土石坝震害预测及快速评估方法研究

梁海安

（中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080）

（作者电子信箱：梁海安：lianghaian＠foxmail．com）

目前我国水坝数量达86 000座以上，其中95%以上是土石坝。土石坝在地震灾害中作为承灾体，一方面引起土石坝坝体的破坏，造成直接经济损失；另一方面，还可能演变成为危险的次生灾害源，引发次生水灾造成巨大的经济损失和人员伤亡，同时在地震后还常常因水坝无法正常发挥水利设施功能，造成灾后生产、生活的困难。在地震发生后，通过对土石坝地震灾害损失开展简便、快捷的预测评估，可以为有效开展地震应急工作，合理分配救灾人员、物资，及时救援，避免次生灾害发生提供参考。同时，通过土石坝震害预测及快速评估方法的研究，可以深化对土石坝的地震反应机制的认识，在坝体设计施工时预先采取抗震措施，避免或者减轻可能造成的破坏和损失。目前国内外对土石坝震害预测与快速评估方法的研究很少，国内对群体土石坝震害预测与快速评估方法的研究基本处于空白，面对我国严峻的地震形势，亟待发展土石坝震害预测和快速评估方法的研究。

为了便捷准确地对土石坝地震破坏状态和数量进行预测和评估，本文系统通过震害调查，系统整理了汶川地震中1 793座土石坝震害资料，结合我国唐山地震、海城地震、通海地震土石坝震害资料中452座土石坝震害资料，以及建国以来12次较大地震中土石坝震害数据，对土石坝群体和单体震害的预测及快速评估方法展开研究。

论文主要完成了以下工作：

（1）在震害调查的基础上，结合大量土石坝震害数据，对土石坝在地震中的震害比例、震害类型、易损部位，易损坝型进行了统计归纳。对震害影响因素与土石坝震害的相关性进行统计分析，确定了影响土石坝震损程度的主要因素。

（2）从土石坝实际震害出发，结合我国历史土石坝震损分级经验和存在的不足，从震害情况、水利功能保留情况、坝体修复难易程度三个方面将土石坝震害等级划分为五个等级。

（3）在归纳土石坝震损规律、研究震害影响因素与震害相关性、土石坝震害等级划分研究、土石坝震害影响因素研究的基础上，由我国数次大地震中数千座土石坝在各个烈度区内的破坏数据，构建出我国土石坝地震破坏概率矩阵，并首次给出了土石坝地震易损性曲线的分布形式。

（4）基于我国地震现场评估标准，通过引入损失比的概念，将定性的土石坝震害程度描述数量化，作为定量描述土石坝震损程度的指标。将损失比值作为各个震害等级分界阈值，克服了采用定性描述方法划定土石坝震害等级带来的不便。由土石坝地震破坏概率矩阵数据，对土石坝在各个地震烈度下的易损性进行研究。建立了一个适合我国国情的各烈度区内土石坝地震易损性曲线。在损失比概念的基础上，通过群体土石坝震害易损性分布的研究，土石坝群体震害预测评估模型被建立起来。利用土石坝震害影响因子分析，确定土石坝群体震害的其他修正参数值，最终确定土石坝群体震害快速预测模型和评估方法模型。该模型可以预测评估VI～X度烈度区内土石坝震害总数量、各个烈度区土石坝震害数量、处于各种震害程度土石坝震害数量，评估特定烈度区土石坝震害程度及其比例以及土石坝群体遭受的震损程度。

（5）由于土石坝震害的因素及震害等级分类本身具有模糊性，论文采用多元模糊预测的思路，建立起一种新的单体土石坝震害预测的方法。这一单体预测方法一方面体现了震害实际中烈度、坝基等震害因素以及震损破坏程度连续变化的实质，使得输入的评判信息更加符合真实情况，从而能够得出准确的结论；另一方面，采用多元模糊预测评估方法，根据实际震害规律，通过一定抽象假设条件建立起来的隶属函数的形式，表达了震害因素与震损等级直接的相关规律，避免了采用统计回归中由于震害复杂性导致的回归系数差的问题。同时采用多元模糊合成，考虑了单个因素间的相互耦合作用，思路清晰明确，避免了神经网络方法中对震害机理认识的“黑匣子”问题。最后再通过203座历史震害数据的对土石坝模糊数学隶属函数进行局部调整，最终确定土石坝震损快速多元模糊预测模型，可以很好地对单体土石坝震损等级做出预测。

（6）通过研究震区内土石坝的破坏比同损失比在各烈度区内的变化规律，结合土石坝震损等级及数量在各个烈度区内的分布规律，采用概率统计方法得到土石坝在震区范围内损失比的分布公式，可在短时间内估算出地震造成的损失，总体上把握土石坝的地震损失程度，从宏观角度快速、简捷地对土石坝的损失做出整体评估，为地震应急和灾后规划重建提供参考。