胡群芳，蘇航劍，方宏遠(yuǎn)，王 飛，朱慧峰

（1.同濟(jì)大學(xué) 上海防災(zāi)救災(zāi)研究所，上海 200092；2.城市安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；4.鄭州大學(xué) 黃河實(shí)驗(yàn)室（鄭州大學(xué)），河南 鄭州 450001；5.上海市供水管理事務(wù)中心，上海 200081）

近年來(lái)我國(guó)城市化進(jìn)程快速發(fā)展，各地城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)密集開(kāi)展。城市市政管網(wǎng)作為城市生產(chǎn)、生活的生命線(xiàn)工程，對(duì)保障城市平穩(wěn)安全運(yùn)行至關(guān)重要。然而，由于城市市政管網(wǎng)系統(tǒng)敷設(shè)情況復(fù)雜、管網(wǎng)密集分布在道路下從而相互干擾大、運(yùn)行中承受多種荷載作用且日常檢測(cè)監(jiān)測(cè)維護(hù)難度高等原因，市政管網(wǎng)運(yùn)行中頻發(fā)各類(lèi)管損事件或?yàn)?zāi)害，一旦事故發(fā)生將會(huì)產(chǎn)生大面積停水、停氣事故，甚至引發(fā)爆管、爆炸和地面塌陷，導(dǎo)致嚴(yán)重的社會(huì)影響或次生災(zāi)害。以國(guó)內(nèi)大城市北京、上海、廣州等城市供水管網(wǎng)為例，平均每年供水管網(wǎng)爆管事件可達(dá)5 次以上［1-2］。例如，2017 年11 月16 日下午14：35 左右，上海市溧陽(yáng)路四平路發(fā)生一起嚴(yán)重的大口徑供水管爆管事件［3］，爆管事件發(fā)生后導(dǎo)致路面交通中斷超過(guò)12h，因水管破壞發(fā)生爆管涌水引起道路周邊60 多戶(hù)商鋪進(jìn)水和10余輛車(chē)輛泡水損壞，造成比較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，通過(guò)對(duì)本次爆管事件形成條件、演變過(guò)程及發(fā)生機(jī)理進(jìn)行分析，以期可指導(dǎo)防控類(lèi)似事件。

國(guó)內(nèi)外有學(xué)者對(duì)于供水管道破壞失效進(jìn)行了初步研究工作。Chouchaoui 等［4］結(jié)合有限元與試驗(yàn)研究了管道連續(xù)腐蝕坑對(duì)管道應(yīng)力的影響；Rajani等［5］基于斷裂力學(xué)提出了有腐蝕坑的管道的剩余強(qiáng)度公式；邵煜［6］研究了不同類(lèi)型荷載作用下的管道剩余強(qiáng)度，利用有限元模擬提出了剩余強(qiáng)度與腐蝕坑尺寸的修正公式；Rajani等［7］針對(duì)管道接口破裂研究了接口非線(xiàn)性材料與接口轉(zhuǎn)角限值的關(guān)系，并進(jìn)行了實(shí)證研究。目前，針對(duì)供水管道失效問(wèn)題，研究主要側(cè)重于管體腐蝕坑的形式及尺寸對(duì)管道力學(xué)狀態(tài)的影響，對(duì)于存在早期裂縫的管道如何在內(nèi)、外部荷載作用下導(dǎo)致裂縫進(jìn)一步發(fā)展、大面積破口引起爆管發(fā)生的物理力學(xué)條件和成因過(guò)程缺少分析，對(duì)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的城市供水管網(wǎng)爆管事件沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)研究。本文結(jié)合上海溧陽(yáng)路四平路“11·16”爆管事件，采用物理建模和動(dòng)力分析方法，系統(tǒng)模擬分析本次事件發(fā)生過(guò)程，揭示大口徑供水管道的裂縫發(fā)展機(jī)理及爆管形成物理過(guò)程。

1 現(xiàn)場(chǎng)爆管事件概況

2017 年11 月16 日下午14：35，上海市溧陽(yáng)路四平路交叉路口附近北向南側(cè)供水管網(wǎng)中一根DN1200管道發(fā)生爆管事件，爆管事件發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)涌水高度達(dá)8m左右，整個(gè)事件過(guò)程如圖 1所示。

圖1 本次供水管道爆管事件時(shí)間節(jié)點(diǎn)Fig.1 Timeline of this water main burst accident

本次爆管事件初步分析如下：

（1）發(fā)生爆管事件的供水管道是一根DN1200的輸水鑄鐵管，日常運(yùn)行水壓為150～250kPa。通過(guò)查詢(xún)GIS 系統(tǒng)獲得該管道敷設(shè)時(shí)間為1977 年，管頂覆土厚度約1.1m，管道上方同時(shí)敷設(shè)一根DN700中壓和一根DN300 低壓燃?xì)夤艿?。根?jù)現(xiàn)場(chǎng)爆管事件管道的開(kāi)挖維修情況，該區(qū)域管道敷設(shè)位置詳見(jiàn)圖 2 所示，其中，①為事故供水管道，②和③分別為上跨的DN300 和DN700 的燃?xì)夤艿溃á跒橹惫?、③為橋管），上? 根燃?xì)夤艿琅c事故管道垂直交叉，DN300燃?xì)夤艿谰嗍鹿使艿纼H約0.1m，DN700的燃?xì)夤艿劳獗趲缀踔苯咏佑|下部的供水管道。由現(xiàn)場(chǎng)情況可見(jiàn)，伴隨大量的城市市政管網(wǎng)更新改造工程實(shí)施，道路交叉路口附近多種管道交叉或交疊敷設(shè)，造成相鄰管道相互擠壓現(xiàn)象十分普遍，相鄰管道反復(fù)施工相互影響及上下占?jí)簡(jiǎn)栴}突出。

圖2 爆管點(diǎn)鄰近管線(xiàn)位置現(xiàn)場(chǎng)圖和損壞管道3D掃描圖Fig.2 Surroundings condition around water main burst and 3D scan of bell shard failure

（2）結(jié)合本次爆管事件發(fā)生后獲取的DN1200供水管道破壞情況，爆管管道發(fā)生開(kāi)裂破壞部位為供水管道接口承口端附近區(qū)域，屬斜向剪切（spiral failures）導(dǎo)致的接口爆管破壞，管道破壞3D 激光掃描圖如圖 2 所示。大量的供水爆管事件記錄表明，城市大口徑地下供水管道發(fā)生爆管失效一般有3類(lèi)位置，具體包括：①管道管體交叉接口焊縫。主要由于管道焊接區(qū)域發(fā)生腐蝕或由于溫度應(yīng)力導(dǎo)致焊縫發(fā)生破壞從而引起爆管；②管道承插接口位置。主要由于接口及周邊管體發(fā)生劣化、腐蝕等破壞后引起管道發(fā)生爆管；③管道管體中部上部區(qū)域。主要由于管道劣化腐蝕、第三方外力破壞導(dǎo)致管道發(fā)生開(kāi)裂爆管。本次爆管事件發(fā)生在淺埋的大口徑鑄鐵管道上，具體位于相鄰管道斜向破壞接口部位，爆管后接口處發(fā)生管道撕裂破壞，從而形成整塊管片脫落爆管。

（3）詳細(xì)分析本次爆管事件的過(guò)程：現(xiàn)場(chǎng)視頻記錄表明當(dāng)日下午14：34 道路突發(fā)涌水事件，路面涌水區(qū)域?yàn)閱螚l裂縫，長(zhǎng)度為3～5m，涌水高度約1m；持續(xù)約30s后道路破壞區(qū)域加大，涌水區(qū)域形成整塊涌水坑，尺寸約2m×6m，涌水高度達(dá)2.5m 左右，同時(shí)，相鄰道路區(qū)域形成多股涌水，道路路面進(jìn)一步撕裂破壞；持續(xù)60s 后，道路在水壓作用下發(fā)生整體性破壞，期間撕裂的爆管管體彈出涌水坑，最終形成了3m×10m左右的破壞區(qū)域，瞬間涌水高度達(dá)8m。現(xiàn)場(chǎng)表明，城市供水管道壓力在內(nèi)壓250kPa 左右，如前期有管材劣化腐蝕或第三方活動(dòng)破壞導(dǎo)致開(kāi)裂裂縫，可形成比較嚴(yán)重的爆管事件，引起周邊區(qū)域的道路、設(shè)施或管道發(fā)生嚴(yán)重的破壞。類(lèi)似的是2017年5月29日烏克蘭基輔發(fā)生的供水管道爆管事件［8］，該事故導(dǎo)致周邊道路和鄰近7層建筑物外墻與窗體發(fā)生嚴(yán)重破壞。因此，考慮城市市政管網(wǎng)運(yùn)行安全，在高度重視關(guān)注城市燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏爆炸事故的同時(shí)，應(yīng)重視城市供水管網(wǎng)大口徑管道爆管事件。

2 爆管事件有限元建模分析

結(jié)合本次爆管事件現(xiàn)場(chǎng)管體破壞區(qū)域裂縫腐蝕狀況推測(cè)，該埋地鑄鐵管道破壞發(fā)生大面積的開(kāi)裂導(dǎo)致整塊脫落，調(diào)查管道敷設(shè)時(shí)間、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和荷載各種作用，該爆管事件管體破壞區(qū)域應(yīng)在本次爆管事件發(fā)生前已存在裂縫或開(kāi)裂損壞形成了薄弱區(qū)，管內(nèi)在多種荷載作用下裂縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中。同時(shí)，由于管體材料的劣化、腐蝕等影響以及管體內(nèi)部壓力、外部荷載包括上部管體擠壓、道路車(chē)輛和溫度變化影響等長(zhǎng)期耦合作用，管體的裂縫進(jìn)一步發(fā)展造成開(kāi)裂區(qū)域擴(kuò)大，最終形成了本次爆管事件中管道管體部分管片撕裂脫落。因此，研究中考慮上述破壞現(xiàn)象和物理過(guò)程，收集管道的幾何尺寸和物理參數(shù)，利用有限元靜動(dòng)力分析方法研究管道在各種荷載作用下受力特性和早期裂縫形式。

2.1 管道幾何和物理參數(shù)

本次爆管事件管道材質(zhì)為鑄鐵，該DN1200 鑄鐵管外徑D0=1 283mm，管道壁厚t=23.3mm，現(xiàn)場(chǎng)管頂覆土厚度約H=1.10m，管道正常工作壓力p為150～250kPa。參考類(lèi)似鑄鐵管材的材料物理參數(shù)［9］，彈性模量為E=78GPa，泊松比為νp=0.26，屈服強(qiáng)度取應(yīng)變?yōu)棣?0.2%，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為156MPa；應(yīng)變極限ε=0.5%，極限強(qiáng)度為195MPa。由于鑄鐵管材的受拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于受壓強(qiáng)度，鑄鐵管道一般破壞為受拉脆性破壞，因此，以第一主應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度作為材料失效標(biāo)準(zhǔn)，模型中管體鑄鐵材料本構(gòu)關(guān)系采用雙折線(xiàn)模型，如圖 3所示。

圖3 爆管管道材料本構(gòu)模型Fig.3 Constitutive model for burst cast-iron pipeline

2.2 外部荷載及邊界條件

參考我國(guó)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50332—2002）［10］（簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》），一般認(rèn)為大口徑埋地管道為柔性管道，考慮埋地管道敷設(shè)條件和所受荷載及約束，管道主要承受的荷載如圖 4a 所示，其中，qv為管道上部覆土傳遞至管頂?shù)暮奢d，包括管頂上土柱壓力、地面超載或路面車(chē)輛荷載；qm為管側(cè)所受側(cè)向土壓力荷載，假定為拋物線(xiàn)分布；G為管道與管內(nèi)水自重合力，qv/sinα+qre為管底土的反作用力，α為地基土弧角；Pi為管內(nèi)水壓，管道所受土體約束如圖 4b所示，ks為受壓?jiǎn)蜗蛲翉椈?，代表土體對(duì)管道變形的約束。因此，考慮實(shí)際管道敷設(shè)條件，采用管體-土體共同作用模型，將管道受力及約束條件按照?qǐng)D 4所示建模。

圖4 埋地管道有限元模型的荷載與約束示意Fig.4 Illustration of loads and constrains of buried pipe in FEM

2.3 有限元分析建模

結(jié)合本次爆管事件管道的幾何尺寸和物理參數(shù)，選擇長(zhǎng)度2m 管道進(jìn)行建模分析，具體建模參數(shù)見(jiàn)表 1。由于本次建模需要對(duì)爆管全過(guò)程進(jìn)行分析，因此，利用有限元建模分析的難點(diǎn)包括：如何準(zhǔn)確模擬管道先期開(kāi)裂狀態(tài)，同時(shí)如何實(shí)現(xiàn)對(duì)管道從開(kāi)裂到爆管全過(guò)程的動(dòng)力模擬。

針對(duì)爆管管道早期開(kāi)裂裂縫問(wèn)題，2017年11月18日研究組采用徠卡ScanStation P40新一代超高速三維激光掃描儀對(duì)爆管事件的管道進(jìn)行3D 激光掃描，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了4 次基站掃描，獲得了約6GB 數(shù)據(jù)，利用上述數(shù)據(jù)對(duì)管道進(jìn)行三維建模，通過(guò)三維模型參數(shù)獲取爆管管體的破壞情況和幾何參數(shù)。該鑄鐵管道接口附近發(fā)生爆管區(qū)域管片貫通裂縫在管道斷面上圓弧角分布在管頂單側(cè)約118°范圍內(nèi)，管道斷面與貫通裂縫最遠(yuǎn)點(diǎn)距離約970mm。同時(shí)，觀(guān)察破壞管道破裂面情況。管體脫落區(qū)域的裂縫在靠近管璧底部及側(cè)面處銹蝕較明顯（呈現(xiàn)明顯的黑褐色，銹蝕厚度約1mm），而靠近管頂?shù)难剌S向裂縫端銹蝕發(fā)展程度低（呈現(xiàn)紅色，僅有表層銹蝕），可以推測(cè)該爆管事件發(fā)生前，管道裂縫先期已在管壁側(cè)面形成，實(shí)際運(yùn)行中各種荷載作用加劇裂縫向管頂部位發(fā)展。

結(jié)合圖 2 管道三維掃描模型，在有限元建模分析中將該管道裂縫簡(jiǎn)化為一直徑為D0的圓柱與本次管道相互交叉形成交線(xiàn)圖 5），裂縫在管道斷面的圓弧角∠AOC=120°，初期裂縫為該弧線(xiàn)的一部分段，其對(duì)應(yīng)的斷面圓弧角∠AOD=θ（簡(jiǎn)稱(chēng)裂縫斷面圓心角）。管道開(kāi)裂及裂縫的幾何模型如圖 5 所示。利用上述建立的管道幾何模型，對(duì)其進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，按網(wǎng)格尺寸為0.01m 進(jìn)行全局播種（global seeding），建立的整個(gè)有限元模型的幾何模型與網(wǎng)格剖分詳見(jiàn)圖 6所示。

圖5 有限元模型中早期裂縫和損壞斷面Fig.5 Illustration of initial crack in FEM and crack of transverse section

圖6 有限元幾何模型和有限元網(wǎng)格Fig.6 Geometric part and mesh grid in FEM

利用建立的有限元幾何模型，對(duì)其物理參數(shù)賦值見(jiàn)表 1。本次有限元模型中管體采用四節(jié)點(diǎn)縮減積分通用殼單元（S4R），網(wǎng)格尺寸為0.01m，使用接地彈簧來(lái)模擬管道周邊土體對(duì)管道的約束，假定土體彈簧為只承受壓力的單向土彈簧，受壓彈簧的剛度通過(guò)土彈簧抵抗系數(shù)按模型中單個(gè)結(jié)點(diǎn)與網(wǎng)格對(duì)應(yīng)面積進(jìn)行等效計(jì)算，管道末端（遠(yuǎn)端）施加管道軸向約束。邊界條件與約束（土彈簧約束）施加于初始步中，在分析步中施加所有荷載，考慮爆管模擬分析幾何非線(xiàn)性，將計(jì)算分析步中的幾何非線(xiàn)性開(kāi)關(guān)（Nlgeom）設(shè)置為打開(kāi)。

表1 有限元模型中計(jì)算參數(shù)Tab.1 Reference data used in FEM

3 管道損壞爆管過(guò)程分析

為了研究分析管道開(kāi)裂破壞對(duì)其安全影響，分析管道在不同內(nèi)壓及外部荷載作用下開(kāi)裂發(fā)展過(guò)程，揭示管道從開(kāi)裂到爆管機(jī)理，實(shí)際分析中包括以下3個(gè)基本工況：管道正常受荷工況、管道開(kāi)裂工況和管道開(kāi)裂破壞工況，研究中重點(diǎn)分析管道裂縫不同長(zhǎng)度及其發(fā)展模式對(duì)管道爆管影響和管道開(kāi)裂后爆管物理過(guò)程，即管道裂縫發(fā)展物理過(guò)程和爆管破壞事件形成機(jī)理。

3.1 管道損壞物理過(guò)程

根據(jù)管道實(shí)際荷載作用及約束條件分析，完好的埋地管道在內(nèi)外荷載的作用下，其內(nèi)力形式一般為管道上下頂點(diǎn)內(nèi)壁受拉、左右頂點(diǎn)外壁受拉，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在管頂或管底（取決于地基角的大?。?。當(dāng)管壁上存在裂縫時(shí)，裂縫末端往往會(huì)出現(xiàn)在應(yīng)力集中區(qū)域附近。考慮管道在實(shí)際運(yùn)行中，管體裂縫在管道內(nèi)部壓力及外部荷載等耦合作用下會(huì)發(fā)展變化，結(jié)合本次溧陽(yáng)路四平路“11·16”爆管事件，重點(diǎn)分析管道內(nèi)水壓對(duì)管道結(jié)構(gòu)安全影響。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆管實(shí)際破壞裂口斷面情況，為了分析不同裂縫長(zhǎng)度及形式對(duì)裂縫末端拉應(yīng)力隨管內(nèi)水壓變化影響，計(jì)算模型中不同曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)不同早期裂縫斷面圓心角θ，分別計(jì)算管道內(nèi)壓力與早期裂縫斷面圓心角θ的關(guān)系如圖 7所示。

由圖 7 可知，當(dāng)管道早期裂縫末端位于管道斷面第2 象限時(shí)，管道發(fā)生開(kāi)裂后的裂縫斷面圓心角θ為90°、60°、45°，計(jì)算得到管道最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在管道內(nèi)壁，并隨著管內(nèi)水壓增加而迅速增加，隨著θ減小而減??；當(dāng)管內(nèi)水壓分別達(dá)到140.9kPa、143.4kPa、167.1kPa 時(shí)，裂縫末端拉應(yīng)力達(dá)到受拉極限強(qiáng)度；45°位置為管體結(jié)構(gòu)受荷反彎點(diǎn)區(qū)域。當(dāng)早期裂縫末端位于管道斷面第3 象限時(shí)（裂縫斷面圓心角θ≤30°），最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在管道外壁，且θ為30°、28°、26°時(shí)，100kPa內(nèi)水壓對(duì)應(yīng)的裂縫最大拉應(yīng)力相較于θ為60°、45°時(shí)有所提高，但其隨著管內(nèi)水壓增加而增加的增速明顯低于前3 種情況，因此導(dǎo)致其破壞內(nèi)水壓相較前3種情況高。

圖7 不同早期裂縫斷面圓心角下水壓對(duì)裂縫末端拉應(yīng)力的影響Fig.7 Influence of water pressure on maximal ten?sion at crack tip on different θ values

為了進(jìn)一步分析管體早期裂縫發(fā)展與內(nèi)水壓的相互關(guān)系，當(dāng)早期裂縫末端拉應(yīng)力到達(dá)材料極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，此處材料發(fā)生破壞失效，同時(shí)，早期裂縫繼續(xù)發(fā)展，假定此時(shí)的管內(nèi)達(dá)到臨界破壞水壓Pf，管道破壞臨界水壓與裂縫斷面圓心角的關(guān)系見(jiàn)圖 8。由圖 8可知，當(dāng)裂縫較短（θ≤30°），其末端位于管道斷面第3象限時(shí)，破壞所需水壓較大，并隨著裂縫長(zhǎng)度減小而迅速上升，當(dāng)θ為28°、26°時(shí)，裂縫末端發(fā)生破壞時(shí)的管內(nèi)水壓分別為223.7kPa、248.2kPa，該臨界水壓處于事故管道的正常工作水壓范圍內(nèi)（200～250kPa）。然而，當(dāng)θ<26°時(shí)，破壞水壓需要超過(guò)250kPa（分別是θ=25°對(duì)應(yīng)264.5kPa，θ=20°對(duì)應(yīng)321.4kPa），早期裂縫才會(huì)由于末端應(yīng)力超過(guò)極限強(qiáng)度繼續(xù)開(kāi)展。當(dāng)裂縫末端進(jìn)入管道斷面第2象限后，破壞水壓已降到170kPa 以下（圓心角為30°、45°），并隨著裂縫長(zhǎng)度增加緩慢下降。當(dāng)裂縫斷面圓心角θ=90°時(shí)，管道破壞臨界水壓僅為140.9kPa。

結(jié)合圖 7 和圖 8 對(duì)比分析可知，管道早期開(kāi)裂狀態(tài)及初始裂縫斷面角度θ對(duì)其整體安全及爆管形成具有重要的影響，總體可分為3個(gè)階段，即①早期開(kāi)裂初始裂縫階段（0°<θ≤30°），管道裂縫僅會(huì)隨著外部荷載達(dá)到臨界破壞荷載條件后，管道裂口在應(yīng)力集中作用下急劇發(fā)展；②管道已形成裂縫發(fā)展條件（30°<θ≤60°），一旦滿(mǎn)足內(nèi)外部壓力條件，裂縫會(huì)繼續(xù)發(fā)展，形成貫通的裂縫，從而讓管道裂縫有爆管的可能；③管道形成貫通裂縫且發(fā)生爆管（θ>60°），即管道在達(dá)到并具有貫通開(kāi)裂條件后，內(nèi)部有壓液體大量泄漏導(dǎo)致周邊約束土體沖刷流失，加劇形成了脫空，則就具備了管道崩裂形成爆管的條件。

圖8 破壞水壓隨裂縫斷面圓心角變化Fig.8 Water pressure of failure at different θ values

結(jié)合本次現(xiàn)場(chǎng)爆管臨近時(shí)間和附近3 個(gè)測(cè)點(diǎn)（復(fù)中、臨四和溧四）監(jiān)測(cè)的最大壓力分別為252kPa（時(shí)刻14：25：11）、249kPa（時(shí)刻14：26：20）和237kPa（時(shí)刻14：24：10），可推測(cè)早期裂縫末端至少達(dá)到裂縫斷面圓心角θ≈26°，該管道才會(huì)在實(shí)際工作水壓作用下導(dǎo)致開(kāi)裂裂縫繼續(xù)發(fā)展并最終形成爆管破壞，這與爆管管道破壞斷面的裂縫腐蝕情況基本吻合。

3.2 爆管事件形成條件分析

當(dāng)管道早期裂縫在內(nèi)外壓力和溫度等因素綜合作用下達(dá)到一定尺寸后（如管道在內(nèi)外多種荷載作用下其裂縫末端應(yīng)力集中超過(guò)管材的極限強(qiáng)度），引起裂縫不斷發(fā)展，最終導(dǎo)致管道形成破口破壞，從而引發(fā)爆管。結(jié)合本次爆管事件和管體實(shí)際情況，利用建立的有限元模型分析爆管事件形成過(guò)程。供水水管在其運(yùn)行中一旦管道發(fā)生開(kāi)裂，將發(fā)生大量水體滲漏，供水水管管道中有壓液體泄漏將會(huì)對(duì)管周?chē)馏w不斷沖刷，引起管體周邊脫空并影響管體受荷條件，加劇管道應(yīng)力集中。因此，在利用有限元計(jì)算進(jìn)行動(dòng)力分析中，考慮管體開(kāi)裂泄漏沖刷土體，在沖刷區(qū)形成后釋放土體對(duì)管體約束，假定管道周?chē)馏w對(duì)管道變形沒(méi)有土彈簧約束，其他荷載條件不變，利用有限元模擬分析管道從開(kāi)裂到爆管的全過(guò)程。

圖9 供水管道開(kāi)裂及爆管形成物理過(guò)程Fig.9 Development from crack to burst of water main pipeline in FEM

結(jié)合有限元數(shù)值分析可知，對(duì)應(yīng)管道發(fā)生開(kāi)裂A、C點(diǎn)的幾何運(yùn)動(dòng)來(lái)分析管道爆管過(guò)程，圖 10和圖11分別為早期裂縫θ=90°時(shí)管道破壞殘片A、C兩端點(diǎn)的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)位移圖，其中，A、C點(diǎn)位置如圖 5所示。

圖10 管道破口裂縫A點(diǎn)和C點(diǎn)平動(dòng)位移時(shí)程Fig.10 Translation of point A and point C on crack during failure development

由圖 10 可知，供水管道管體在發(fā)生開(kāi)裂、裂縫進(jìn)一步發(fā)展、形成貫通裂縫以及局部管片脫落過(guò)程中區(qū)域上A點(diǎn)的平動(dòng)位移逐步增大，C點(diǎn)的位置在逐步發(fā)展過(guò)程中較為穩(wěn)定，在形成貫通裂縫后突然增大，從而段管片完整脫離管體形成爆管。同時(shí)，由圖 11 可知，在管體發(fā)生開(kāi)裂破壞初始階段，由于裂縫的進(jìn)一步發(fā)展并形成貫通裂縫，在殘片脫落前，A點(diǎn)的轉(zhuǎn)角逐步增大，C點(diǎn)則在增大過(guò)程中發(fā)生陡增超過(guò)A點(diǎn)轉(zhuǎn)角，則說(shuō)明段形成碎片完全從管體脫落，從而形成了爆管事件。綜合對(duì)比圖 10 和圖 11 可知，在管道管體早期裂縫開(kāi)裂發(fā)展時(shí)，A點(diǎn)位移與轉(zhuǎn)角遠(yuǎn)大于C點(diǎn)，管段碎片繞C點(diǎn)向靠近管頂方向轉(zhuǎn)動(dòng)。一旦管道管體形成貫通裂縫后，殘片將脫離管體在內(nèi)水壓作用下形成崩裂脫落，即早期階段A和C兩點(diǎn)轉(zhuǎn)角基本相同，隨著應(yīng)力集中及多種荷載耦合作用，加劇C點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，C點(diǎn)轉(zhuǎn)角超過(guò)A點(diǎn)轉(zhuǎn)角，脫落的管體殘片做剛體彈射運(yùn)動(dòng)形成爆管，最終A、C兩點(diǎn)轉(zhuǎn)角又基本相同。

圖11 管道破口裂縫C端點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)位移時(shí)程Fig.11 Rotation of point A and point C on crack during failure development

根據(jù)本次爆管事件發(fā)生過(guò)程可知，供水管道從管體開(kāi)裂漏水、路面突發(fā)涌水、道面結(jié)構(gòu)破壞、管道管片脫落形成爆管事件，通過(guò)有限元模擬再現(xiàn)了整個(gè)爆管物理過(guò)程。并且通過(guò)數(shù)值模擬可知，脫落的管體在管內(nèi)水壓作用下形成向外側(cè)彈射效應(yīng)，從而導(dǎo)致道路區(qū)域結(jié)構(gòu)損壞，進(jìn)而可能對(duì)周邊地上、地下設(shè)施造成破壞，其彈射的突發(fā)物理荷載作用不容忽視。同時(shí)，由圖 2可知，由于供水管道與上部跨越的2根燃?xì)夤艿来怪苯徊妫?根燃?xì)夤艿乐g的空隙約有2.7m，爆管脫落的碎片最大寬度約為800mm，爆管中脫落的管體正好沿著平行于上述2根燃?xì)夤艿婪较蚣爸g間隙彈射，恰好沒(méi)有對(duì)上方2 根跨越的燃?xì)夤艿涝斐砂踩绊懟蚱茐?，因此，本次爆管僅造成了大量涌水、路面塌陷與積水、道路交通中斷等社會(huì)影響，倘若彈射碎片擊中鄰近燃?xì)夤艿绖t有可能引發(fā)嚴(yán)重的次生事故。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)2017 年上海溧陽(yáng)路四平路“11·16”爆管事件全過(guò)程進(jìn)行了分析，利用有限元方法結(jié)合爆管管道幾何物理參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)情況開(kāi)展了數(shù)值模擬分析，重點(diǎn)研究了管道在多種荷載耦合作用下裂縫發(fā)展及爆管形成物理過(guò)程，主要研究結(jié)論如下：

（1）對(duì)于存在先期開(kāi)裂并形成初期裂縫的大口徑管道（不小于DN800），在內(nèi)外荷載的共同作用下，其裂縫末端會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。裂縫末端位置超過(guò)一定裂縫長(zhǎng)度，末端集中應(yīng)力隨著管內(nèi)水壓的增大而增大。當(dāng)裂縫末端位于管道斷面第2 象限（30°<θ≤120°）時(shí)，裂縫區(qū)域集中應(yīng)力出現(xiàn)在裂縫末端內(nèi)壁處；當(dāng)裂縫末端位于管道斷面第3 象限（0 ≤θ≤30°）時(shí)，集中應(yīng)力出現(xiàn)在裂縫末端外壁處；上述裂縫會(huì)在應(yīng)力集中作用下沿著薄弱部位發(fā)展，且前者集中應(yīng)力隨管內(nèi)水壓提高的增速大于后者。

（2）供水水管管道發(fā)生開(kāi)裂后，其臨界破壞水壓的大小隨裂縫斷面圓周角θ的增大而降低。θ從20°增加至30°，臨界破壞水壓迅速?gòu)?21.4kPa 減少至170.8kPa，達(dá)到了實(shí)際運(yùn)行中的內(nèi)水水壓。其中，當(dāng)θ為26°、28°時(shí)，其對(duì)應(yīng)臨界破壞水壓下降至受損管道的實(shí)測(cè)工作水壓范圍內(nèi)（200～250kPa）；θ為45°、60°和90°時(shí)，臨界破壞水壓隨θ的增加緩慢下降，最小可降至供水管網(wǎng)運(yùn)行的最低壓力140.9kPa。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和管道破壞裂口腐蝕程度推斷，本次爆管事件管道的初期裂縫位置至少達(dá)到θ=26°。

（3）通過(guò)對(duì)爆管管道破口形成的動(dòng)力模擬顯示，管道一旦有初期裂縫，其末端在荷載作用下會(huì)形成應(yīng)力集中，且會(huì)超過(guò)管材受拉極限強(qiáng)度，從而引起裂縫向管道受拉薄弱區(qū)（管頂方向）繼續(xù)發(fā)展，同時(shí)開(kāi)裂管道裂縫在內(nèi)水壓力作用下沿著管道管頂方向撕裂，已開(kāi)裂的管片發(fā)生向外轉(zhuǎn)動(dòng)，最終裂縫在管頂沿管道軸向發(fā)展至貫通裂縫形成破口，此時(shí)，管道已發(fā)生開(kāi)裂的管體殘片完全脫離管道，形成向外彈射作用最終導(dǎo)致爆管事件。

（4）本次爆管事件發(fā)生在道路交叉口附近交疊管道區(qū)域，采用有限元分析方法重點(diǎn)對(duì)供水管道的爆管形成機(jī)理和物理過(guò)程進(jìn)行了模擬，實(shí)際管道運(yùn)行中由于鄰近第三方活動(dòng)、外部車(chē)輛荷載作用以及氣溫劇烈變化等多種因素綜合影響，供水管道爆管事件發(fā)生的物理機(jī)制和形成過(guò)程十分復(fù)雜，后續(xù)還有待深入研究。同時(shí)，考慮到本次爆管事件發(fā)生的區(qū)域及交疊管道運(yùn)行安全，如供水爆管造成燃?xì)夤艿榔茐亩l(fā)生燃?xì)庑孤┍?，并與供水管道爆管相互影響，這將會(huì)引起嚴(yán)重的事故或?yàn)?zāi)害，因此，應(yīng)高度重視并定期對(duì)供水管網(wǎng)大口徑管道爆管開(kāi)展檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和重點(diǎn)防護(hù)工作。

作者貢獻(xiàn)聲明：

胡群芳：供水管網(wǎng)大口徑管道爆管事件分析、數(shù)值模擬與機(jī)理分析。

蘇航劍：供水管道爆管數(shù)值模擬。

方宏遠(yuǎn)：供水管道爆管數(shù)值模擬。

王 飛：供水管網(wǎng)大口徑管道爆管事件分析。

朱慧峰：供水管網(wǎng)大口徑管道爆管事件分析。