混凝土壩耐強烈地震而不垮塌的機理

中國水利水電科學(xué)研究院 · 2010-02-26 00:00 留言

  這次汶川地震給我們國家造成的損害是很大的,死亡人數(shù)大致六萬多,還有一萬多失蹤的人數(shù)。這些人是怎么死的?應(yīng)該說最主要的原因是房子倒塌壓死的,震中區(qū)差不多整個城市都毀滅了,所以這次汶川地震中大量的房子倒了,大量的橋倒了,大量的公路破壞了,很多公路被破壞了恢復(fù)不了,因為很陡,因為地震的時候整個都滑掉了,所以修是很難修的。也就是說,這次建筑物破壞是很嚴重的,大約死了七、八萬人,主要是房子倒塌壓死的。可是四川是一個水利大省,修建了很多水壩,但是沒有垮一個大壩。這說明了什么問題?在這次地震中,水壩的表現(xiàn)是好的,特別是混凝土壩,混凝土壩有一些損害,但是很輕微。我今天要講的問題,為什么房子倒了,墻倒了,路壞了,但是大壩表現(xiàn)的非常好,這是一個偶然的原因,還是必然的原因?我認為這是一個必然的原因,不是一個偶然的原因,下面我從理論來說明這個問題。

  從全世界的混凝土壩在地震之后的表現(xiàn)圖來看,從全世界來看,每次地震之后,房子、橋的破壞是很嚴重的,但是水壩的破壞是總輕的。全世界的混凝土壩只有一個在地震之后破壞比較重,這個壩就是臺灣的石岡壩,臺灣在1999年9月21日產(chǎn)生了一個7.3級大地震,這是臺灣一百年以來最嚴重的一次地震,震中就在日月潭附近。我們知道,臺灣的壩是很多的,在石岡重力壩上,它并不高,有20米左右,石岡壩受到了嚴重的破壞。石岡壩一共有20幾個壩段,臺灣這次地震引起地震的活動斷層活動了105公里,本來是一個斷層,但是快到石岡壩附近的時候,一下子分成八個子斷層,其中一個子斷層就穿過了石岡壩。因此,石岡壩在這個地方附近,它的變形是水平位移1米,垂直位移一邊是10米,一邊是2.5米,斷層兩邊的位移差就是7.8米,所以地震之后這邊比另外一邊高7.8米。這樣這三個壩段就徹底壞了,但是其他的壩段并沒有壞。后來怎么辦?地震之后,就在前面做一個圍堰把其他三個壩擋起來,其他的壩照樣用。當(dāng)這個活動層穿過壩體的時候,這個壩是要壞的。斷層穿過去之后,任何何建筑是不可能站住的。剛才講,地震之后把前面做個圍堰,把這三個壩擋住了,其他的壩還照樣用。即使這樣一個斷層穿過壩,也就只破壞了三個壩段,其他的壩并沒有壞。這是說明了混凝土壩的抗震性能是非常強的。

  我們現(xiàn)在看看其他壩的破壞情況。比如拱壩,地震之后附近的公路全部倒了,壩唯一滲壓力增加了,滲透水增加了一點,但是過了幾個月又恢復(fù)正常了。還有很多其他的壩,我就不詳細說了。國外的拱壩,經(jīng)過兩次大的地震,壩本身沒有什么問題,但是因為地質(zhì)情況不好,做了一個重力敦,重力敦也沒有動,后面的山體動了20公分,但是加固之后還可以用。

  總的情況,除了石岡壩,全世界的混凝土壩,其他的所有混凝土壩沒有一個垮塌的,破壞無非是產(chǎn)生一點裂縫。那么現(xiàn)在我就說明這個問題,這到底是偶然的,還是必然的?因為不是一次這樣的情況,全世界都是這樣的現(xiàn)象,經(jīng)過大地震之后,房子倒了很多,橋倒了很多,路破壞了很多,但是混凝土壩沒有問題,這是什么原因?我現(xiàn)在就說明這個原因。

  (圖)這是一個高層建筑。搞設(shè)計的時候有兩個荷載,一個是垂直荷載,一個是水平荷載,任何建筑都是這樣的?;炷翂我彩且粋€垂直荷載,一個是水平荷載。但是不同的建筑是不一樣的,高層建筑在平常的時候最主要的是垂直荷載,它的水平荷載是很小的,一般是風(fēng)荷載,而風(fēng)荷載是很小的。假如我是一個設(shè)計者,沒有考慮地震,就只考慮風(fēng)荷載,建筑的安全系數(shù)一般是在1.8-2.0左右,地震荷載就遠遠超過1.8-2.8,所以它就受不了,所以它就垮了。另外,假如我平時只設(shè)計的是輕度地震,那么是0.1g,假如來了一個9度地震,那么就是0.4g,就加大了4倍。你這個房子設(shè)計的時候是考慮輕度地震,實際上來了9度地震,那是受不了的。

  而大壩的情況就不一樣了.做壩就是為了擋水,擋水就有很大的水平荷載。當(dāng)然地震也有垂直荷載,但是地震的垂直荷載是次要的,地震的破壞主要是水平荷載。即使這個大壩在設(shè)計的時候不考慮地震,它的水平荷載也是主要荷載,這個水平荷載很大,地震來了之后有水平荷載,這個水平荷載又增加了,但是這個水平荷載跟原來的水平荷載的比,增加的比例就不是很大,等一下用數(shù)字來講。

  比如100米的煙囪,風(fēng)荷載是35噸,8度地的水平荷載是325噸,是平時風(fēng)荷載的9倍,我們的安全系數(shù)大約是1.8-2.0。遠遠超過設(shè)計時能承受住的荷載,所以來了8級地震非倒不可。那么,水壩就不一樣的,150米的水壩,它平時的水平荷載是10800噸,8度地震的荷載是8860噸,是1.8倍,可是壩的安全性是3.35抗剪,4.40扛壓,抗拉是1.82。而你是1.6,那么也沒有問題。

  這就是水壩跟房屋建筑、橋梁建筑的根本差別,因為水壩在平常設(shè)計的時候,它要承受巨大的水平荷載,而且安全系數(shù)比較大,就相當(dāng)于大數(shù)承受3到4倍的水荷載,而地震來了8度地震是0.8,9度地震是1.6倍的水荷載。所以來了8度地震,即使這個壩沒有考慮地震,也沒有問題。

  混凝土壩安全系數(shù)是抗壓4.0,抗剪是3.0-3.5,扛拉是1.5-2.0,所以來了8度地震也沒有問題。即使有些地方可能超過一些,比如抗拉超過了一些,可能會在表面產(chǎn)生裂縫。但是因為抗剪、抗拉的安全度比較高,因此,壩塌不了。

  下面我說一個重力壩。重力壩150米高,抗滑的安全系數(shù),靜安全系數(shù)是3.85,8度地震是2.13,9度地震是1.48,所以沒有問題。壓應(yīng)力靜應(yīng)力是2.17,8度地震是4.7,9度地震是7.4,所以沒有問題。拉應(yīng)力可能大一點,裂縫是有可能,但是裂縫沒有關(guān)系,大壩來了地震之后沒有裂縫是不可能的。所以拱壩的抗震性比重力壩還要好。

  208米的拱壩,壓應(yīng)力靜荷載是7.5兆帕,8度地震是9.8個兆帕,9度地震是12兆帕,我這個標(biāo)的是30個兆帕的抗震強度,你現(xiàn)在來9度地震12個兆帕,那是沒有問題的。

  因此,混凝土壩耐強烈地震而不垮的根本原因在于:一是平常以水平荷載為主:二是安全系數(shù)比較大。因為水壩出了問題,造成的災(zāi)害比較大,所以從傳統(tǒng)來看,安全系數(shù)都比較高。處于這兩條原因,我們混凝土壩的安全系數(shù)更高。不管是汶川地震、國外的地震,所有的土木水利工程中,混凝土壩表現(xiàn)出的抗震能力是最強的,根本的原因是剛才說的這兩條:一是平常承受住了巨大的水荷載;二是安全系數(shù)比較大。當(dāng)然,并不是說以后不需要抗震。我主要說明一個問題,各種土木水利工程中,混凝土壩是抗震最好的,汶川地震證明了,全世界的地震也證明了,臺灣的石岡地震也說明了這個問題。

  所以,混凝土壩的安全是沒有問題的。


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