湯愛平,趙安平,唐立軍

(黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150080)

1 簡(jiǎn) 介

隨著全球人口增長(zhǎng)和物資、能源的快速需求,一些原本沒有被開發(fā)和利用的約占地球陸地面積50%的寒冷、極寒冷地區(qū)也開始進(jìn)入人類生產(chǎn)、生活的活動(dòng)范圍,與之相配套的基礎(chǔ)設(shè)施也得以建設(shè)。我國(guó)寒區(qū)面積約占全國(guó)總陸地面積的50%(凍結(jié)深度＞80 cm地區(qū)),其中一些寒區(qū)如黑龍江、吉林、遼寧、新疆、內(nèi)蒙古和青海等地區(qū)為國(guó)家的重要糧食、能源和工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。隨著我國(guó)西部大開發(fā)、振興東北老工業(yè)基地大戰(zhàn)略的開展,為這些地區(qū)的日常生活、生產(chǎn)等提供基本保障功能的生命線系統(tǒng)建設(shè)的規(guī)模迅猛擴(kuò)大、廣度不斷加深。所謂的生命線系統(tǒng)是指維系社會(huì)功能與區(qū)域經(jīng)濟(jì)功能的基礎(chǔ)性工程設(shè)施系統(tǒng),承擔(dān)著物資、能源、信息等輸送功能,也稱為基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng),它主要包括電力系統(tǒng)、給排水、油氣管網(wǎng)系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、醫(yī)療救護(hù)系統(tǒng)、治安維護(hù)系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)。寒區(qū)開發(fā)力度的加大,一些配套的生命線系統(tǒng)建設(shè)以前所未有的速度發(fā)展起來(lái),尤其一些具有重大歷史意義的大型生命線工程也開始建設(shè),如西氣東輸工程、青藏鐵路工程、南水北調(diào)工程、高速公路鐵路網(wǎng)建設(shè)等。由于寒區(qū)工程受季節(jié)因素影響巨大,所以一些非典型性災(zāi)害事件也影響了寒區(qū)生命線工程的建設(shè)與安全。本文主要根據(jù)21世紀(jì)以來(lái)全球寒區(qū)的生命線系統(tǒng)發(fā)生的典型災(zāi)害性事件,論述寒區(qū)電力系統(tǒng)、給排水、能源輸運(yùn)系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)等的成災(zāi)特點(diǎn),在此基礎(chǔ)上提出了目前和未來(lái)寒區(qū)生命線系統(tǒng)災(zāi)害防治的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和應(yīng)對(duì)之策,為確保健康、可持續(xù)發(fā)展的寒區(qū)生命線系統(tǒng)建設(shè)提供有力保障。

2 寒區(qū)21世紀(jì)以來(lái)造成生命線系統(tǒng)嚴(yán)重破壞的自然災(zāi)害事件

生命線系統(tǒng)的最大破壞因素是自然災(zāi)害,其中地質(zhì)災(zāi)害、氣象災(zāi)害為其首要之惡。近年來(lái),發(fā)生在全球寒區(qū)的對(duì)生命線系統(tǒng)造成巨大損害的典型災(zāi)害事件層出不窮。這里主要回顧了21世紀(jì)以來(lái)發(fā)生的典型事例。

1)2001年11月14日,中國(guó)昆侖山口8.1級(jí)地震,地震形成了462 km的地表破裂帶,青藏鐵路和公路均遭受不同程度的破壞：路基開裂、涵洞、路面翹起變形;蘭州-西寧-拉薩通信光纜拉斷;大量土壩開裂;輸油輸氣管道因斷層而發(fā)生了破壞。整個(gè)生命線系統(tǒng)損失達(dá)到4 000萬(wàn)元,占總損失的80%。

2)2003年7月,歐洲大陸熱浪事件,瑞士氣溫達(dá)到41℃(為近200 a最高),歐洲最大的阿萊奇冰川開始融化,從6～7月冰川后退5 m,部分融化的冰川引發(fā)了大量的雪崩、滑坡,導(dǎo)致道路沖毀、通信和電力設(shè)施破壞。挪威氣溫達(dá)到27℃,芬蘭達(dá)到29.8℃,多年凍土融化導(dǎo)致路基融化加劇,融化的冰川引發(fā)大水,沖毀了道路、橋梁和通信設(shè)施。英國(guó)和歐洲的鐵路因高溫而停運(yùn)或減速。

3)2007年1月中旬,美國(guó)西部、中部和東北部受暴風(fēng)雪和大幅度降溫影響,有68萬(wàn)戶家庭或商店斷電,交通中斷。65人在惡劣天氣中喪生[1]。

4)2007年1月17—18日,強(qiáng)暴風(fēng)雪 “西里爾”席卷了歐洲北部地區(qū),英國(guó)、法國(guó)、比利時(shí)、德國(guó)、荷蘭、波蘭、捷克和匈牙利等多個(gè)北歐國(guó)家遭受嚴(yán)重影響,47人死亡,導(dǎo)致大面積交通中斷,上萬(wàn)人出行受阻。此次災(zāi)害的強(qiáng)度和影響范圍以及造成的人員傷亡均為近年來(lái)北歐地區(qū)所罕見。

5)2008年1月5日～31日,西亞和東歐遭遇100年一遇暴風(fēng)雪。1月29日,巴基斯坦、以色列雪厚遭遇了暴風(fēng)雪的突襲,很多山區(qū)積雪厚1 m以上,以色列許多地區(qū)的機(jī)場(chǎng)和陸上交通都受到了很大影響。29日,耶路撒冷等地的暴風(fēng)雪致使中小學(xué)停課,市內(nèi)交通完全癱瘓。伊朗北部和中部2 d積雪厚55 cm,為伊朗10年來(lái)最大的一場(chǎng)雪。伊拉克巴格達(dá)市遭遇百年一遇的大雪,交通系統(tǒng)一度癱瘓。寒冷致使用電量增加了15倍,一些地區(qū)因此導(dǎo)致電力中斷。阿富汗全國(guó)持續(xù)普降大雪,局部地方雪深2.0 m,交通、電力、供水和通信癱瘓。保加利亞380個(gè)城鎮(zhèn)因斷電斷水而進(jìn)入緊急狀態(tài)。

6)2008年1月30日,狂風(fēng)暴雪橫掃美國(guó)中西部地區(qū),使得當(dāng)?shù)貧鉁卦趲讉€(gè)小時(shí)內(nèi)狂降28℃,有的地方的氣溫降到了-48℃。芝加哥國(guó)際機(jī)場(chǎng)取消了大約200次航班。暴風(fēng)雪還可能導(dǎo)致西部地區(qū)發(fā)生雪崩等災(zāi)害事件,積雪達(dá)到了一人多高,基本淹沒了一樓,交通完全中斷達(dá)20 h。凍裂的供水系統(tǒng)比比皆是,導(dǎo)致60多萬(wàn)戶居民缺水1～7 d。加州中部和北部電力供應(yīng)、公路和機(jī)場(chǎng)受嚴(yán)重影響。

7)2008年1月,加拿大發(fā)生從西至東橫掃全境的強(qiáng)風(fēng)伴隨凍雨和大雪,導(dǎo)致大部分地區(qū)氣溫急劇下降,北部一些地區(qū)的最低氣溫降至-60℃。加拿大西部4省從28日起遭遇強(qiáng)暴風(fēng)雪襲擊,溫度驟降,一些地區(qū)溫度達(dá)到-50℃。平均雪深20 cm,新布朗斯威克省的蒙克頓市雪深1.65 m,是加西部遭遇的最強(qiáng)的一次寒流。暴風(fēng)雪嚴(yán)重影響交通。

8)2008年1月10日～2月6日,中國(guó)南方20個(gè)省市的冰雪凍雨事件,造成 “五縱七橫”公路干線近2×104km高速公路、22×104km普通公路交通受阻,大量的公路、鐵路和航空旅客滯留,物資運(yùn)輸中斷,交通系統(tǒng)的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)近62億元,192萬(wàn)人滯留。凍雨雪災(zāi)造成華中、華東電網(wǎng)幾十條500 kV線路倒塔、倒桿,全國(guó)因?yàn)?zāi)停運(yùn)線路共36 000條,停運(yùn)變電站1 700多座,線路倒塔8 700多座,國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司共169個(gè)縣停電,直接損失約100億元以上。湖南郴州市停水停電8 h,通信電纜大部分壓斷、通信塔倒塌。貴州東南地區(qū)停電最長(zhǎng)達(dá)到20 d。中國(guó)電信集團(tuán)的受損桿路869 km、電纜1 200 km、光纖1 004 km,中斷模塊和接入網(wǎng)點(diǎn)7 186個(gè)、各類基站27 600個(gè),直接經(jīng)濟(jì)損失7 000萬(wàn)元。

9)2010年7月,俄羅斯和東歐各國(guó)為熱浪侵襲,溫度為近500 a最高。莫斯科的最高溫度達(dá)到38.2℃。高溫引發(fā)了大面積的森林大火。航空、陸上交通因濃煙、高溫而受阻,電力系統(tǒng)破壞并導(dǎo)致用電量需求居高不下,據(jù)統(tǒng)計(jì)僅生命線系統(tǒng)損失$1億,并造成1.5萬(wàn)人身亡。

3 寒區(qū)生命線災(zāi)害特點(diǎn)

與其它建筑物、構(gòu)筑物相比,生命線系統(tǒng)具有3個(gè)顯著特征：①生命線系統(tǒng)各種生命線子系統(tǒng)都是由一批工程結(jié)構(gòu)或次級(jí)的子系統(tǒng)所構(gòu)成,具有復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣。電力系統(tǒng)包括電廠主廠房、高壓輸電塔、各類變電站建筑等,其中的高壓輸電設(shè)備就是另一個(gè)子系統(tǒng),它包括了各類電容互感器、絕緣子、斷路器;在城市供水系統(tǒng)中,存在供水泵房、水處理系統(tǒng)、輸水管線等各類工程設(shè)施,而其中的供水泵房包括了配電間、清水池、加藥間與儲(chǔ)液池、管道、水泵、閥門、電動(dòng)機(jī)、開關(guān)柜、中控系統(tǒng)等設(shè)施或設(shè)備等單元;②生命線系統(tǒng)往往穿越不同的地質(zhì)、地貌單元,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式又具有網(wǎng)絡(luò)特征,并且不同的生命線系統(tǒng)單元物理結(jié)構(gòu)形式多樣、抗災(zāi)設(shè)計(jì)方法差異大,所以與建筑物相比,生命線系統(tǒng)和單元有更大的災(zāi)害易損性,抗災(zāi)設(shè)計(jì)理論和方法更為復(fù)雜,這也是生命線工程正迅速發(fā)展為一門獨(dú)立學(xué)科的動(dòng)力;③生命線大多以一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的形式存在且在空間上跨越很大的地質(zhì)地理單元,各子系統(tǒng)間存在著功能上的相互依賴和空間中的相互共存。如供電網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)、供水管網(wǎng)等在功能上相互依賴,斷電則停水,停水則使供電系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)停止工作而導(dǎo)致停電,交通系統(tǒng)的破壞阻礙供電、供水系統(tǒng)的修復(fù)等。正是由于系統(tǒng)間功能上的相互依賴,所以網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間的功能不僅與組成系統(tǒng)的各個(gè)單元的功能密切相關(guān),而且與各個(gè)單元之間的聯(lián)系方式 (主要表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣?密切相關(guān)。生命線系統(tǒng)的上述特征不僅使其災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)巨大、后果嚴(yán)重,而且其成災(zāi)的機(jī)理和破壞型式有其獨(dú)特的規(guī)律。寒區(qū)生命線的破壞特性與溫度、冰雪等氣象災(zāi)害密切相關(guān),而且也與地震、凍土特性、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系密切。

3.1 寒區(qū)交通系統(tǒng)災(zāi)害特征

寒區(qū)交通系統(tǒng)包括了水陸空3類交通子系統(tǒng),水上交通系統(tǒng)包括了航道、碼頭等主要的單元,陸路交通系統(tǒng)包括了鐵路系統(tǒng)、公路系統(tǒng),空中交通系統(tǒng)主要包括地面指揮和服務(wù)系統(tǒng)、跑道等單元。

寒區(qū)水上交通系統(tǒng)的主要影響因素是溫度和其引發(fā)的其它災(zāi)害,如冰凌、冰堰塞湖等。我國(guó)的黃河上游、松花江、嫩江、黑龍江、環(huán)渤海灣都曾發(fā)生大規(guī)模的冰凍、冰凌和冰堰塞湖災(zāi)害,造成了航道、橋梁、碼頭和河岸的交通建筑物破壞,一些船體為冰擠壓變形,一些海洋平臺(tái)為冰所推倒 (如1969年的 “海二井”)。

寒區(qū)陸上交通系統(tǒng)受到凍脹、融沉作用和低溫?fù)p害,凍脹、融沉作用常常使路面發(fā)生翻漿與鼓脹破壞,橋梁基礎(chǔ)的上拔、沉降和傾斜,涵洞的凍脹。低溫?fù)p害造成路面裂縫在寒區(qū)最為普遍。

道路路面溫度與氣溫有密切關(guān)系,根據(jù)黑龍江大學(xué)寒區(qū)工程災(zāi)害防治研究中心的實(shí)測(cè)結(jié)果,得到了哈爾濱市道路路面溫度與氣溫的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下：

式中 T0為路面溫度;Ts為氣溫 (℃)。

這個(gè)公式表明,當(dāng)外部氣溫為-30℃時(shí) (冬季),路面溫度為約-33℃,當(dāng)氣溫為35℃時(shí)(夏季),路面溫度達(dá)到了42℃,如此巨大的溫差,勢(shì)必對(duì)路面造成嚴(yán)重的破壞作用,如果進(jìn)一步考慮溫差對(duì)季節(jié)凍土和多年凍土的影響,路基的破壞概率將更高。

除了氣溫的影響外,道路和鐵路系統(tǒng)還受到冰川的進(jìn)退變遷、冰融水道、地下冰、冰川阻塞湖、雪崩、風(fēng)吹雪等因素的影響。如我國(guó)的喀喇昆侖公路通過(guò)巴托拉、固爾金和格爾密特3座冰川的地段,普遍存在冰融水道引起的路基、路面和橋梁沖毀的現(xiàn)象。新疆維吾爾自治區(qū)的葉爾羌河流域、喜馬拉雅山的波曲河、朋曲河流域是冰川洪水、泥石流的高發(fā)地帶,道路系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞幾乎每年都發(fā)生。

有關(guān)部門對(duì)寒區(qū)公路隧道進(jìn)行調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn),我國(guó)已建的寒冷地區(qū)隧道很多都發(fā)生襯砌開裂、路面冒水、結(jié)冰等病害,80%的隧道都存在各種各樣凍害現(xiàn)象,其中的60%發(fā)生滲漏,約24%出現(xiàn)襯砌混凝土剝落、開裂、滑塌、沉陷等問(wèn)題,嚴(yán)重者導(dǎo)致隧道毀壞,如新疆217國(guó)道天山段的玉希莫勒隧道 (長(zhǎng)1 007 m,投資約5 480萬(wàn)元)因隧道內(nèi)凍害嚴(yán)重而形成冰塞報(bào)廢。吉林的長(zhǎng)春琿春高速公路的密江隧道和五虎嶺隧道,在春夏秋3季隧道內(nèi)嚴(yán)重滲漏,冬季滴水成冰。日本曾對(duì)鐵路隧道進(jìn)行了詳細(xì)的病害調(diào)查,結(jié)果表明嚴(yán)寒地區(qū)發(fā)生凍害的隧道占隧道總數(shù)的34%,凡是漏水的隧道幾乎全部形成凍害。這些災(zāi)害大大弱化了隧道的使用功能,嚴(yán)重威脅著行車安全。

寒區(qū)交通系統(tǒng)的另一災(zāi)害事件是凍融和由此引發(fā)的泥石流、熱融滑塌與滑坡、冰錐等一系列災(zāi)害(圖 1)。

圖1 黑龍江某鐵路因熱融滑坡而中斷Fig.1 Interrupted railwaydue to thawlandslide in Heilongjiang

青藏寒區(qū)公路隧道、大坂山寒區(qū)公路隧道圍巖的凍脹破裂滲水及失穩(wěn),每年的維修費(fèi)用就高達(dá)數(shù)百萬(wàn)元,并嚴(yán)重影響著正常的交通運(yùn)行。目前已經(jīng)運(yùn)行的青藏鐵路全長(zhǎng)1 180 km,其中凍土段550 km,是世界上海拔最高,難度最大的鐵路工程,其中凍結(jié)條件下軟弱巖土體的力學(xué)特性研究是一個(gè)重要難題。同樣地,由于寒區(qū)凍融條件下巖土體的凍融、縮脹、損傷開裂而導(dǎo)致的寒區(qū)公路邊坡失穩(wěn)問(wèn)題也是急需解決的問(wèn)題。1995年8月24日,青藏鐵路關(guān)角隧道東洞口發(fā)生凍融滑塌,造成鐵路線路58 m被埋,滑塌物總量約2 000 m3。昆侖山K990段路基、布曲河地段K1300+938路基發(fā)生了熱融滑塌。土層的強(qiáng)烈凍融,會(huì)使地表下沉,從而引起塌陷。如瑪多縣建于黃河沿的舊縣城,由于凍融使地表下沉,縣城被迫搬至瑪查里[2]。

隨著我國(guó)交通建設(shè)在高海拔和高緯度寒冷地區(qū)的規(guī)劃,將建設(shè)更多的隧道、道路、橋梁,這些工程的的規(guī)模會(huì)更大、技術(shù)要求更高,但地質(zhì)、氣候條件卻更為不利。怎樣在這些隧道的修建中采取有效措施以減輕凍害為急需解決的問(wèn)題。

俄羅斯的鐵路建設(shè)與運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明,鐵路路堤發(fā)生融沉變形是多年凍土地區(qū)常見的一種變形形式,其中,路堤基底多冰凍土的不斷退化又是引起路堤長(zhǎng)期發(fā)生熱融變形的主要原因。1978年,俄羅斯巴穆—騰達(dá)線由于騰達(dá)河河床中的礫石路堤因基底泥炭層中冰楔的融化而使路堤突然塌陷,造成長(zhǎng)1.5 m的軌排懸空的高度達(dá)0.7 m。在別爾卡基特—托姆莫特的鐵路線上,多處東西走向路堤的陽(yáng)坡一側(cè)基底富冰凍土發(fā)生退化,引起路堤產(chǎn)生的縱向沉陷裂縫,破壞了路堤的南側(cè)邊坡。路堤自重與列車動(dòng)荷載的共同作用下造成高路堤和橋頭路堤發(fā)生融沉,在15～20 m的路段內(nèi),沉陷量可達(dá)0.5～1.2 m。10年來(lái),外貝加爾鐵路約有85%的路段受熱融變形作用,并且已經(jīng)持續(xù)了50 a[4]。

空中交通系統(tǒng)因機(jī)場(chǎng)跑道的結(jié)冰、強(qiáng)降雪而導(dǎo)致飛機(jī)無(wú)法起降。一些精密儀器因超低溫而不能正常工作,導(dǎo)致指揮系統(tǒng)性能下降。

3.2 寒區(qū)電力系統(tǒng)災(zāi)害特征

2008年1月16日～2月6日發(fā)生的凍雨,貴州、湖南的電線結(jié)冰直徑達(dá)到30～60 mm(圖2),造成了線路覆冰厚度超過(guò)設(shè)計(jì)基本值,導(dǎo)致導(dǎo)線張力增加,使線路拉斷或?qū)⑺?、桿拉歪、拉斷。這種狀況也使風(fēng)荷載作用下線路水平荷載增大,造成塔、桿破壞。電塔因線路荷載的突然增加或兩側(cè)受力差異而導(dǎo)致斷裂,電力設(shè)備為冰雪凍結(jié) (圖3)。同時(shí),由于電塔多為鋼結(jié)構(gòu),其在低溫環(huán)境下也易產(chǎn)生脆性斷裂。

圖2 電力線上的覆冰Fig.2 Ice coating on the electric wire

3.3 寒區(qū)通信工程

圖3 凍雨中倒塌的電塔和凍結(jié)的變壓器Fig.3 Collapsed pylon and freezing transformer in freezing rain in soutern China

寒區(qū)通信系統(tǒng)的破壞主要體現(xiàn)在通信塔和通信桿因基礎(chǔ)凍結(jié)狀態(tài)下的隆起、融化狀態(tài)下的沉陷而導(dǎo)致的破壞 (圖4),以及通信建筑結(jié)構(gòu)不均勻凍脹和沉陷產(chǎn)生的墻身開裂、頂棚抬起、門口、臺(tái)階隆起,散水坡凍裂而導(dǎo)致的建筑結(jié)構(gòu)的破壞。通信電纜、塔架因凍雨和雪荷載過(guò)大而拉斷、倒損。在2008年的南方凍雨事件中,通信系統(tǒng)中斷和信號(hào)質(zhì)量下降的另一個(gè)重要原因是由于供電系統(tǒng)的破壞。

圖4 凍雨中倒塌的通信塔Fig.4 Collapased telcommunication tower in freezing rain in soutern China

3.4 寒區(qū)供水、排水工程

供水、排水系統(tǒng)的破壞主要來(lái)自低溫、地震和凍土的凍融作用,表現(xiàn)為管道系統(tǒng)的向上運(yùn)動(dòng)、破裂、水表的凍裂和溝內(nèi)的結(jié)冰。埋地管道系統(tǒng)因凍脹而出露地表。河道系統(tǒng)凌汛災(zāi)害嚴(yán)重。水庫(kù)因凍土的凍脹而發(fā)生基礎(chǔ)的上脹,融沉使其發(fā)生滲漏。寒區(qū)的水庫(kù)壩體在凍結(jié)季節(jié)易開裂,土壩在凍土融化季節(jié)易發(fā)生壩面熱融滑塌。

3.5 寒區(qū)供熱工程

供熱系統(tǒng)的破壞主要表現(xiàn)為管道的爆裂和滲漏。爆裂的管道周圍形成熱泉、冰幔和鼓丘。管道的滲漏導(dǎo)致凍土的熱融沉陷,進(jìn)一步加重了供熱管道的破壞。地震作用導(dǎo)致供熱管道元件的破壞,動(dòng)力系統(tǒng)停止工作。

3.6 寒區(qū)能源管道輸運(yùn)工程

寒區(qū)的能源管道輸運(yùn)工程主要指油氣運(yùn)輸,美國(guó)的阿拉斯加TAP管道 (總長(zhǎng)約1 300 km,直徑1.22 m)、加拿大Enbridge公司的原油管道 (總長(zhǎng)11 100 km)和貫山管道 (1 260 km)、長(zhǎng)的中俄輸油管道 (總長(zhǎng)1 035 km,中國(guó)境內(nèi)約965 km,直徑0.813 m),格爾木至拉薩輸油管道 (總長(zhǎng)1 080 km),西氣東輸工程 (總長(zhǎng)4 200 km)等自運(yùn)行以來(lái),均多次由于寒區(qū)凍土的差異性凍脹、融沉等問(wèn)題已經(jīng)造成多次露管、泄漏等事故。盡管TAP管道為防止凍土融化和因此而產(chǎn)生的移動(dòng)用了5 a的時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量和地質(zhì)勘探,并設(shè)計(jì)了低溫?zé)岚羯嵯到y(tǒng),但是由于地震作用導(dǎo)致的散熱系統(tǒng)破壞以及輸送原油的溫度導(dǎo)致的凍土層的融沉仍使管道破壞。新疆的地下輸油管線的凍裂和由凍融引起的災(zāi)害現(xiàn)象很嚴(yán)重,曾造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

4 寒區(qū)生命線工程綜合防災(zāi)的重要措施

寒區(qū)生命線系統(tǒng)由于受多種災(zāi)害類型的威脅而易損性較非寒區(qū)生命線系統(tǒng)大,由于溫度場(chǎng)對(duì)寒區(qū)災(zāi)害種類、生命線系統(tǒng)本身安全都有直接的影響,因此,寒區(qū)生命線系統(tǒng)的災(zāi)害防治和預(yù)防需要更先進(jìn)的技術(shù)手段和減災(zāi)思想。本文建議從軟硬兩個(gè)方面制定合理的寒區(qū)生命線防災(zāi)減災(zāi)措施。軟的方面主要是指利用高新技術(shù)建立合理的數(shù)字化減災(zāi)平臺(tái);硬件方面建議從用抗災(zāi)能力更好的建設(shè)模式——共同溝體系的建設(shè),改變過(guò)去的直埋、架空布置方式。

4.1 綜合防災(zāi)數(shù)字系統(tǒng)

寒區(qū)自然災(zāi)害成因機(jī)制復(fù)雜,生命線系統(tǒng)的破壞往往為多種災(zāi)害聯(lián)合作用下的結(jié)果。因此,如何厘定寒區(qū)生命線系統(tǒng)的成災(zāi)機(jī)理是建立相應(yīng)減災(zāi)措施的前提。同時(shí),為提高生命線系統(tǒng)的綜合抗災(zāi)能力,單一或多種災(zāi)害聯(lián)合作用下 (不得不考慮溫度的耦合)的生命線單元、系統(tǒng)的反應(yīng)機(jī)理也是確定減災(zāi)措施的重要環(huán)節(jié)。

為建立合理的寒區(qū)生命線系統(tǒng)綜合防災(zāi)體系,傳統(tǒng)靠單一的防災(zāi)技術(shù)和運(yùn)行管理平臺(tái)不可能取得預(yù)期的效果,即使達(dá)到預(yù)期水平則以增加成本為前提。

當(dāng)今防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一是3S技術(shù)的應(yīng)用 (GIS-geographic information system地理信息系統(tǒng),GPS-globe positioning system全球定位系統(tǒng),RS-remoting system遙感系統(tǒng)),該技術(shù)已經(jīng)在一些城市、區(qū)域和一些行業(yè)的防災(zāi)系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。基于課題組已有的科研成果,建議寒區(qū)生命線系統(tǒng)的綜合防災(zāi)減災(zāi)數(shù)字系統(tǒng)的框架見圖5。

圖5 寒區(qū)生命線系統(tǒng)的綜合防災(zāi)技術(shù)系統(tǒng)Fig.5 Disaster mitigation system of lifeline system in cold region

基于上述框架,從建立災(zāi)害信息綜合數(shù)據(jù)庫(kù)著手,結(jié)合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,可以預(yù)估和預(yù)測(cè)一定時(shí)間、空間尺度中的生命線系統(tǒng)易損性和災(zāi)害程度,為合理規(guī)劃、建設(shè)生命線系統(tǒng)提供有力支持。

4.2 共同溝建設(shè)是提高寒區(qū)生命線安全性的重要手段

共同溝生命線是指收容著如供水、供電、通信、供氣、排水等各類重要公用管線和管道并留有供檢修人員行走通道的隧道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。它是現(xiàn)代城市基礎(chǔ)設(shè)施科學(xué)管理與規(guī)劃的標(biāo)志,也是合理利用城市地下空間與改善環(huán)境的科學(xué)手段,是城市生命線系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的方向。

共同溝的建設(shè)始于1833年,經(jīng)過(guò)近180 a的發(fā)展,共同溝已經(jīng)成為城市中最重要的生命線系統(tǒng),發(fā)達(dá)國(guó)家中的重要城鎮(zhèn)幾乎都大力發(fā)展共同溝。據(jù)統(tǒng)計(jì),到目前為止,法國(guó)巴黎的共同溝已超過(guò)150 km,全日本共同溝有1 100 km,德國(guó)和英國(guó)各有約1 000 km,瑞典Stockholm市有共同溝30 km,俄羅斯的Moscow共同溝長(zhǎng)130 km,西班牙Madrid有92 km的共同溝。加拿大的Montreal、Toronto、Vancouver,西班牙的 Barcelona、芬蘭的Helsinki等大城市均有規(guī)模巨大、功能完善的共同溝。美國(guó)共同溝非常發(fā)達(dá),如紐約的共同溝就已構(gòu)成了一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),幾乎所有的生命線系統(tǒng)都收容其中。一些中等發(fā)達(dá)和發(fā)展中國(guó)家也開始共同溝的建設(shè)。為環(huán)境保護(hù)的目的,馬來(lái)西亞在Putrajaya于2002年開始建設(shè)共同溝。印度也在Calcutta、New Delhi、Bombay等城市開始建設(shè)共同溝。我國(guó)最早的共同溝是在1958年建設(shè)的(1958年北京建設(shè)了一條長(zhǎng)約1.3 km的綜合管線共同溝),但大規(guī)模的建設(shè)是在20世紀(jì)90年代,1994年上海浦東建設(shè)了我國(guó)城市第一條現(xiàn)代化的共同溝——張楊路共同溝,該溝全長(zhǎng)11.125 km,溝體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其橫斷面形狀為長(zhǎng)方形,由電力室和燃?xì)馐覂刹糠纸M成。電力室中央敷設(shè)給水管道,兩側(cè)設(shè)有支架,分別設(shè)電力和通信電纜,燃?xì)馐覟閱为?dú)一孔室,內(nèi)敷設(shè)燃?xì)夤艿?。共同溝里還配有各種安全配套設(shè)施,如排水、通風(fēng)、照明、通信廣播、閉路電視監(jiān)視、火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警、可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警、氧氣檢測(cè)、中央計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與顯示等系統(tǒng)等。其后,在江蘇連云港 (1997年)、天津塘沽 (1998年)、北京 (2000年)、南京 (其中2002的仙林大學(xué)城45 km的弱電共同溝吸收了民間資金)、西安和濟(jì)南 (2001年)、浙江衢州、福建漳州和上海嘉定區(qū) (2002年)、北京中關(guān)村西區(qū)、上海松江、深圳大梅沙-鹽田坳和廣州大學(xué)城、佳木斯 (2003年)、杭州錢江新城和廣州市科韻路 (2004年)、嘉興、天津和寧波 (2005年)等都建造了共同溝,其他的一些城市如紹興、福州、青島、萊蕪、昆明等城市也開始了共同溝的規(guī)劃和立項(xiàng)。在臺(tái)灣省,1991年,臺(tái)北建設(shè)了第一條共同溝,至2003年12月31日已經(jīng)在21個(gè)地段建設(shè)了干線共同溝、支線共同溝,合計(jì)干線共同溝60 km,支線共同管溝52 km。在臺(tái)灣的其它地方,擬建設(shè)共同溝75 km。迄今為止,我國(guó)各省會(huì)城市、發(fā)達(dá)省市大中型城市無(wú)一例外已經(jīng)開始了共同溝的規(guī)劃與建設(shè)。上海、福建、云南等已經(jīng)出臺(tái)了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)共同溝生命線系統(tǒng)正步入快速發(fā)展之路。

共同溝生命線系統(tǒng)的建設(shè)之所以得到認(rèn)可,與傳統(tǒng)的生命線系統(tǒng)相比,主要因?yàn)槠涔?jié)約了空間與土地資源,便于綜合管理,更重要的是共同溝體系具有良好的抗災(zāi)能力。自第一條生命線系統(tǒng)建成以來(lái),經(jīng)過(guò)近200 a的發(fā)展,除為數(shù)不多的幾次強(qiáng)震及其引發(fā)的次生災(zāi)害對(duì)其造成過(guò)破壞之外,其它的災(zāi)害如各類氣象災(zāi)害均沒有對(duì)其造成破壞。從前述的寒區(qū)生命線災(zāi)害特征來(lái)看,共同溝體系是寒區(qū)生命線系統(tǒng)建設(shè)最為合適的結(jié)構(gòu)型式。具有隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的共同溝體系,由于埋地 (中國(guó)共同溝的埋深一般2～5 m,超過(guò)一般地區(qū)的凍深),其對(duì)溫度的敏感性也明顯降低,這對(duì)寒區(qū)生命線系統(tǒng)安全度的提高具有決定性的作用,對(duì)此,共同溝體系將對(duì)由于溫度變化導(dǎo)致的凍土性能改變、凍融各類災(zāi)害具有很好的免疫能力。

5 結(jié) 論

寒區(qū)生命線系統(tǒng)對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)、生活和環(huán)境保護(hù)起著至關(guān)重要的作用,本文根據(jù)近10年來(lái)寒區(qū)生命線系統(tǒng)的成災(zāi)特點(diǎn),簡(jiǎn)要闡述了寒區(qū)生命線的災(zāi)害特點(diǎn),提出了當(dāng)今寒區(qū)生命線系統(tǒng)建設(shè)中急需解決的問(wèn)題,并提出了有益的建議。

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[1]US and Canada Power System Outage Task Force.August 14,2003 blackout in the United States and Canada：causes and recommendations[R].US：UCPSOTF,2004.

[2]駢龍江.寒區(qū)巖土工程凍融災(zāi)害機(jī)理及預(yù)報(bào)模型研究[D].西安：西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[3]楊思忠,金會(huì)軍,于少鵬,等.中俄輸油管道(漠河-大慶段)主要凍土環(huán)境問(wèn)題探析[J].冰川凍土,2010,32(2)：358-366.

[4]劉鐵良.俄羅斯加固多年凍土地區(qū)鐵路路堤基底有效方法的現(xiàn)狀與展望 [J].中國(guó)鐵路,2005,(2)：58-61.

[5]沈宇鵬,許兆義,王連俊.青藏鐵路路基中正融土斜坡穩(wěn)定性分析 [J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2005,15(7)：97-100.

[6]王夢(mèng)恕.21世紀(jì)是隧道及地下空間大發(fā)展的年代 [J].隧道建設(shè),2000,(1)：7-10.

[7]O'Rourke,T.D.,Yu W.,et al.Advance in lifeline earthquake engineering[C]// Vancouver,Canada：13WCEE,2004,Paper ID：5003.

[8]Pappin J.W.Earthquake engineering of foundations and lifelines.12th European Conference on Earthquake Engineering[C]// ElsevierScienceLtd,Oxford,UK,2002：846.

[9]謝禮立,溫瑞智.數(shù)字減災(zāi)系統(tǒng)[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2000,9(2)：1-9.

[10]李 杰.生命線工程抗震：基礎(chǔ)理論與應(yīng)用 [M].北京：科學(xué)出版社,2005.

[11]柳春光,林 皋,李宏男,等.生命線地震工程導(dǎo)論[M].大連：大連理工大學(xué)出版社,2005.