.0，三角形时取0.9，长方形时取0.9。渐缩孔取0.9～1.0，渐扩孔取0.6～0.9，管道完全断裂取1.0；
A，泄漏口的面积，m2；
k，气体绝热指数(定压比热与定容比热之比)，甲烷(多原子气体)取1.29；
M，分子量，甲烷16；
R，气体常数，8.314J/(mol·K)；
T，气体温度，288K(15℃)。
利用以上公式可计算出一定漏气面积，在不同管线压力下的泄漏量。大量的资料表明，低压管网破坏率远高于高压管网。如1995年日本阪神大地震，神户市燃气管道高压管基本未坏，中压管有96处破坏，低压管损坏21647处[11]。美国加州地震安全委员会的研究表明低压燃气管道的破损率远高于高、中压管道。北京市低压管道压力(相对压力)一般为2kPa左右，当直径为100mm管道破裂时。其泄漏量计算结果如下：
Cdg=1.0，管道断裂泄漏口近似为圆口；A=πd2/4=0.00785m2，低压管道断裂后从裂口一侧漏气，管内径0.1m为泄漏口的当量直径：
折合为10min体积泄漏量为8232m3，由上式可计算出当管径分别为80mm、150mm、200mm，管道破裂10min气体泄漏量分别为5264m3、18520m3、32928m3。此结果说明，即时是低压管线的断裂，泄漏量也很大，其危险性是不言而喻的。
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