土石壩震害預(yù)測及快速評估方法研究

梁海安

（中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080）

（作者電子信箱：梁海安：lianghaian＠foxmail．com）

目前我國水壩數(shù)量達(dá)86 000座以上，其中95%以上是土石壩。土石壩在地震災(zāi)害中作為承災(zāi)體，一方面引起土石壩壩體的破壞，造成直接經(jīng)濟損失；另一方面，還可能演變成為危險的次生災(zāi)害源，引發(fā)次生水災(zāi)造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，同時在地震后還常常因水壩無法正常發(fā)揮水利設(shè)施功能，造成災(zāi)后生產(chǎn)、生活的困難。在地震發(fā)生后，通過對土石壩地震災(zāi)害損失開展簡便、快捷的預(yù)測評估，可以為有效開展地震應(yīng)急工作，合理分配救災(zāi)人員、物資，及時救援，避免次生災(zāi)害發(fā)生提供參考。同時，通過土石壩震害預(yù)測及快速評估方法的研究，可以深化對土石壩的地震反應(yīng)機制的認(rèn)識，在壩體設(shè)計施工時預(yù)先采取抗震措施，避免或者減輕可能造成的破壞和損失。目前國內(nèi)外對土石壩震害預(yù)測與快速評估方法的研究很少，國內(nèi)對群體土石壩震害預(yù)測與快速評估方法的研究基本處于空白，面對我國嚴(yán)峻的地震形勢，亟待發(fā)展土石壩震害預(yù)測和快速評估方法的研究。

為了便捷準(zhǔn)確地對土石壩地震破壞狀態(tài)和數(shù)量進(jìn)行預(yù)測和評估，本文系統(tǒng)通過震害調(diào)查，系統(tǒng)整理了汶川地震中1 793座土石壩震害資料，結(jié)合我國唐山地震、海城地震、通海地震土石壩震害資料中452座土石壩震害資料，以及建國以來12次較大地震中土石壩震害數(shù)據(jù)，對土石壩群體和單體震害的預(yù)測及快速評估方法展開研究。

論文主要完成了以下工作：

（1）在震害調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量土石壩震害數(shù)據(jù)，對土石壩在地震中的震害比例、震害類型、易損部位，易損壩型進(jìn)行了統(tǒng)計歸納。對震害影響因素與土石壩震害的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定了影響土石壩震損程度的主要因素。

（2）從土石壩實際震害出發(fā)，結(jié)合我國歷史土石壩震損分級經(jīng)驗和存在的不足，從震害情況、水利功能保留情況、壩體修復(fù)難易程度三個方面將土石壩震害等級劃分為五個等級。

（3）在歸納土石壩震損規(guī)律、研究震害影響因素與震害相關(guān)性、土石壩震害等級劃分研究、土石壩震害影響因素研究的基礎(chǔ)上，由我國數(shù)次大地震中數(shù)千座土石壩在各個烈度區(qū)內(nèi)的破壞數(shù)據(jù)，構(gòu)建出我國土石壩地震破壞概率矩陣，并首次給出了土石壩地震易損性曲線的分布形式。

（4）基于我國地震現(xiàn)場評估標(biāo)準(zhǔn)，通過引入損失比的概念，將定性的土石壩震害程度描述數(shù)量化，作為定量描述土石壩震損程度的指標(biāo)。將損失比值作為各個震害等級分界閾值，克服了采用定性描述方法劃定土石壩震害等級帶來的不便。由土石壩地震破壞概率矩陣數(shù)據(jù)，對土石壩在各個地震烈度下的易損性進(jìn)行研究。建立了一個適合我國國情的各烈度區(qū)內(nèi)土石壩地震易損性曲線。在損失比概念的基礎(chǔ)上，通過群體土石壩震害易損性分布的研究，土石壩群體震害預(yù)測評估模型被建立起來。利用土石壩震害影響因子分析，確定土石壩群體震害的其他修正參數(shù)值，最終確定土石壩群體震害快速預(yù)測模型和評估方法模型。該模型可以預(yù)測評估VI～X度烈度區(qū)內(nèi)土石壩震害總數(shù)量、各個烈度區(qū)土石壩震害數(shù)量、處于各種震害程度土石壩震害數(shù)量，評估特定烈度區(qū)土石壩震害程度及其比例以及土石壩群體遭受的震損程度。

（5）由于土石壩震害的因素及震害等級分類本身具有模糊性，論文采用多元模糊預(yù)測的思路，建立起一種新的單體土石壩震害預(yù)測的方法。這一單體預(yù)測方法一方面體現(xiàn)了震害實際中烈度、壩基等震害因素以及震損破壞程度連續(xù)變化的實質(zhì)，使得輸入的評判信息更加符合真實情況，從而能夠得出準(zhǔn)確的結(jié)論；另一方面，采用多元模糊預(yù)測評估方法，根據(jù)實際震害規(guī)律，通過一定抽象假設(shè)條件建立起來的隸屬函數(shù)的形式，表達(dá)了震害因素與震損等級直接的相關(guān)規(guī)律，避免了采用統(tǒng)計回歸中由于震害復(fù)雜性導(dǎo)致的回歸系數(shù)差的問題。同時采用多元模糊合成，考慮了單個因素間的相互耦合作用，思路清晰明確，避免了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法中對震害機理認(rèn)識的“黑匣子”問題。最后再通過203座歷史震害數(shù)據(jù)的對土石壩模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)進(jìn)行局部調(diào)整，最終確定土石壩震損快速多元模糊預(yù)測模型，可以很好地對單體土石壩震損等級做出預(yù)測。

（6）通過研究震區(qū)內(nèi)土石壩的破壞比同損失比在各烈度區(qū)內(nèi)的變化規(guī)律，結(jié)合土石壩震損等級及數(shù)量在各個烈度區(qū)內(nèi)的分布規(guī)律，采用概率統(tǒng)計方法得到土石壩在震區(qū)范圍內(nèi)損失比的分布公式，可在短時間內(nèi)估算出地震造成的損失，總體上把握土石壩的地震損失程度，從宏觀角度快速、簡捷地對土石壩的損失做出整體評估，為地震應(yīng)急和災(zāi)后規(guī)劃重建提供參考。