混凝土壩耐強烈地震而不垮塌的機理

這次汶川地震給我們國家造成的損害是很大的，死亡人數(shù)大致六萬多，還有一萬多失蹤的人數(shù)。這些人是怎么死的？應(yīng)該說最主要的原因是房子倒塌壓死的，震中區(qū)差不多整個城市都毀滅了，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，因為很陡，因為地震的時候整個都滑掉了，所以修是很難修的。也就是說，這次建筑物破壞是很嚴重的，大約死了七、八萬人，主要是房子倒塌壓死的?？墒撬拇ㄊ且粋€水利大省，修建了很多水壩，但是沒有垮一個大壩。這說明了什么問題？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，這是一個偶然的原因，還是必然的原因？我認為這是一個必然的原因，不是一個偶然的原因，下面我從理論來說明這個問題。

從全世界的混凝土壩在地震之后的表現(xiàn)圖來看，從全世界來看，每次地震之后，房子、橋的破壞是很嚴重的，但是水壩的破壞是總輕的。全世界的混凝土壩只有一個在地震之后破壞比較重，這個壩就是臺灣的石岡壩，臺灣在1999年9月21日產(chǎn)生了一個7.3級大地震，這是臺灣一百年以來最嚴重的一次地震，震中就在日月潭附近。我們知道，臺灣的壩是很多的，在石岡重力壩上，它并不高，有20米左右，石岡壩受到了嚴重的破壞。石岡壩一共有20幾個壩段，臺灣這次地震引起地震的活動斷層活動了105公里，本來是一個斷層，但是快到石岡壩附近的時候，一下子分成八個子斷層，其中一個子斷層就穿過了石岡壩。因此，石岡壩在這個地方附近，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。這樣這三個壩段就徹底壞了，但是其他的壩段并沒有壞。后來怎么辦？地震之后，就在前面做一個圍堰把其他三個壩擋起來，其他的壩照樣用。當這個活動層穿過壩體的時候，這個壩是要壞的。斷層穿過去之后，任何何建筑是不可能站住的。剛才講，地震之后把前面做個圍堰，把這三個壩擋住了，其他的壩還照樣用。即使這樣一個斷層穿過壩，也就只破壞了三個壩段，其他的壩并沒有壞。這是說明了混凝土壩的抗震性能是非常強的。

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，但是過了幾個月又恢復(fù)正常了。還有很多其他的壩，我就不詳細說了。國外的拱壩，經(jīng)過兩次大的地震，壩本身沒有什么問題，但是因為地質(zhì)情況不好，做了一個重力敦，重力敦也沒有動，后面的山體動了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有一個垮塌的，破壞無非是產(chǎn)生一點裂縫。那么現(xiàn)在我就說明這個問題，這到底是偶然的，還是必然的？因為不是一次這樣的情況，全世界都是這樣的現(xiàn)象，經(jīng)過大地震之后，房子倒了很多，橋倒了很多，路破壞了很多，但是混凝土壩沒有問題，這是什么原因？我現(xiàn)在就說明這個原因。

這是一個高層建筑。搞設(shè)計的時候有兩個荷載，一個是垂直荷載，一個是水平荷載，任何建筑都是這樣的?；炷翂我彩且粋€垂直荷載，一個是水平荷載。但是不同的建筑是不一樣的，高層建筑在平常的時候最主要的是垂直荷載，它的水平荷載是很小的，一般是風荷載，而風荷載是很小的。假如我是一個設(shè)計者，沒有考慮地震，就只考慮風荷載，建筑的安全系數(shù)一般是在1.8-2.0左右，地震荷載就遠遠超過1.8-2.8，所以它就受不了，所以它就垮了。另外，假如我平時只設(shè)計的是輕度地震，那么是0.1g，假如來了一個9度地震，那么就是0.4g，就加大了4倍。你這個房子設(shè)計的時候是考慮輕度地震，實際上來了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。即使這個大壩在設(shè)計的時候不考慮地震，它的水平荷載也是主要荷載，這個水平荷載很大，地震來了之后有水平荷載，這個水平荷載又增加了，但是這個水平荷載跟原來的水平荷載的比，增加的比例就不是很大，等一下用數(shù)字來講。

比如100米的煙囪，風荷載是35噸，8度地的水平荷載是325噸，是平時風荷載的9倍，我們的安全系數(shù)大約是1.8-2.0。遠遠超過設(shè)計時能承受住的荷載，所以來了8級地震非倒不可。那么，水壩就不一樣的，150米的水壩，它平時的水平荷載是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，那么也沒有問題。

這就是水壩跟房屋建筑、橋梁建筑的根本差別，因為水壩在平常設(shè)計的時候，它要承受巨大的水平荷載，而且安全系數(shù)比較大，就相當于大數(shù)承受3到4倍的水荷載，而地震來了8度地震是0.8，9度地震是1.6倍的水荷載。所以來了8度地震，即使這個壩沒有考慮地震，也沒有問題。

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，所以來了8度地震也沒有問題。即使有些地方可能超過一些，比如抗拉超過了一些，可能會在表面產(chǎn)生裂縫。但是因為抗剪、抗拉的安全度比較高，因此，壩塌不了。

下面我說一個重力壩。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，所以沒有問題。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，所以沒有問題。拉應(yīng)力可能大一點，裂縫是有可能，但是裂縫沒有關(guān)系，大壩來了地震之后沒有裂縫是不可能的。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個兆帕，9度地震是12兆帕，我這個標的是30個兆帕的抗震強度，你現(xiàn)在來9度地震12個兆帕，那是沒有問題的。

因此，混凝土壩耐強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。因為水壩出了問題，造成的災(zāi)害比較大，所以從傳統(tǒng)來看，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的，根本的原因是剛才說的這兩條：一是平常承受住了巨大的水荷載；二是安全系數(shù)比較大。當然，并不是說以后不需要抗震。我主要說明一個問題，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，臺灣的石岡地震也說明了這個問題。

所以，混凝土壩的安全是沒有問題的。