混凝土壩耐強(qiáng)烈地震而不垮塌的機(jī)理

　　這次汶川地震給我們國(guó)家造成的損害是很大的，死亡人數(shù)大致六萬(wàn)多，還有一萬(wàn)多失蹤的人數(shù)。這些人是怎么死的？應(yīng)該說(shuō)最主要的原因是房子倒塌壓死的，震中區(qū)差不多整個(gè)城市都?xì)缌?，所以這次汶川地震中大量的房子倒了，大量的橋倒了，大量的公路破壞了，很多公路被破壞了恢復(fù)不了，因?yàn)楹芏?，因?yàn)榈卣鸬臅r(shí)候整個(gè)都滑掉了，所以修是很難修的。也就是說(shuō)，這次建筑物破壞是很?chē)?yán)重的，大約死了七、八萬(wàn)人，主要是房子倒塌壓死的?？墒撬拇ㄊ且粋€(gè)水利大省，修建了很多水壩，但是沒(méi)有垮一個(gè)大壩。這說(shuō)明了什么問(wèn)題？在這次地震中，水壩的表現(xiàn)是好的，特別是混凝土壩，混凝土壩有一些損害，但是很輕微。我今天要講的問(wèn)題，為什么房子倒了，墻倒了，路壞了，但是大壩表現(xiàn)的非常好，這是一個(gè)偶然的原因，還是必然的原因？我認(rèn)為這是一個(gè)必然的原因，不是一個(gè)偶然的原因，下面我從理論來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。

　　從全世界的混凝土壩在地震之后的表現(xiàn)圖來(lái)看，從全世界來(lái)看，每次地震之后，房子、橋的破壞是很?chē)?yán)重的，但是水壩的破壞是總輕的。全世界的混凝土壩只有一個(gè)在地震之后破壞比較重，這個(gè)壩就是臺(tái)灣的石岡壩，臺(tái)灣在1999年9月21日產(chǎn)生了一個(gè)7.3級(jí)大地震，這是臺(tái)灣一百年以來(lái)最嚴(yán)重的一次地震，震中就在日月潭附近。我們知道，臺(tái)灣的壩是很多的，在石岡重力壩上，它并不高，有20米左右，石岡壩受到了嚴(yán)重的破壞。石岡壩一共有20幾個(gè)壩段，臺(tái)灣這次地震引起地震的活動(dòng)斷層活動(dòng)了105公里，本來(lái)是一個(gè)斷層，但是快到石岡壩附近的時(shí)候，一下子分成八個(gè)子斷層，其中一個(gè)子斷層就穿過(guò)了石岡壩。因此，石岡壩在這個(gè)地方附近，它的變形是水平位移1米，垂直位移一邊是10米，一邊是2.5米，斷層兩邊的位移差就是7.8米，所以地震之后這邊比另外一邊高7.8米。這樣這三個(gè)壩段就徹底壞了，但是其他的壩段并沒(méi)有壞。后來(lái)怎么辦？地震之后，就在前面做一個(gè)圍堰把其他三個(gè)壩擋起來(lái)，其他的壩照樣用。當(dāng)這個(gè)活動(dòng)層穿過(guò)壩體的時(shí)候，這個(gè)壩是要壞的。斷層穿過(guò)去之后，任何何建筑是不可能站住的。剛才講，地震之后把前面做個(gè)圍堰，把這三個(gè)壩擋住了，其他的壩還照樣用。即使這樣一個(gè)斷層穿過(guò)壩，也就只破壞了三個(gè)壩段，其他的壩并沒(méi)有壞。這是說(shuō)明了混凝土壩的抗震性能是非常強(qiáng)的。

　　我們現(xiàn)在看看其他壩的破壞情況。比如拱壩，地震之后附近的公路全部倒了，壩唯一滲壓力增加了，滲透水增加了一點(diǎn)，但是過(guò)了幾個(gè)月又恢復(fù)正常了。還有很多其他的壩，我就不詳細(xì)說(shuō)了。國(guó)外的拱壩，經(jīng)過(guò)兩次大的地震，壩本身沒(méi)有什么問(wèn)題，但是因?yàn)榈刭|(zhì)情況不好，做了一個(gè)重力敦，重力敦也沒(méi)有動(dòng)，后面的山體動(dòng)了20公分，但是加固之后還可以用。

　　總的情況，除了石岡壩，全世界的混凝土壩，其他的所有混凝土壩沒(méi)有一個(gè)垮塌的，破壞無(wú)非是產(chǎn)生一點(diǎn)裂縫。那么現(xiàn)在我就說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，這到底是偶然的，還是必然的？因?yàn)椴皇且淮芜@樣的情況，全世界都是這樣的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)大地震之后，房子倒了很多，橋倒了很多，路破壞了很多，但是混凝土壩沒(méi)有問(wèn)題，這是什么原因？我現(xiàn)在就說(shuō)明這個(gè)原因。

　?。▓D）這是一個(gè)高層建筑。搞設(shè)計(jì)的時(shí)候有兩個(gè)荷載，一個(gè)是垂直荷載，一個(gè)是水平荷載，任何建筑都是這樣的。混凝土壩也是一個(gè)垂直荷載，一個(gè)是水平荷載。但是不同的建筑是不一樣的，高層建筑在平常的時(shí)候最主要的是垂直荷載，它的水平荷載是很小的，一般是風(fēng)荷載，而風(fēng)荷載是很小的。假如我是一個(gè)設(shè)計(jì)者，沒(méi)有考慮地震，就只考慮風(fēng)荷載，建筑的安全系數(shù)一般是在1.8-2.0左右，地震荷載就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1.8-2.8，所以它就受不了，所以它就垮了。另外，假如我平時(shí)只設(shè)計(jì)的是輕度地震，那么是0.1g，假如來(lái)了一個(gè)9度地震，那么就是0.4g，就加大了4倍。你這個(gè)房子設(shè)計(jì)的時(shí)候是考慮輕度地震，實(shí)際上來(lái)了9度地震，那是受不了的。

　　而大壩的情況就不一樣了.做壩就是為了擋水，擋水就有很大的水平荷載。當(dāng)然地震也有垂直荷載，但是地震的垂直荷載是次要的，地震的破壞主要是水平荷載。即使這個(gè)大壩在設(shè)計(jì)的時(shí)候不考慮地震，它的水平荷載也是主要荷載，這個(gè)水平荷載很大，地震來(lái)了之后有水平荷載，這個(gè)水平荷載又增加了，但是這個(gè)水平荷載跟原來(lái)的水平荷載的比，增加的比例就不是很大，等一下用數(shù)字來(lái)講。

　　比如100米的煙囪，風(fēng)荷載是35噸，8度地的水平荷載是325噸，是平時(shí)風(fēng)荷載的9倍，我們的安全系數(shù)大約是1.8-2.0。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)能承受住的荷載，所以來(lái)了8級(jí)地震非倒不可。那么，水壩就不一樣的，150米的水壩，它平時(shí)的水平荷載是10800噸，8度地震的荷載是8860噸，是1.8倍，可是壩的安全性是3.35抗剪，4.40扛壓，抗拉是1.82。而你是1.6，那么也沒(méi)有問(wèn)題。

　　這就是水壩跟房屋建筑、橋梁建筑的根本差別，因?yàn)樗畨卧谄匠ＴO(shè)計(jì)的時(shí)候，它要承受巨大的水平荷載，而且安全系數(shù)比較大，就相當(dāng)于大數(shù)承受3到4倍的水荷載，而地震來(lái)了8度地震是0.8，9度地震是1.6倍的水荷載。所以來(lái)了8度地震，即使這個(gè)壩沒(méi)有考慮地震，也沒(méi)有問(wèn)題。

　　混凝土壩安全系數(shù)是抗壓4.0，抗剪是3.0-3.5，扛拉是1.5-2.0，所以來(lái)了8度地震也沒(méi)有問(wèn)題。即使有些地方可能超過(guò)一些，比如抗拉超過(guò)了一些，可能會(huì)在表面產(chǎn)生裂縫。但是因?yàn)榭辜?、抗拉的安全度比較高，因此，壩塌不了。

　　下面我說(shuō)一個(gè)重力壩。重力壩150米高，抗滑的安全系數(shù)，靜安全系數(shù)是3.85，8度地震是2.13，9度地震是1.48，所以沒(méi)有問(wèn)題。壓應(yīng)力靜應(yīng)力是2.17，8度地震是4.7，9度地震是7.4，所以沒(méi)有問(wèn)題。拉應(yīng)力可能大一點(diǎn)，裂縫是有可能，但是裂縫沒(méi)有關(guān)系，大壩來(lái)了地震之后沒(méi)有裂縫是不可能的。所以拱壩的抗震性比重力壩還要好。

　　208米的拱壩，壓應(yīng)力靜荷載是7.5兆帕，8度地震是9.8個(gè)兆帕，9度地震是12兆帕，我這個(gè)標(biāo)的是30個(gè)兆帕的抗震強(qiáng)度，你現(xiàn)在來(lái)9度地震12個(gè)兆帕，那是沒(méi)有問(wèn)題的。

　　因此，混凝土壩耐強(qiáng)烈地震而不垮的根本原因在于：一是平常以水平荷載為主：二是安全系數(shù)比較大。因?yàn)樗畨纬隽藛?wèn)題，造成的災(zāi)害比較大，所以從傳統(tǒng)來(lái)看，安全系數(shù)都比較高。處于這兩條原因，我們混凝土壩的安全系數(shù)更高。不管是汶川地震、國(guó)外的地震，所有的土木水利工程中，混凝土壩表現(xiàn)出的抗震能力是最強(qiáng)的，根本的原因是剛才說(shuō)的這兩條：一是平常承受住了巨大的水荷載；二是安全系數(shù)比較大。當(dāng)然，并不是說(shuō)以后不需要抗震。我主要說(shuō)明一個(gè)問(wèn)題，各種土木水利工程中，混凝土壩是抗震最好的，汶川地震證明了，全世界的地震也證明了，臺(tái)灣的石岡地震也說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。

　　所以，混凝土壩的安全是沒(méi)有問(wèn)題的。