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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时间地点灾害种类基本情况1950年7月长江中下游、淮河流域洪水汉口长江水位高达29.73米,较历史最高水位的1931年高出14.5米,淹没农田4755万亩,1888万人受灾,财产损失在100亿元以上。1959-1961年全国范围干旱干旱范围广时间长,早情重,北方冬麦区还遭受较重的干热风危害,人口非正常死亡增加,仅1960年统计,全国总人口净减少1000万人。1963年8月海河流域洪水暴雨面积大,淹没104个县市7294多万亩耕地,水库崩塌,桥梁被毁,京广线中断,2200余万人受灾,直接经济损失达60亿元。1966年3月8日河北邢台地震震源深度10公里,震中烈度为9度强,波及60多个县,受灾面积达2.3万平方公里,毁坏房屋500余万间,8064人丧生,3.8万余人受伤。仅邢台地区不完全统计,损失就高达10亿多元。1970年1月5日云南通海地震震源深度仅134米,引起严重滑坡、山崩等,受灾面积4500多平方公里,15621人死亡,338456间房屋倒塌,166338头大牲畜死亡。1975年8月河南驻马店洪水汝河、沙颍河、唐白河三大水系各干支流河水猛涨,漫溢决堤,板桥、石漫滩水库垮坝失事,造成特大洪水,直接经济损失100亿元。1976年7月28日河北唐山地震震源深度12公里,震中烈度达11度,造成24.2万人死亡,16.4万人受重伤,仅唐山地区总的直接经济损失达54亿元。1985年8月辽河流域洪水造成辽河流域中小河流决口4000多处,致使60多个市、县,1200多万人,6000多万亩农田和大批工矿企业遭受特大洪水袭击,死230人,直接经济损失47亿元,东北三省减产粮食100亿斤。1998年7月下旬至9月中旬初长江流域洪水自1954年以来长江全流域性大洪水,受灾人数上亿,近500万所房屋倒塌,2000多万公顷土地被淹,经济损失达1600多亿元人民币。2008年南方地区雪灾全国19个省级行政区均受影响,死亡129人,失踪4人,紧急转移安置166万人;农作物受灾面积1.78亿亩,倒塌房屋48.5万间,损坏房屋168.6万间;因灾直接经济损失1516.5亿元。2008年5月12日四川汶川地震震源深度10-20公里,震中烈度达11度,造成69225人死亡,374640人受伤,17939人失踪,直接经济损失达8451亿元人民币。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-coveringandReconstruction——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①土木工程规划性防灾②工程性防灾③工程结构抗灾④工程技术减灾⑤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①热带气旋热带气旋是发生在热带或副热带洋面上的低压涡旋,是一种强大而深厚的热带天气系统。热带气旋通常在赤道南北30纬度以内的海面(如西北太平洋、北大西洋、印度洋)上形成。热带气旋的最大特点是它的能量来自水蒸气冷却凝固时放出的潜热。热带气旋登陆后,或者当热带气旋移到温度较低的洋面上,便会因为失去温暖而潮湿的空气供应能量,而减弱消散或转化为温带气旋。名称属性超强台风(SuperTY)底层中心附近最大平均风速≥51.0米/秒,也即16级或以上强台风(STY)底层中心附近最大平均风速41.5-50.9米/秒,也即14-15级台风(TY)底层中心附近最大平均风速32.7-41.4米/秒,也即12-13级强热带风暴(STS)底层中心附近最大平均风速24.5-32.6米/秒,也即风力10-11级热带风暴(TS)底层中心附近最大平均风速17.2-24.4米/秒,也即风力8-9级热带低压(TD)底层中心附近最大平均风速10.8-17.1米/秒,也即风力为6-7级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②龙卷风龙卷风是一种强烈的、小范围的空气涡旋,是在极不稳定天气下由空气强烈对流运动而产生的,由雷暴云底伸展至地面的漏斗状云(龙卷)产生的强烈的旋风,其风力可达12级以上,风速最大可达每秒100米以上,一般伴有雷雨,有时也伴有冰雹。龙卷风的袭击突然而猛烈,对建筑的破坏也相当严重,经常是毁灭性的。龙卷风难以准确预报,但可根据天气条件判断在某一地区产生龙卷的可能性,并通过雷达监测及时发出警报。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——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③寒潮风暴来自极地或寒带向中纬度或低纬度侵略的强烈冷空气,所经之地短期内造成大范围急剧降温和大风、雨雪的天气过程。寒潮一般多发生在秋末、冬季、初春时节。不同国家和地区使用的降温及所达到的最低温度标准不尽一样。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。④季风季风是一个古老的气候学概念,通常指近地面层冬、夏盛行风向接近相反且气候特征迥异的现象。季风活动范围很广,它影响着地球上1/4的面积和1/2人口的生活。西太平洋、南亚、东亚、非洲和澳大利亚北部,都是季风活动明显的地区,尤以印度季风和东亚季风最为显著。中美洲的太平洋沿岸也有小范围季风区,而欧洲和北美洲则没有明显的季风区,只出现一些季风的趋势和季风现象。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——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:①成长性;②不安定性;③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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