1、第12章 土木工程防灾与减灾,12.1 土木工程防灾减灾简介,12.1.1 灾害及灾害类型,灾害是对能够给人类和人类赖以生存的环境造成破坏性影响的事物总称。灾害与程度无关，通常是指在局部由某种不可控制或未予控制的破坏性因素引起的，突然或在短时间内扩张和发展，进而演变成灾难，超过本地区防救力量所能解决的大量人群伤亡和物质财富毁损的现象。,(1) 灾害概况,灾害的产生原因：,自然因素 与人类关系最密切的生物链的破坏或远离平衡的发展，大气和水圈在演化过程中所出现的大区域或局部远离平衡的运动，岩石圈在运动过程中出现大规模突然断裂等。 社会因素 人类对森林、植被和草原的过度砍伐和破坏等造成土地荒漠，人类
2、活动对地球表面环境的污染，物种灭绝，人口暴长等等。,自然灾害是人类依赖的自然界中所发生的异常现象，自然灾害对人类社会所造成的危害往往是触目惊心的。自然灾害及其衍生灾害都对人类的生产和生活造成了严重的影响和后果，主要包括以下几个方面： 造成人口的大量死亡 给社会经济造成破坏 造成社会不稳定,(2) 自然灾害,中国近60年遭受巨大灾害一览表,由于人们不当的知识或缺乏知识、不当的选址、不当的设计、不当的施工、不当的使用和不当的维护，导致所建造的土木工程不能抵御突发的载荷，导致土木工程的失效和破坏，乃至倒塌而造成了灾害，给人类带来了损失。,(3) 土木工程灾害,地震引起的铁轨变形,土木工程灾害有两大基
3、本特点 土木工程是造成灾害的主要载体 减轻这种灾害的主要手段和方法必须要依靠土木工程方法，其他方法都不能根本地解决土木工程灾害问题,广东九江大桥塌陷事故现场 飞石砸断彻底关大桥事故现场,12.1.2 土木工程防灾减灾发展历史与现状,由于各种自然灾害相互联系而构成自然灾害系统，影响到社会的方方面面，因此，减灾需要社会各部门、各地区、各学科、各阶层协调行动，减灾的各项措施必须相互衔接、紧密配合，并形成一套系统工程。减灾系统工程是一个由多种减灾措施组成的有机整体，主要由监测、预报、防灾、抗灾和重建等多个环节组成，每个环节又包括若干个相互联系的子系统。,防灾减灾通常采取两大类措施：即灾前的措施和灾后的
4、措施。 灾前的措施就是“预防为主”； 灾后的措施包括4R： Rescue抢救生命； Relief救济，包括给受害者生活和医疗的必需品和必需的条件或货币； Resettlement对灾民的重新安置； Re-covering and Reconstruction恢复与重建。,早期土木工程的任务主要是解决人类“住与行”的基本问题 ； 重大的灾害及其对土木工程设施的破坏，引起了人们对土木工程防灾减灾的逐渐关注与重视 ； 地震发生的不确定性及工程质量（设计和施工）对于抗震防灾的重要性 ； 对发展中和发达国家的防灾减灾以及结合地域特点的防灾减灾提出了新的课题 。,塔科马悬索桥的垮塌,土木工程灾害主要内容
5、土木工程规划性防灾 工程性防灾 工程结构抗灾 工程技术减灾 工程结构在灾后的检测与加固,前面4项内容是灾害发生前进行的工作，第5项内容是灾害发生后进行的工作，涉及灾害材料学、灾害检测学、工程修复和加固等领域。,12.2 主要灾害与防灾减灾对策,12.2.1 地震灾害及其防灾减灾对策,地震，又称地动、地振动，是自然灾害中发生最多、影响最大的一种。从时间上看，地震有活跃期和平静期交替出现的周期性现象。从空间上看，地震的分布呈一定的带状。,(1) 地震灾害基本概况,中国地震带分布示意,地震分为天然地震和人工地震两大类。天然地震主要是构造地震，它是由于地下深处岩石破裂、错动把长期积累起来的能量急剧释放
6、出来，以地震波的形式向四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动，构造地震约占地震总数的90%以上。,构造地震产生原理,2008年，四川汶川特大地震是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最广、救灾难度最大的一次地震，震级达里氏8级，最大烈度达11度，余震3万多次。引发的崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等次生灾害举世罕见。汶川大地震也震断了外界连接震中地区的所有公路、桥梁，致使灾区群众和救灾队伍、救灾机械、救灾物资被阻断在了“生命线”两边。,地震时造成房屋破坏的“元凶”是地震力，它是一种惯性力。 结构物破坏的影响因素 与地震本身有关，地震越大，震中距越小，震源深度越浅，破坏越重； 与结构本身的质量，包括其结
7、构是否合理，施工质量是否到位等； 结构物所在地的场地条件，包括场地土质的坚硬程度、覆盖层的深度等等； 局部地形对震害的影响也很大。,(2) 地震灾害的土木工程对策,对于地震灾害采用的土木工程对策主要从规划设计和施工建造两方面着手，选择有利的抗震设计方法和原则，并对结构物采取合理可行的减震措施以减轻地震力对结构造成的影响。,国内外土木工程抗震原则 我国一般建设工程抗震设防要求采用三个水准概率来设防“小震不坏、中震可修、大震不倒” 地震抗震标准，针对不同地区的建筑物是不一样的 强制性的抗震标准 采用一些新的建筑理念和结构形式来抵抗地震作用改变“以地球为相当好的惯性参考系” 的传统设计理念,新的土木
8、工程抗震设计 刚性结构提高建筑物的抗震性能 使用橡胶、弹簧等弹性装置提高建筑物的抗震性能 上部结构与基础的分离式设计 滚动支撑式基础提高建筑物抗震性能,12.2.2 风灾害及其防灾减灾对策,形成风的直接原因，是气压在水平方向分布的不均匀。地面风不仅受气压梯度力和地转偏向力的支配，而且在很大程度上，风还受大气环流、地形、水域等不同因素的综合影响。,(1) 风灾害基本概况,典型的龙卷风, 热带气旋,热带气旋按中心附近地面最大风速划分等级,热带气旋灾害的危害 强风 暴雨 风暴潮, 龙卷风,龙卷风破坏力的组成 风压极大，可将沿途的建筑物摧毁 建筑物与龙卷之间的巨大的气压梯度力，足以使建筑物由内向外爆炸
9、 上升气流极强，能将上万吨的整节大车厢卷入空中，将上千吨的轮船由海面抛到岸上, 寒潮风暴,寒潮和强冷空气带来的雨雪、冰冻天气对交通运输危害不小。2008年中国南方雪灾造成多处铁路、公路、民航交通中断。由于正逢春运期间，大量旅客滞留站场港埠。另外，电力受损、煤炭运输受阻，不少地区用电中断，电信、通讯、供水、取暖均受到不同程度影响， 某些重灾区甚至面临断粮危险。而融雪流入海中，对海洋生态亦造成浩劫，台湾海峡即传出大量鱼群暴毙事件。, 季风,风作用于结构物的振动形式 抖振：顺风向阵风脉动引起的结构共振 涡激振动：由交替出现的漩涡脱落引起的与风向垂直的振动 驰振与颤振：横风向弯曲振动称为驰振，颤振为扭
10、转方向的振动；而弯曲与扭转的二维振动则称为弯扭颤振。驰振和颤振具有自激振动的特点,(2) 风灾害的土木工程对策,风速通常随离地面高度增大而增加。增加程度主要与地面粗糙度和温度梯度有关,风作用于结构物的特点 风对建筑物的作用力包含静力部分和动力部分，且随时间和空间的不同而变化 建筑物的外形、几何尺寸及其周围的风场环境对风荷载的大小和分布影响很大 与地震荷载相比，风荷载作用的持续时间较长，出现的频次也较高,在风力作用下，结构物表面风压分布的测定，目前多在模拟大气边界层风场的风洞中对模型进行动态测量试验获得,从土木工程角度出发，进行相应的抗风设计： 力求选择合理的建筑体形 对结构的变形和振动进行控制
11、 考虑脉动风荷载对结构动力响应的影响,12.2.3 火灾害及其防灾减灾对策,火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火灾一般具有以下三个特点： 成长性； 不安定性； 偶发性。,(1) 火灾害基本概况,2009年上半年我国火灾原因起数统计分布情况,火灾对建筑结构物造成损害的破坏机理主要与结构材料相关，可归纳为以下几方面 在升温和降温过程中，骨料和水泥石界面产生微裂缝而降低或丧失其粘结力，导致表面的混凝土龟裂，这是体积变化不均匀引起的损坏。 升温或降温速度越快，产生的温度应力越大，当超过水泥石抗拉极限强度时，便产生
12、裂缝，这是温度应力引起的破坏。 在着火与灭火过程中，钢筋的体积变化先于也大于混凝土，降低或丧失了混凝土对钢筋的粘结力，甚至将混凝土保护层表面胀裂，使混凝土表面受到不同程度的损伤。 对于钢结构来说，试验表明，当钢结构出现火灾，温度上升到350，屈服点将降低1/3，到500和600时，则相应降低1/2和2/3，将导致钢结构失稳而坍塌。,(2) 火灾害的土木工程对策,从土木工程角度出发，增强建筑物防火能力的措施 ： 提高建筑构件的耐火等级 采取特殊的防火、防烟分隔措施 设置机械防排烟设施 运用新型的火灾探测系统 采用有效的自动灭火装置,消防设计目前有两种设计思想，国内还处于传统的“处方式设计方法”，
13、即基于场所类型进行设计考虑；另一种是“性能化设计方法”，它立足于危害分析及火灾假想，对于解决超越法规或现行法规无法解决的复杂建筑的消防设计具有很大意义。,性能化消防设计的两个关键点，第一是确认危害，第二是明确设计目标。,12.2.4 地质灾害及其防灾减灾对策,地质灾害，通常是指在自然或者人为因素的作用下形成的，对人类生命财产、环境造成破坏和损失的地质作用（现象），如崩塌、地裂缝、坑道突水、突瓦斯、煤层自燃、黄土湿陷、砂土液化，土地冻融等。由降雨、融雪、地震等因素诱发的称为自然地质灾害；由工程开挖、堆载、爆破、弃土等引发的称为人为地质灾害。 常见的地质灾害主要指危害人民生命和财产安全的崩塌、滑坡
14、、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等六种与地质作用有关的灾害。,(1) 地质灾害基本概况, 崩塌, 滑坡, 泥石流, 地面塌陷, 地裂缝, 地面沉降,2003年，上海地铁4号线采用冷冻法施工时，在制冷设备故障的情况下没有及时采取对应措施，为了赶进度强行继续施工，造成隧道施工现场渗水，大量流沙涌入，引起严重的地面沉降。,为保证结构的安全性和可靠性，尽量避免或减轻地质灾害造成的危害和损失，需要在工程建设之初即进行地质灾害危险性评估。地质灾害危险性评估是对地质灾害的活动程度进行调查、监测、分析、评估的工作，主要评估地质灾害的破坏能力，其主要评估步骤包括： 阐明工程建设区和规划区的地质环境条件基本特
15、征； 分析论证工程建设区和规划区各种地质灾害的危险性，进行现状评估、预测评估和综合评估； 提出防治地质灾害措施与建议，并作出建设场地适宜性评价结论。,(2) 地质灾害的土木工程对策,地质灾害危险性评估的内容 工程建设可能诱发、加剧地质灾害的可能性 工程建设本身可能遭受地质灾害危害的危险性 拟采取的防治措施,地质灾害危险性分级,地质灾害防治措施 建立监测网点，形成有效的预测和预报系统 因地制宜采取有效治理措施,12.2.5 爆炸灾害及其防灾减灾对策,爆炸是物质由一种状态迅速转变成另一种状态，并在瞬间放出大量能量，同时产生具有声响的非常迅速的化学或物理变化过程，在变化过程里会迅速地放出巨大的热量并
16、生成大量的气体，此时的气体由于瞬间尚存在于有限的空间内，故有极大的压强，对爆炸点周围的物体产生了强烈的压力，当高压气体迅速膨胀时形成爆炸。爆炸可分为三类： 物理爆炸 化学爆炸 核爆炸,(1) 爆炸灾害基本概况,爆炸通常伴随发热、发光、压力上升、真空和电离等现象，具有很大的破坏作用。它与爆炸物的数量和性质、爆炸时的条件以及爆炸位置等因素有关。主要破坏形式有以下几种： 直接的破坏作用 冲击波的破坏作用 造成火灾,(2) 爆炸灾害的土木工程对策,抗爆设计的原则 应当能够经受实际规模的外部爆炸 如果结构的损坏对于发生事故时和事故后的工厂安全操作并无不利影响，那么这种损坏是容许的 即使爆炸超过了设计值（
17、可能造成破坏），结构会因为过度变形被“破坏”，而其承载能力无任何明显损失，这就为防止突然的塌陷，提供适当的安全度 使用期限内只能承受一次较大爆炸的建筑物，稍作一些修理，它应该能安全地承受爆炸后的一般设计荷载 选择建筑物形状和方位，以便尽量减少冲击波荷载 保持建筑物外部“整齐” 注意建筑物内部设计 采用好的设计与建造方法，防止发生连续倒塌,12.3 受灾工程结构的检测与加固,12.3.1 受灾工程结构的检测,灾后对建筑物受损程度及时进行检查、鉴定，是提供抢险、加固各种处理方案的重要依据。一般来说，根据混凝土结构、砌体结构和钢结构的不同特点进行相关项目的检测。,(1) 混凝土结构检测,回弹法,拉拔
18、法,超声法,钻进法,钻芯取样法,动力法,现场结构加载试验法,敲击法,由于检测工具、操作方法等原因，检测结果往往有较大差异，需要采用“综合评定”和“对比评定”的方法来提高检测效率和可靠性，如超声回弹法等。,(2) 砌体结构检测,砌体直接取样法,原位直接测试法,动测综合法,微观结构法,(3) 钢结构检测,表面硬度法,超声法检测钢材和焊缝缺陷,12.3.2 受灾工程结构的加固,(1) 加固的基本原则,在确定加固方案时有两种倾向值得注意：一是过于保守。任意加大处理范围，任意决定“打掉重建”。二是掉以轻心，不予认真处理。,(2) 结构加固的常用方法,增大截面法,外包钢法,预应力加固法,改变结构传力途径法,锚杆静压桩加固法,压密注浆法,灌浆补缝法,植筋法,碳纤维补强法,
