汶川地震与大坝建设专题论坛

朱伯芳:混凝土坝耐强烈地震而不垮塌的机理

朱伯芳院士 中国水利水电科学研究院

2008年12月02日19:12  来源:人民网-科技频道

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  人民网科技北京12月2日电 《绿色能源论坛》——汶川地震与大坝建设专题论坛11月30日在北京举行。中国水利水电科学研究院朱伯芳院士做了题为《混凝土坝耐强烈地震而不垮塌的机理》的报告。

  全文如下:

  这次汶川地震给我们国家造成的损害是很大的,死亡人数大致六万多,还有一万多失踪的人数。这些人是怎么死的?应该说最主要的原因是房子倒塌压死的,震中区差不多整个城市都毁灭了,所以这次汶川地震中大量的房子倒了,大量的桥倒了,大量的公路破坏了,很多公路被破坏了恢复不了,因为很陡,因为地震的时候整个都滑掉了,所以修是很难修的。也就是说,这次建筑物破坏是很严重的,大约死了七、八万人,主要是房子倒塌压死的。可是四川是一个水利大省,修建了很多水坝,但是没有垮一个大坝。这说明了什么问题?在这次地震中,水坝的表现是好的,特别是混凝土坝,混凝土坝有一些损害,但是很轻微。我今天要讲的问题,为什么房子倒了,墙倒了,路坏了,但是大坝表现的非常好,这是一个偶然的原因,还是必然的原因?我认为这是一个必然的原因,不是一个偶然的原因,下面我从理论来说明这个问题。

  从全世界的混凝土坝在地震之后的表现图来看,从全世界来看,每次地震之后,房子、桥的破坏是很严重的,但是水坝的破坏是总轻的。全世界的混凝土坝只有一个在地震之后破坏比较重,这个坝就是台湾的石冈坝,台湾在1999年9月21日产生了一个7.3级大地震,这是台湾一百年以来最严重的一次地震,震中就在日月潭附近。我们知道,台湾的坝是很多的,在石冈重力坝上,它并不高,有20米左右,石冈坝受到了严重的破坏。石冈坝一共有20几个坝段,台湾这次地震引起地震的活动断层活动了105公里,本来是一个断层,但是快到石冈坝附近的时候,一下子分成八个子断层,其中一个子断层就穿过了石冈坝。因此,石冈坝在这个地方附近,它的变形是水平位移1米,垂直位移一边是10米,一边是2.5米,断层两边的位移差就是7.8米,所以地震之后这边比另外一边高7.8米。这样这三个坝段就彻底坏了,但是其他的坝段并没有坏。后来怎么办?地震之后,就在前面做一个围堰把其他三个坝挡起来,其他的坝照样用。当这个活动层穿过坝体的时候,这个坝是要坏的。断层穿过去之后,任何何建筑是不可能站的。刚才讲,地震之后把前面做个围堰,把这三个坝挡住了,其他的坝还照样用。即使这样一个断层穿过坝,也就只破坏了三个坝段,其他的坝并没有坏。这是说明了混凝土坝的抗震性能是非常强的。

  我们现在看看其他坝的破坏情况。比如拱坝,地震之后附近的公路全部倒了,坝唯一渗压力增加了,渗透水增加了一点,但是过了几个月又恢复正常了。还有很多其他的坝,我就不详细说了。国外的拱坝,经过两次大的地震,坝本身没有什么问题,但是因为地质情况不好,做了一个重力敦,重力敦也没有动,后面的山体动了20公分,但是加固之后还可以用。

  总的情况,除了石冈坝,全世界的混凝土坝,其他的所有混凝土坝没有一个垮塌的,破坏无非是产生一点裂缝。那么现在我就说明这个问题,这到底是偶然的,还是必然的?因为不是一次这样的情况,全世界都是这样的现象,经过大地震之后,房子倒了很多,桥倒了很多,路破坏了很多,但是混凝土坝没有问题,这是什么原因?我现在就说明这个原因。

  (图)这是一个高层建筑。搞设计的时候有两个荷载,一个是垂直荷载,一个是水平荷载,任何建筑都是这样的。混凝土坝也是一个垂直荷载,一个是水平荷载。但是不同的建筑是不一样的,高层建筑在平常的时候最主要的是垂直荷载,它的水平荷载是很小的,一般是风荷载,而风荷载是很小的。假如我是一个设计者,没有考虑地震,就只考虑风荷载,建筑的安全系数一般是在1.8-2.0左右,地震荷载就远远超过1.8-2.8,所以它就受不了,所以它就垮了。另外,假如我平时只设计的是轻度地震,那么是0.1G,假如来了一个9度地震,那么就是0.4G,就加大了4倍。你这个房子设计的时候是考虑轻度地震,实际上来了9度地震,那是受不了的。

  而大坝的情况就不一样了.做坝就是为了挡水,挡水就有很大的水平荷载。当然地震也有垂直荷载,但是地震的垂直荷载是次要的,地震的破坏主要是水平荷载。即使这个大坝在设计的时候不考虑地震,它的水平荷载也是主要荷载,这个水平荷载很大,地震来了之后有水平荷载,这个水平荷载又增加了,但是这个水平荷载跟原来的水平荷载的比,增加的比例就不是很大,等一下用数字来讲。

  比如100米的烟囱,风荷载是35吨,8度地的水平荷载是325吨,是平时风荷载的9倍,我们的安全系数大约是1.8-2.0。远远超过设计时能承受住的荷载,所以来了8级地震非倒不可。那么,水坝就不一样的,150米的水坝,它平时的水平荷载是10800吨,8度地震的荷载是8860吨,是1.8倍,可是坝的安全性是3.35抗剪,4.40扛压,抗拉是1.82。而你是1.6,那么也没有问题。

  这就是水坝跟房屋建筑、桥梁建筑的根本差别,因为水坝在平常设计的时候,它要承受巨大的水平荷载,而且安全系数比较大,就相当于大数承受3到4倍的水荷载,而地震来了8度地震是0.8,9度地震是1.6倍的水荷载。所以来了8度地震,即使这个坝没有考虑地震,也没有问题。

  混凝土坝安全系数是抗压4.0,抗剪是3.0-3.5,扛拉是1.5-2.0,所以来了8度地震也没有问题。即使有些地方可能超过一些,比如抗拉超过了一些,可能会在表面产生裂缝。但是因为抗剪、抗拉的安全度比较高,因此,坝塌不了。

  下面我说一个重力坝。重力坝150米高,抗滑的安全系数,静安全系数是3.85,8度地震是2.13,9度地震是1.48,所以没有问题。压应力静应力是2.17,8度地震是4.7,9度地震是7.4,所以没有问题。拉应力可能大一点,裂缝是有可能,但是裂缝没有关系,大坝来了地震之后没有裂缝是不可能的。所以拱坝的抗震性比重力坝还要好。

  208米的拱坝,压应力静荷载是7.5兆帕,8度地震是9.8个兆帕,9度地震是12兆帕,我这个标的是30个兆帕的抗震强度,你现在来9度地震12个兆帕,那是没有问题的。

  因此,混凝土坝耐强烈地震而不垮的根本原因在于:一是平常以水平荷载为主:二是安全系数比较大。因为水坝出了问题,造成的灾害比较大,所以从传统来看,安全系数都比较高。处于这两条原因,我们混凝土坝的安全系数更高。不管是汶川地震、国外的地震,所有的土木水利工程中,混凝土坝表现出的抗震能力是最强的,根本的原因是刚才说的这两条:一是平常承受住了巨大的水荷载;二是安全系数比较大。当然,并不是说以后不需要抗震。我主要说明一个问题,各种土木水利工程中,混凝土坝是抗震最好的,汶川地震证明了,全世界的地震也证明了,台湾的石冈地震也说明了这个问题。

  所以,混凝土坝的安全是没有问题的。

(责编:马丽)
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