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地震危害论文范文

来源：文库

作者：开心麻花

2025-09-18

地震危害论文范文（精选5篇）

地震危害论文第1篇

一、地震震级、烈度对房屋的危害

地震按其震动能量的大小可划分成若干等级, 叫震级。震级表示从震源出发的一种波动的能量, 目前常用的是里氏震级, 从1～9级, 5级以上能引起不同程度的破坏。烈度是指地震发生后在地面上造成的破坏和影响程度, 分为1～12度, 一般地说, 1～3度对建筑物无损坏, 3度开始有振动感觉, 4度对建筑物有轻微影响, 5度以上会损坏建筑物, 其损坏程度要看建筑物的结构、材料及施工质量。地震发生后即以波的形式开始传播。波一般分为两种, 一种是横波, 即水平运动的波, 另一种是纵波, 是垂直振动的波。纵波来得快, 消失也快;横波来得慢, 消失得也慢, 但对建筑物破坏性大。房屋如果经不住地面剧烈的颠簸和晃动, 就会倒塌, 但是在极震区, 地面强烈的上下跳动, 会把建筑物各部位结构震松, 甚至震垮。另外, 地面振动的频率和建筑物的自振频率比较接近时, 也能在短时间内产生类似共振的现象。这时房屋反复摆动, 越摆越剧烈, 破坏更加严重。房屋的破坏与水平晃动的方向有很大关系, 东西方向的水平晃动, 东西方向的墙就容易倒塌, 而南北方向的墙容易被松裂。除此之外, 还有两种因素会破坏建筑物:一是地基发生不均匀的沉陷, 或地裂缝通过房屋, 房屋会因地基变形而破坏;另一种是地面的喷水冒砂, 一些含水的细砂或粉砂地层, 一经地震, 砂层可能要变成流质而流动, 破坏房屋。

二、不同结构房屋的抗震性能

房屋抗震性能的好坏是由许多因素构成的, 如材料的质地、结构形式、施工质量、地基选择。

1. 木结构房屋

这是指木骨架承受屋顶与楼层重量, 墙体只起围护作用的房屋。围护墙和木骨架之间一般都没有什么预防措施, 所以稳定性很差, 如我们北方的木骨架民房。木骨架部分的抗震性能较好, 一般讲七、八度地震时不致于有倒塌的危险, 九度以上时才可能塌落。但周围的围护墙常是首先受到破坏, 造成震害。所以这类房屋的关键是加强屋架与墙体之间的预防措施及墙体的稳定性, 防止墙倒伤人。

2. 混合结构房屋

这类房屋是指用粘土砖等砌块做墙体, 并采用装配的或整浇的钢筋混凝土楼盖及屋盖的房屋。由于其所用材料的脆性性质, 抗拉、抗剪、抗弯的能力很低, 因而, 在地震中抵抗地震灾害的能力较差, 特别是未经抗震设计的多层砌体房屋在地震中的破坏更为严重。地震时在砖墙上很容易产生裂缝, 在反复地震作用下, 裂缝不断发展, 增多, 加宽, 最后导致墙体倒塌, 楼盖塌落。混合结构房屋震害大体情况如下。

(1) 房屋倒塌。这是严重震害, 也是对人们生命财产造成较大危害的灾害。当结构底层墙体不足以抵抗强震作用下的剪重大, 刚度差或砌体强度差时, 则易造成上部倒塌。当个别部位整体性差, 连接不好, 或平面、立面处理不当时, 则易造成内部倒塌。

(2) 墙体裂缝、破坏。墙体裂缝形式主要是水平缝、斜裂缝、交叉裂缝和竖向裂缝等, 严重的裂缝可导致墙体破坏。

斜裂缝主要是由于在地震剪力作用下, 墙体抗主拉应力的强度不足而产生的。当地震反复作用时, 可形成交叉裂缝。因建筑物底部的地震剪力较建筑物上部的大, 故底层裂缝较上层严重。在房屋的横面、山墙上最易出现这种裂缝, 主要因为山墙的刚度大, 分配的地震作用大, 而其上的压力又较小的缘故。在纵向的窗间墙上也易出现这种交叉缝。

水平裂缝大都发生在外纵墙窗口的上下截面处。其产生原因主要是当楼盖刚度差, 横墙间距大时, 横面水平地震剪力不能通过楼盖传到横墙, 而引起纵墙受弯、受剪。因墙体与楼板连接处有时也产生水平裂缝, 这主要是因为楼盖与墙体锚固差, 当纵横墙连接不好时则易产生竖面裂缝。

(3) 墙角破坏。其产生的主要原因是墙角位于房屋的尽端, 房屋整体对其约束作用差, 纵横产生的裂缝往往在墙角处相遇, 加之于地震作用下产生的扭转应使墙角处于较复杂的应力状态, 应力也较为集中。特别当房屋尽端布置空旷房间时, 横墙少, 约束更差, 更易产生这种形式的破坏, 甚至造成建筑物角部、局部倒塌。

(4) 楼梯间破坏。主要是墙体破坏, 楼梯本身很少破坏。这是因为楼梯在水平方向的刚度大, 不容易破坏, 而楼梯面的墙体在高度方向缺乏有力支撑, 空间刚度差, 特别在顶屋空间墙高而稳定性差, 容易造成破坏, 若楼梯在房屋尽端, 其破坏更为严重。

(5) 楼盖与屋盖的破坏。楼盖与屋盖是房屋建筑的主要构件, 它将建筑物垂直方向的荷载和水平地震作用传给墙体, 再由墙体传给基础。无论是整浇或装配式楼盖, 在地震中很少因楼盖 (或屋盖) 本身强度、刚度不足而造成破坏的。整浇楼盖往往由于墙体倒塌而破坏。装配式楼盖则可能因在墙体上的支撑过小, 或由于板与板之间缺乏足够的拉结而塌落。

(6) 附属构件的破坏。这些构件基本上都突出在建筑物外面, 由于与建筑物本身连接较差等原因而造成大量破坏。如6～7度区内突出屋面的小烟囱、女儿墙、门脸或附墙烟囱大量倒塌;无筋砖过梁的开裂、下坠;板条抹灰物伞顶开裂、剥落, 隔墙的顶端和两侧边出现裂缝等。8度区破坏更为普遍。

3. 钢筋混凝土框架结构房屋

历次地震经验表明, 钢筋混凝土多层框架结构房屋具有较好的抗震性能。未经抗震设防的结构, 在6～7度区主体结构基本完好, 填充墙有轻微裂缝;在8～9度区主体结构局部破坏, 填充墙及屋顶突出部严重开裂或倒塌, 在10度区梁柱严重破坏, 少量倒塌, 填充墙严重破坏。考虑抗震设防的框架结构, 震害则相应减轻。下刚上柔的框架房屋 (下部填充墙较多) , 上较重。框架的震害主要反映在梁柱节点区。柱的震害重于梁, 柱顶震害重于柱底, 角柱震害重于内柱, 短柱震害重于一般柱。

(1) 柱。柱顶周围有水平裂缝, 斜裂缝或交叉裂缝, 重者混凝土压碎崩落, 柱内纵筋压屈呈灯笼状, 上部梁板倾斜。主要原因是节点处柱端的弯矩、剪力、轴力比较大, 柱头箍筋配置不足, 在压弯剪联合作用下, 柱顶混凝土开裂、剥落, 同时纵筋压曲。角柱所受扭转剪力较大, 同时受双向弯矩作用, 该处樘梁约束作用又小, 所以震害重于内柱。当框架房屋中有错层、夹层或半高填充墙, 容易形成短柱刚度大, 短柱的刚度, 将吸引较大的地震力而易发生剪切破坏, 造成脆性错断。

(2) 梁。梁的两端在节点附近产生周围的竖向裂缝或斜裂缝, 一般比较轻。

(3) 梁柱节点。在反复地震作用下, 节点主要承受剪力和压力。节点的破坏与节点处梁柱的破坏先后有关。若梁较弱, 梁的破坏在先, 则有利于减轻节点震害, 若梁较强而柱较弱, 则节点震害会加重。

(4) 填充墙。由于框架结构的变形为剪切型, 下部层间变形大, 故沿高方向填充墙的破坏是下部几层严重, 靠顶部轻微。而在框架剪力墙结构中情况则相反, 填充墙在上部几层破坏严重。

4. 钢结构房屋

这是指钢柱支承钢屋架的单层房屋或钢柱支承钢制主次梁的多层房屋。这类房屋的抗震性能强, 地震中很少受到破坏。原因在于钢材强度高, 材质均匀, 延性好, 从而可保证结构的抗震安全性。

三、建筑地基的选择应结合防震抗震

建筑地基的选择应避开容易受到地震灾害的部位或地区。

1. 活动断裂带中容易发生地震的部位及其附近地区。

1960年2月29日摩洛哥的阿加迪尔发生了一次5.8级地震, 竟把整个城市毁灭了。其原因之一就是这个城市建筑在断层交叉层上的附近。而断层交叉点是一个容易发生地震的部位。这次震源正好就在这个交叉点上, 于是在它附近的阿加迪尔城遭到了毁灭性的破坏。

2. 地下水位较浅的地方和松软的土地, 如河道、旧池塘或沙滩。

由于这些地方的地基松软, 一旦遭震就会崩塌。如1933年3月10日美国洛杉矶附近长滩的6.3级地震。其所以如此, 就在于建筑物位于洪水泛滥过的松软冲积土和砂层上。

3. 地势较陡的山坡, 斜坡及河坝旁边。

这些地方遭到地震, 不但上面建筑物容易倒塌, 还会由山崩滑坡而被淹没, 或因重力关系而滑下。

4. 地下有深洞的地方, 石灰岩地区。

在地面以下不太深的地方如探明有较大的溶洞, 地震时也可能造成局部塌陷, 所以在它上面不应该建筑高大或沉重的建筑物。

强烈的地震, 虽然是一种自然灾害, 但只要我们认识它的规律, 采取相应的预防措施就可以避免或减轻震害。

摘要：针对地震对房屋的危害、不同结构房屋的抗震性能及建筑地基的选择应结合防震抗震进行了探讨。

地震对公路的危害及防治措施第2篇

一、地震对公路的危害

1.四川汶川地震的危害

青藏高原东缘的北川断层(Beichuan fault)和彭灌断层(Pengguan fault)为晚更新世-全新世活动断层,表现为逆冲-右旋运动性质,形成走滑断层,其走滑位移量大于垂直位移量,断层的长度足以产生强地面震动的地震,成为区域地震危险性的潜在震源。以致2008年5月12日14时28分,四川汶川发生8级地震,其释放的能量是1976年唐山7.8级地震的3倍,对公路交通造成较大损害。

(1)公路震害。汶川地震发生后,据不完全统计全国公路受损里程累计达53295公里。成(都)绵(阳)高速公路交通中断;绵广高速公路因地震全线双向封闭。都江堰通往汶川的公路完全中断,四川阿坝州境内多条国省干线公路交通中断,途经汶川震中的G213道路松潘县境内、安宏县道松平路双河以下,小金境内省道303、210交通全部中断。尤其是阿坝州公路交通损失严重。全州国省干线公路、农村公路、道班房、桥梁、安保设施等均受到严重破坏,特别是汶川县、茂县、理县和黑水县交通设施毁坏极为严重。截止5月18日,全州交通设施损失金额初步统计达166亿元,全州公路大部分出现边坡滑坡、崩塌、开裂和沉陷,受灾里程达6043公里;桥梁出现断裂、落梁等震害,受灾桥梁896座。

(2))桥梁震害。据西南交通大学土木学院桥梁工程系李亚东教授统计,汶川地震中,全国有6140多座桥梁遭受到不同程度的损毁,有的主梁产生了裂缝,有的桥墩压溃。

2.辽宁、海城、营口地震的危害

1975年2月4日19时36分,辽宁海城、营口地区发生了7.3级强烈地震。震中在北纬40.6度,东经122.8度。这次地震,发生在辽南丘陵地区和辽河冲积平原的交界地带。因工程地质的差异,辽南丘陵地区,基岩露头,第四纪覆盖层较薄,构造物震害较轻;西部为辽河冲积平原,第四纪沉积层较厚,构造物震害较重。

(1))公路路基震害。海城、营口、盘锦、鞍山地区公路受震害影响较为严重,辽阳、本溪、锦州等地也受到影响。由于受灾地区公路路基都比较低,而填筑材料多为砂型土,造成路基沉陷、路堤塌滑、边沟淤塞等路基损坏现象:

一是路基沉陷。一种是成段的不均匀沉陷,路基出现纵向和横向裂缝。桥头引道路堤沉陷,使桥面与引道路面出现明显的垂直裂缝,最大沉陷量为20余厘米。另一种是路基塌陷形成大陷坑。营口市震后公路路基相继出现比较大的陷坑16处,平均每个陷坑抢修时填入片石约50立方米,最大陷坑面积120平方米,深约2米左右,填方160立方米。盘锦地区震后公路路基出现陷坑50余处,最大陷坑面积49平方米,填石方50立方米。海(城)釉(岩)线牌楼至孤山段3米多高的路堤都沉落陷下。

二是路堤塌滑。桥头引道和河滩上的高填土路堤除了边坡有滑坡现象外,有些路堤是边坡向河心滑移,出现顺河岸的裂缝,个别段岸坡及路堤一起向河心滑移。田庄台桥两侧河岸的裂缝对路堤影响的范围达100至204米,裂缝宽度由几厘米至几十厘米,最大缝宽一米左右。

三是边沟淤塞。在震区西部由于砂土液化,公路两侧边沟出现了大量喷水冒砂。有的水砂积满边沟,有的连取土坑也淤满。

(2)桥梁震害。通过震区的公路共有桥梁513座,遭受震害被毁的96座,占震区桥梁总数的18.3%。桥梁毁损情况有:基础或墩台不均匀下沉、滑移、倾斜、断裂;梁的局部挤坏,纵横向移动、整体坍塌;拱桥上部结构局部挤坏,拱圈变形开裂、折断; 支座锚固螺栓剪断,摆动支座位移、脱落等。在这些遭受震害桥梁中,以盘山双台子河大桥和在建中的营口田庄台辽河大桥损毁最为严重。

3.河北唐山地震的危害

1976年唐山地震极震区内几乎所有建筑物均荡然无存,在震区及周围地区,出现大量的裂缝带,喷水冒沙、井喷、重力崩塌,滚石、公路边坡崩塌,桥梁地基沉陷,岩溶洞陷落以及采空区坍塌等。震区桥梁十之三、四遭到破坏。在地震≥10度烈度区内,建于软弱地基上的桥梁全部遭到极其严重的破坏;在一般地基上的桥梁出现墩台裂缝、因土压力增大水平方向抵抗力降低而引起墩台的水平位移和倾斜等。

二、在公路建设中对地震灾害的防治措施

1.公路路基的防震措施

(1)平原地区路基的防震措施。尽量避免在地势低洼地带修筑路基;在软弱地基上修筑路基时,要注意鉴别地基中可液化砂土、易触变黏土的埋藏范围与厚度,并采取相应的加固措施;加强路基排水,避免路侧积水;严格控制路堤压实,特别是高路堤的分层压实;注意新老路基的结合;尽量采用粘性土做填筑路堤的材料,避免使用低塑性的粉土或砂土;加强桥头路堤的防护工程。

(2)山岭地区路基的防震措施。沿河路线应尽量避开地震时可能发生大规模崩塌、滑坡的地段;尽量减少对山体自然平衡条件和自然植被的破坏,严格控制挖方边坡高度,并根据地震烈度适当放缓边坡坡度;在山坡上宜尽可能避免或减少半填半挖路基,如不可能,则应采取适当加固措施;在≥7度烈度区内,挡土墙应根据设计烈度进行抗震强度和稳定性验算。

2.桥梁的防震措施

(1)充分利用有利地段选定桥位。

(2)在可能发生河岸液化滑坡的软弱地基上建桥时,可适当增加桥长、合理布置桥孔,避免将墩台布设在可能滑动的岸坡上和地形突变处。

(3)当桥梁基础置于软弱黏性土层或严重不均匀土层上时,应注意减轻荷载、加大基底面积、减少基底偏心,采用桩基础。

(4)尽量减轻桥梁的总重量,尽量采用比较轻型的上部构造,避免头重脚轻。

(5)加强上部构造的纵横向联结,加强上部构造的整体性。

(6)多孔长桥宜分节建造,化长桥为短桥,使各分节能互不依存地变形。

浅谈地震次生灾害危害成因与治理第3篇

1 主要类型与危害

1.1 坡地地质灾害

坡地地质灾害主要包括崩塌、滑坡与泥石流。发生在山区的强烈地震后, 岩层破裂, 地表破碎, 暴雨频繁发生, 水土流失严重, 为崩塌、滑坡、泥石流提供了物质、动力和触发条件。地震对滑坡的影响很大, 地震的强烈作用使斜坡土石的内部结构遭到破坏并发生变化, 原来的结构面张裂松弛[1]。在地震力的反复震动冲击下, 斜土石体容易发生变形, 最后发展成严重的滑坡。地裂缝、地面坍塌、道路滑塌在震后也大量出现。地震使地质构造发生变化, 岩层破裂, 在暴雨的诱发下, 容易引发塌陷。地震引发路面裂缝与软化、路基塌陷、公路边坡崩塌与滑坡, 进而形成道路滑塌。而当泥石流发生时, 洪流中有大量泥沙石块, 混合成一股粘稠的泥浆, 沿陡坡奔腾而下, 来势凶猛, 历时短暂, 破坏力极大。

1.2 堰塞湖

地震提供大量的松散物质, 暴雨提供充足的水源和动力条件, 在滑坡阻塞河道时, 形成堰塞湖。地震引起的堰塞坝体是由不均质的、级配范围广的松散体速堆积形成, 土体尚未固结。对绝大多数堰塞坝来说, 堆积体中还夹杂着巨石, 直径从几十厘米到数米, 更增加了其不均质性。灾区形成的堰塞湖, 一旦决口后果严重。伴随着次生灾害的不断发生, 堰塞湖的水位可能会迅速上升, 随时可发生重大洪灾。堰塞湖一旦决口会对下游形成洪峰, 破坏性不亚于地震的破坏力。

1.3 社会灾祸

地震发生后, 可能引起火灾、毒气污染、细菌污染;冬天发生的地震容易引起冻灾;夏天发生的地震, 可引起环境污染和瘟疫流行等等。这些社会灾祸使社会秩序混乱, 给人们的心理造成很大冲击。

2 成因分析

2.1 主震强烈, 余震频繁

地震在构造应力的作用下, 长期积累的能量突然释放, 使地壳岩层变形、断裂、错动, 常常会造成滚石、山崩、滑坡、地裂缝、地面鼓包、地基沉陷、沙土液化、冒沙、冒水等地面破坏想象, 使地表变得破碎不堪, 震区生态环境遭到巨大破坏。主震造成的底层断裂, 为余震频繁爆发提供了有力条件。余震一般规模和震级较主震小, 发生次数多, 再次使人员和建筑物遭到破坏, 危害有时超过余震。主震和余震共同塑造了地表形态, 提供了大量的松散物质, 为诱发坡面地质灾害提供了物质来源[2]。

2.2 暴雨频发

地震和余震产生的剧烈震动, 大量山体破裂, 部分地层出现松动和断裂, 崩断作用极易发生, 一旦出现强降水, 次生地质灾害险情加剧。地震引发多出处裂缝, 地球地球的热量大量释放出来时地面温度升高, 蒸发强烈, 地下水汽沿着裂缝进入空气中, 这样在地面形成很强的上升气流, 极易引起暴雨, 诱发坡地地质灾害。

2.3 水循环发生变化

地震后, 地表结构、含水层结构以及地表覆被状况都发生了较大的变化。这些变化使降水和水流规律发生了变化, 进而导致区域地表水-地下水系统平衡场和水循环规律发生较大改变。同时, 地震堰塞湖的存在, 不禁改变了原有的河道形态和山区河流水动力规律, 而且流域内变化了的水循环体系会对河流两岸岩体的稳定性产生较大影响, 进而导致一系列的次生灾害。

3 地震次生灾害的治理措施

3.1 加强水环境的治理

地震引发的次生灾害, 对水文和水环境会造成严重的破坏。从恢复重建的角度考虑, 既要寻求震后短期的应急水源、河道疏通的问题, 也要认真思考地震对区域水文循环和水资源的影响。在灾后恢复重建过程中, 既要加强水文预防和水资源的有效利用, 也应该严防滑坡和泥石流的发生。因此, 加大对流域水循环和水资源的系统研究力度, 是灾后重建过程中的重要一环。

3.2 排除堰塞湖险情

地震引发的堰塞湖险情, 对灾区居民的生命财产安全造成了极大了威胁。对高险情的堰塞湖要果断采取坝体爆破放水, 以免溃坝酿成洪灾, 引发更大损失。对于处于下游的居民要及时撤离, 确保人员的安全。要及时疏通河道, 以免发生堵塞, 影响河流下游;还要防治坡面地质灾害的形成, 切断堰塞湖形成的物质来源。

3.3 工程措施

震后山区滑坡、泥石流的强烈活动还要持续一段时间, 在重建时应避开断裂带, 加大建筑物的抗震等级, 确保安全[4]。灾区内滑坡多发地段应该对坡脚进行切除, 对路基不稳路段要加固, 以防出现塌陷。特别的, 在地震次生灾害多发地区, 应专门进行大比例尺的次生地质灾害调查与危险区评价。规划建设中还要充分考虑到能源节约、废弃物处理、资源循环利用等要素。

3.4 控制传染病的发生

震后可能引发环境恶化、水体污染和传染病的流行等一系列的问题。应及时对居民饮用水进行快速污染物监测分析, 对震后的畜禽做相应处理措施, 对受灾的街道和人员密集的场所要喷洒消毒药水[3], 严防传染病的流行。

4 结语

(1) 地震次生灾害以坡面地质灾害如崩塌、滑坡、泥石流和地面地质灾害以及堰塞湖和社会灾祸最为常见。

(2) 地震次生灾害以活动断裂为地质构造基础, 地表大量松散固体物质为物质来源, 强烈频繁的余震、坡面流水和沟谷洪流为动力条件, 暴雨、洪水、持续的高温为诱发和触发因素。

(3) 对灾区的治理措施要以工程措施为主。首先要尽量减少对水文和水环境的不良影响, 消除堰塞湖的威胁;其次要严防坡面地质灾害的发生, 切除坡角, 加固路基, 修建防治工程。

参考文献

[1]陈晓兰, 卢胜国.地震诱发滑坡的机理研究[J].安徽农业科学, 2009.

[2]张根深, 刘允清.河北省北部地震次生灾害预测[J].华北地震科学, 1999.

[3]秦媛.唐山地震次生灾害源的防治[J].防灾博览, 2002.

地震危害论文第4篇

20世纪以来,随着国民经济的高速发展,人口高度集中于城市,地震灾害对城市的破坏和影响尤为严重,城市地震造成了大量的人员伤亡和经济损失。有关研究表明,地震发生时,受影响最严重的主要是活动断层沿线及其附近地区,因此对活动断层的探测以及近断层地震动的研究是城市防震减灾工作中重要的一环,也是工程建设的需要,为此需要在确定潜在发震断层后,研究估计断层发生地震所产生的近断层地震动场。从工程地震的角度看,近断层地震动研究的主要目的是给出未来发震断层附近的强地震动分布区域,研究模拟和预测地震动的模型和方法,为近断层地区的工程抗震提供合理的依据。

近断层强地震动的研究方法主要有基于统计衰减规律的直接统计方法和转换方法、基于表示定理的格林函数方法、有限差分和显式有限元数值模拟的方法、混合方法以及基于设计反应谱的地震动预测方法等。本文采用显式有限差分数值模拟的方法研究近断层强地震动特征,介绍了显式拉格朗日有限差分法的原理、计算方法,对本文模拟用到的模型本构关系、时间步长的确定以及计算过程作了说明。通过对每一个试验段的不同倾角、不同倾向的七种模型施加不同的地震波荷载,得到了张店-仁河断裂近断层地震危害场的数值模拟结果,包括各种情况下的变形场、应力场、位移场和加速度场,数值模拟结果均以图形化的方式直观地显示出来,最后分析了所得到的计算结果。

1 工程概况

本文计算模拟的张店-仁河断裂位于山东省淄博市,全长约50公里,总体呈南北向展布,断裂的断层结构面特征、断层面上的擦痕特征和断层泥石英碎屑表面显示构造特征表明,张店-仁河断裂的破裂方式以粘滑破裂为主,兼有少量蠕滑破裂。它是一条对淄博市城区地震安全至关重要的断裂。图1为张店-仁河近场区断裂构造图。

2 显式拉格朗日有限差分法

Wilkins提出一种可以导出任意形状单元的差分方程法显式拉格朗日有限差分法,适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题求解。它在采用显式有限差分分析方法求解运动基本方程过程中,采用离散元的动态松弛法,不需求解大型联立方程组(大型刚度矩阵),便于在计算机上实现。同以往的差分分析方法相比,快速拉格郎日数值分析不但可以处理一般的大变形问题,而且可以模拟岩体沿某一弱面或结构面产生的滑动变形,同时还能够针对不同的材料特性,使用相同的本构方程来比较真实地反映材料的动态行为。边界的形状可以是任意的,任何单元可以有任何参数值[1]。

3 震源破裂过程及模型建立原则

地震是由地球内部缓慢积累的能量突然释放所引起的地球表层振动,地震的发生与断层活动密切相关。断层的破裂是从地壳岩石中地震震源处开始,沿一个近似平面的断面向外非均匀地扩展,这主要是由于断裂岩石物理特性的不均一性所致。当遇到断层面上的凹凸体或障碍体时,其滑动方向、速度等发生相应的变化,最终的断面为一个具有一定规则性的粗糙面。在野外观察实际的断层和在岩石测试的实验室里小规模的模拟,都证实了断层破裂面的这一形态。

我们所建立的震源模型是将断层简化为了空间中的一规则平面,其上各点的参数基本一样。断层的破裂过程从震源开始,向外近均匀扩展,且断层面上区域内的各点的位错值、破裂速度等值相同。通过如此的简化,在计算机程序的编制和模型的计算上得到很大的方便。

通过上述方法,虽然使模拟的断层得到了简化,但简化断层所产生的对地面的影响并没有发生大的改变。因为在模型的建立中,我们考虑了各方面因素和使用了多种方法使简化断层与实际断层产生的地震动基本相同。例如,在断层面简化过程中,所取的平均位错代表了整个断层面的位错分布,这样总地震矩没有变化,地震的规模也相应没有变化。

4 本构关系

我们知道,作用在可变形固体上的其他方程组为本构关系,或者称为应力-应变准则。由于本文的实体模型中含有完整基岩这一层,我们采用各向同性弹性模型作为它的本构模型;其余的风化基岩层、粘土层、耕土层等均具有土的性质,而土是一种极为复杂的复合体,具有很复杂的力学行为。在外力的作用下,土体不仅产生弹性变形,而且还会产生不可恢复的塑性变形,我们采用摩尔-库伦模型作为其本构模型进行计算。

4.1 各向同性弹性模型

弹性各向同性模型提供了材料性质最简单的表述,这种模型适用于应力应变特性呈线性关系的无卸载滞后现象的均质、各向同性、连续性材料[1]。

在此本构模型中应力应变关系依胡克定律,用应变增量的形式表达。其平面应变的表达式为:

式中:a1=K+(4/3)G;a2=K-(2/3)G;K体积模量;G剪切模量。

式中:Δeij应变张量增量;u一位移速率;Δt时步。

在平面应力下,这些等式为:

式中:。

4.2 摩尔-库伦模型

这种模型的破坏包络线对应于摩尔-库伦判据(剪切屈服函数)加上拉伸分离点(拉应力屈服函数),与拉应力流动法则相关联而与剪切流动不相关联。

这种模型的实现用到了主应力σ1、σ2、σ3和平面外应力σ22。主应力和主方向从应力张量分量计算(压应力为负)。σ1≤σ2≤σ3。

相应的主应变增量Δe1、Δe2、Δe3分解为:

这里上标e和p分别指弹性和塑性部分,塑性分量只在塑性流动阶段不为零。胡克定律的主应力和主应变的增量表达式为:

式中:a1=K+(4/3)G和a2=K-(2/3)G。

4.2.1 线弹性应力应变关系

岩土材料开始屈服以前,应力应变之间的关系为线弹性,用标准的线弹性关系式表示为:

式中σij是一点的应力张量;εkl是一点的应变张量;Cijkl是弹性常数。

对于各向同性材料其显示形式是:

式中,λ和μ为Lame常数,

4.2.2 屈服条件

当物体中某一点开始产生塑性应变时,其应力或应变所必须满足的条件叫做屈服条件,亦即是初始弹性条件下的界限,将其表示为应力的函数[1]:

用应力不变量可以表示为:

由于岩土材料组成上的不均匀性和固有裂隙的分布,使得材料在受载过程中细微裂隙进一步发展与运动,并导致材料的宏观强度和刚度的降低。因此材料的非弹性变形主要是为裂隙和缺陷的产生与扩展所引起的。

Mohr-Coulomb屈服条件为:

4.2.3 流动准则

在屈服之后,土体的特性将是部分弹性和部分塑性的,在任一应力增量过程中,其应变由弹性分量和塑性分量两部分组成,因此有:

弹性应变分量比较容易求得,而塑性应变分量与塑性势函数Q有如下关系:

对剪塑性流动和拉塑性流动分别进行定义,并且对应不同的流动法则。剪塑性流动对应非关联流动法则,势函数为:

式中:,ψ为摩擦角。

拉塑性流动对应相关联流动法则,势函数为:

4.3 接触模型

对于模型中的断层接触面,我们给它设定的接触单元是由三个节点组成的三角形单元。如图2所示。

在每一个时步里。接触目标面和接触节点的法向绝对侵入量和切向相对速度都被计算出来。把这两个值代入到接触面本构方程就可以算出接触面上的法向应力矢量和切向应力矢量。其法向和切向本构方程如下:

式中kn为法向接触刚度;ks为切向接触刚度;A为接触面积。接触单元服从库仑剪破坏屈服准则和拉破坏屈服准则。

5 边界条件的设定

当结构在地震激励下振动时,若用有限截取模型模拟无限介质,则会在人工截取边界上发生波的反射,从而引起波的震荡,导致模拟失真。如果在边界上施加特殊的边界条件,即引入人工边界条件就可以解决这个问题。为此,人工边界常被用以解决有限截取模型边界上波的反射问题。人工边界包括粘性边界、吸收边界、透射边界和统一边界等。

本文主要采用粘性边界来处理各试验段边界。粘性边界是由Lysmer等于1969年提出,是最早的局部人工边界,是利用有粘性阻尼器耗能的原理,在有限模型的假想边界处设置阻尼器,利用其产生的与运动速度成正比的粘性阻尼力吸收逸散波能量。这种静态边界方案包括了在法向和切向独立连接到边界的阻尼器。这些阻尼提供粘性的法向和切向应力。例,粘性边界上的法向应力σn和剪应力σs,由下式给出:

式中:vn和vs边界上速度的法向和切向分量;ρ密度;Cp和Csp波和s波波速。

在动力计算时,动荷载的输入可采用加速度时程、速度时程、位移时程和应力时程四种方式,但对粘性边界条件,则必须采用应力时程。本文具体模拟中,由于山东省地震研究院提供的荷载是校正后的各级地震加速度时程文件,对于加速度时程,首先通过积分转化成速度时程,再利用式(17)转化为相应的应力输入。在加载地震波计算时,对模型的一个侧面施加粘性边界,其余的面为自由面。地震作用以水平方向加速度形式施加在模型底部。

6 显式时间步长法的计算过程

显式法计算的过程或计算次序如图3所示。首先引用运动方程从应力和力导出新的速度和位移,然后从速度导出应变速率,再从应变速率导出新的应力或力。对于循环圈的每一周期,我们采用一个时步。值得注意的是图3中的每个方框根据已知值更新了自身的网格变量,而这些已知值在方框内操作时是保持恒定的。例如,下部的方框取一组已经算出的速度值,对每个单元计算新的应力。方框内应力-应变关系运算时可以将速度值假设为定值,也就是说,最新计算的应力并不会影响速度。这看起来似乎有点不合理,因为我们都知道,如果某处的应力有所改变,它会影响到它的周围区域并且改变它们的速度。然而,由于我们所选的时步很小,则信息在如此小的时间间隔里就不会从一个单元传到另一个单元,信息在所有物质中传播速度都有个极限。由于每个循环圈占用一个小的时步,相邻单元在计算过程中的确不能相互影响,那么关于速度恒定的假设也就是合理的,当然,经过数轮循环以后,扰动是可以传播过多个单元的,正如扰动的物理传播过程一样。因此,显式法的中心思想是在解方程过程中,使方程总是在已知值上运算,尽管本构方程是非线性的,当从单元的应变计算应力时,也不需要迭代过程。

7 计算模拟及结果分析

基于山东省地震工程研究院提供的淄博市活断层的钻孔探槽资料,沿着张店-仁河断裂共考虑了五个试验段。本文选取第二段的计算结果为例来说明对于张店-仁河断裂的模拟。第二段分为四层,从地表往下依次为耕土(覆盖层)、粘土、风化基岩和完整基岩。该模型倾角45度,下盘与上盘有5米的位错,断层左侧取100米,右侧取200米,Z向厚度为120米,Y向长度为1000米。参考相关资料,每一层所取的力学参数如表1所示。

最后生成的模型有83500个计算单元和105084个网格点。近断层网格5米,远断层网格10米。

图4所示为模型的Group图,即外观图;图5是断层图,表明断层所在的位置及断层的倾向与倾角。当输入6.5级地震波计算之后,得到了Z向的位移云图,如图6;图7所示为提取出的剖面水平方向位移量分布;图8是提取出的剖面垂向上位移量分布图;

针对所得到的各个断层分段的模拟结果,我们作出如下分析:

对于同一个地理分段,同一震级下,不同的倾角模型计算之后结果具有较大差异,显然80度倾角模型的水平方向位移量和垂向位移量分别要比45度倾角的量值大1个数量级。说明在相同的地震条件下,倾角大的模型震后破坏要大。

而对于某一个具体的模型,特别是垂向位移量比水平方向上的更加明显一些。在水平面上,沿着断裂走向(Y轴)的位移量及变形量很小,从水平面上(X轴方向,即垂直于断层方向)和垂向(Z轴方向)的位移量及其变形量计算结果可以看出,在整体上,沿着垂向(Z轴)上的位移量和变形量又比X轴方向的量值大1～2倍,正断裂滑动以垂直运动为主。因此,上述位移量和变形量分布特征,与实际的正断裂活动特征相一致。

对于垂向上的位移分布,地表最大变形量并没有出现在隐伏地震断层上断点在地表的投影,而是在向断裂上盘偏离10～100m的范围出现,符合实际观测得到的断层地震动的上盘效应特点[2]。科学地估计这种偏离量以及最大变形量出现的位置,对于合理地采取设防措施、减轻地震地表变形带潜在危害具有重要的意义。

8 结束语

由于显式拉格朗日有限差分法的计算模拟结果能表现出接触块体相互运动和变形的特征,并且由于不解总刚度方程,便于在计算机上实现,计算速度快,占用存储空间小,能够很好地对活断层近断层地震危害场进行模拟,计算结果可以为防震减灾和工程设计提供指导和参考。

参考文献

[1]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]刘启方,袁一凡,金星,等.近断层地震动的基本特征[J].地震工程与工程振动,2006,26(1):1-10.

[3]黄润秋,许强.显式拉格朗日差分分析在岩石边坡工程中的应用[J].岩石力学与工程学报,1995,14(4):346-354.

[4]王泳嘉,刑纪波.离散单元法同拉格朗日元法及其在岩土力学中的应用[J].岩土力学,1995,16(2):1-14.

[5]刘继国,曾亚武.FLAC3D在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用[J].岩土力学,2006,27(3):505-508.

地震危害论文第5篇

高山地区, 地震后一般都会引发山体崩塌, 滑坡, 泥石流, 堰塞湖等次生灾害。次生灾害对厂房建筑, 水利设施, 道路桥梁等造成严重的破坏, 对人员的安全撤离带来了不小的阻碍, 灾后重建工作也是困难重重。本文江以李仙江流域戈兰滩水电站为例, 针对其特殊地质条件, 分析地震后可能会引发次生灾害的类型, 评估次生灾害发生时对工程设施的危险性大小, 根据评估结果, 研究次灾害对水电厂房的影响并提出防止措施。

1地震引发次生灾害特征

1.1次生灾害诱发条件

地质构造岩体特性是崩塌滑坡, 泥石流等次生灾害的发生的基础条件, 在基础条件下震级, 降雨, 洪水, 人为因素则是发生次生灾害的诱发因子。地震震级, 断裂发育, 降雨量较大, 分布不均匀, 人类活动频繁都会对地质造成破坏, 导致山体滑坡, 崩塌, 泥石流等次生灾害发生。

1.2地震次生灾害类型特征

从调查中显示, 戈兰滩水电站及上游段有多处次生灾害群, 河谷有发育, 并且存在有不同程度的坍塌现象, 坍塌高度一般在8~12m。流域内第四系松散堆积物体分布较广, 分布厚度一般在5~15m, 局部达到30m, 结构松散, 透水性能较强。在流域内, 此类滑坡体大致呈为现规模较小, 密度较大的特点。

在雨季的暴雨冲刷, 降低了基岩与堆积物粘结性, 可能导致边坡失稳, 稳定性变差。岩质边坡岩性易崩解的特性, 在复杂地震力作用下, 导致岩体之间错动、变形、开裂, 形成不稳定滑坡体, 成为潜在危险点, 在强风, 暴雨等外在条件刺激下, 会产生崩塌和滑坡。泥石流的发生需要在暴雨的条件下才会发生, 流域内的降雨每年6月至11月降雨量大, 12月至次年5月的降雨量较小 (图1) 。由于地震对地质特点的改变, 形成的不稳定岩体, 滑坡、崩塌产生的碎土石是形成泥石流的重要来源, 因此区域内具备引发泥石流的必要条件, 在6月至11月引发的可能性较高。

2李仙江流域地震次生灾害的风险评估

2.1诱发崩塌, 滑坡的危险性评估

李仙江戈兰滩水电站枢纽库区及上游段河谷发育, 坝址上游1km与坝波河交口23km河段共发育36个不稳定边坡点。用灾害指数来表征崩塌, 滑坡的危险性程度, 崩塌, 滑坡的危险性评估采用《中国次生灾害区域危险性评估》[4]中建立危险性评价模型与计算模型如图2所示:

历史灾害指数 (ZDl) 计算按下式求的:

式中, G·M·N分别是历史灾害活动规模, 密度, 频次。对戈兰滩水电站其历史灾害数据根据文献资料进行评估如表1。

根据历史灾害指数公式计算的ZDl=6, 地质潜在灾害指数 (ZDq) 计算:

式中, D, X, W, P分别是地质条件, 地形地貌条件, 气候植被条件, 人为条件的标度;AD, AX, AW, AP分别表示上述4中条件的比例权重。

根据当地的地质调查报告, 估算地质潜在灾害指数各因子的数值见表2, 从地质潜在灾害指数公式计算的ZDq=3.93崩塌, 滑坡地质灾害 (ZDb) 灾害指数:

式中, ZDl, ZDq分别是历史灾害指数, 潜在灾害指数, Al, Aq分别是历史灾害 (0.3) 和潜在灾害 (0.7) 权重比例。根据上面对历史灾害指数和潜在灾害指数计算得崩塌, 滑坡地质灾害指数ZDb=4.5, 结果对照表3可以看出, 在戈兰滩水电站及其上游段地震引发的崩塌, 滑坡的危险度为严重灾害。

2.2泥石流的危险性评估

李仙江流域特殊的地质地貌, 地震会一定程度上破坏戈兰滩水电站处的地质地貌, 岩体, 从而导致边坡岩体稳定性变差。当崩塌和滑坡具有一定规模时, 崩塌和滑坡所产生的碎石, 在雨季冲刷时, 增加了诱发泥石流的频率和规模。泥石流的危险评价计算方法采用1996年发表在德国召开的“国际放在大会论文集”上的单沟泥石流危险度评价成果。单沟泥石流危险度评价采用7个评价因子, 评价因子分别为泥石流规模M, 发生频率F, 流域面积S1, 主沟长度S2, 流域相对高差S3, 流域切割密度S6和不稳定沟床比例S9[1,6]。

其中, M, F, S1, S2, S3, S6, S9分别是m, f, s1, s2, s3, s6, s9的转换值。

对于泥石流规模m, 泥石流发生频率f, 可根据文献记载和有点人员通过实地调查获得。若有困难, 可分别由《泥石流风险性评估》[5]提供的公式式计算间接求算, 其中s8为流域松散物质储量。

对戈兰滩水电厂房所在枢纽处的调查与相关数据进行评估, 其7个评价因子如表4:

通过单沟泥石流危险度评价因子转化关系得到表5:

将转换后的评价因子带入单沟泥石流危险度评价公式中计算得到, 通过计算结果可将泥石流所造成的影响分成4类, 如表6:

从表6可以看出, 位于戈兰滩水电厂房枢纽处的泥石流灾害评价为中度危险。

3地震次生灾害对水电厂房机组运行的影响

3.1崩塌、滑坡对水电厂房的影响

上述对崩塌、滑坡的危险性评估来看, 戈兰滩水电站及其上游段地震诱发的崩塌、滑坡的危险性为严重危险。厂房建筑作为水电工程的重要组成部分, 人员活动的主要场所, 由于地震的原因, 地震会对厂房及其周边建筑设施造成一定程度的损坏, 降低了厂房建筑的整体性能。例如1962年广东省新丰江水电站厂房在Ms6.1地震后出现一些轻微的损坏, 机组间伸缩缝变大, 厂房排架与柱间填充墙出现裂缝[2], 这些损坏使得次生灾害对厂房建筑的损坏更加明显, 对厂房内设备的运行造成危险更加显著。

地震诱发崩塌和滑坡对水电厂房机组运行的影响: (1) 大量碎石阻断厂房的交通道, 灾害发生时, 人员无法及时撤离, 从而造成人员伤亡。 (2) 滑坡可能产生巨大的石块撞击厂房, 对地震中受损的厂房, 引水发电设备造成破坏, 严重可能造成直接摧毁或埋没, 伴随地基下沉, 毁坏电路的状况发生。 (3) 崩塌, 滑坡造成的碎土石堆积, 是形成泥石流提供物质条件。

3.2泥石流对水电厂房的影响

地震对岩体整体性的破坏, 崩塌、滑坡产生的碎石是形成泥石流的重要来源。李仙江流域泥石流的危险度为0.354, 属于中等危害, 暴雨引发山洪夹杂大量泥石, 碎石威胁边坡厂房建筑的安全。

地震诱发泥石流对水电厂房的影响: (1) 大量的泥石流汇入大坝上游, 堵塞大坝的泄洪闸门, 造成水库水位积涨, 一定时间后可能造成溃坝、漫坝, 对下游水电厂房及其他建筑造成毁灭性破坏。 (2) 泥石流夹杂大量碎石冲毁水电厂房, 造成厂房下部积水, 损坏发电机层, 毁坏厂房输电线路。 (3) 泥石流携带大量泥沙, 增加了江水的含沙量, 水流通过水轮机, 对厂房内的设备造成磨损。 (4) 泥石流冲坏或者阻塞交通道, 影响人员安全撤离, 威胁人员的人身安全。

4防灾措施与建议

从评估的结果得出, 李仙江流域戈兰滩水电站厂房所处山体崩塌、滑坡为严重灾害, 泥石流为中等灾害。灾害对厂房具有相当的危险性, 由于其周边本身就存在一定设防措施, 其灾害对建筑的破坏性一般由工程治理控制和防止。所以可采取以下措施来防止灾害的发生:

(1) 次生灾害发生时, 尽量降低人员伤亡与财产损失, 应立即组织人员撤离水电厂房等建筑并关闭发电机组, 切断输电线路。

(2) 地震后, 应立即组织相关安全人员对水电厂房及水电枢纽周边边坡的潜在滑坡点进行地质调查分析, 对于不安全滑坡, 崩塌危险点进行及时拆除。淤泥, 碎石堆积沟壑, 应该及时疏通, 防止诱发崩塌, 滑坡和泥石流等次生灾害。

(3) 防止地震对崩塌, 滑坡, 泥石流等次生灾害的放大效应, 地震后, 等险情稳定后对出现裂缝的厂房等建筑进行加固维修。

5结论

(1) 李仙江流域水电站所处地质特点, 环境因素, 地震诱发次生灾害的发生可能性很大, 地震诱发次生灾害表现为滑坡、崩塌、泥石流等次生灾害, 其中滑坡、崩塌现象发生比较频繁。

(2) 从地震次生灾害危险性的评估计算得出山体滑坡、崩塌的危险度为4.5, 属于严重灾害, 泥石流的危险度0.354, 属于中等灾害, 山体崩塌、滑坡比泥石流具有更大的危险性。

(3) 地震次生灾害对工程建筑及厂房都有一定的破坏威胁性, 对下游水电机组的运行带来了很大的安全隐患。

参考文献

[1]苏凤环, 崔鹏, 葛永刚等.地震次生灾害对岷江干流都江堰—汶川段水电工程的影响[J].四川大学学报 (工程科学版) , 2009.5;41 (3)

[2]张杰, 王宇, 张红兵, 等.云南彝良地震次生地质灾害特征分析[J].工程地质学报, 2014;22 (2)