土木工程与自然灾害

防灾减灾工程及防护工程学科是土木工程学科中的边缘学科，其核心内容为地震工程、抗风工程、抗火工程和抗爆工程等。主要研究领域有两个：一是土木工程结构抗震研究的基础问题─结构输入地震动参数的研究。主要研究内容包括：近场波动数值模拟及并行计算技术；近断层强震动的模拟；局部场地对地震动的影响；地震动空间相关性等；另一个为工程结构防灾减灾（包括抗震、抗风、抗火等）理论及应用技术的研究。主要研究内容包括：钢结构在地震荷载作用下的破坏机理及抗震设计对策；特殊和复杂高层建筑结构抗震设计理论与应用等。

防灾减灾的重大意义

我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，灾害种类多、分布地域广、发生频率高、造成损失重。在全球气候变化和我国经济社会快速发展的背景下，近年来，我国自然灾害损失不断增加，重大自然灾害乃至巨灾时有发生，我国面临的自然灾害形势严峻复杂，灾害风险进一步加剧。由此可见，防灾减灾在我国有多么重大的意义。

我国是世界上自然灾害种类最多的国家，国家科委国家计委国家经贸委自然灾害综合研究组将自然灾害分为七大类：气象灾害、海洋灾害、洪水灾害、地质灾害、地震灾害、农作物生物灾害和森林生物灾害和森林火灾.下面着重介绍一下地质灾害。

自然变异和人为的作用都可能导致地质环境或地质体发生变化，当这种变化达到一定程度时，所产生的诸如滑坡、泥石流、地面下降、地面塌陷、岩石膨胀、沙土液化、土地冻融、土壤盐渍化、土地沙漠化以及地震、火山、地热害等后果，会给人类和社会造成危害。将这种现象称为地质危害。地质危害也包括派生的灾害。

（一）泥石流。泥石流是在山区沟谷中，因暴雨、冰雪融化等水源激发的、含有大量泥沙石块的特殊洪流。

泥石流的形成：必须同时具备以下三个条件：陡峻的便于集水、集物的地形地貌；丰富的松散物质；短时间内有大量的水源。泥石流按期物质成分可分为三类：由大量粘性土和粒径不等的砂粒、石块组成的叫泥石流；以粘性土为主，含少量粘粒、石块、粘度大，成稠泥状的叫泥流；由水和大小不等的砂粒、石块组成的叫水石流。

泥石流的危害：对居民点的危害；对公路、铁路的危害；对水利、水电工程的危害；对矿山的危害；

（二）滑坡。滑坡上的岩石山体由于种种原因在重力作用下沿一定的软弱面（或软弱带）整体地向下滑动的现象叫滑坡。俗称“走山”“跨山”“土溜”等。

滑坡的条件：斜坡岩、土只有被各种构造面切割分离成部连续状态时，才可能具备向下滑动的条件。滑坡的活动强度：主要与滑坡的规模、滑坡速度、滑坡距离及其蓄积的位能和产生的动能有关。

滑坡的活动时间：主要与诱发滑坡的各种外界因素有关，如地震、降雨、冻融、海啸、风暴潮及人类活动等。

滑坡灾害的治理：如在坡顶筑截水排水沟，裂缝回填，建造排水隧洞及坡面排水孔、削坡、压脚等措施；还有就是开展抗滑工程。

（三）崩塌。崩塌也叫崩落、垮塌或塌方，是陡坡上的岩体在重力作用下突然脱离母体崩落、滚动、堆积在坡脚（或沟岩）的地质现象。按崩塌体物质的组成，崩塌可分为土甭和岩崩两大类。

崩塌的活动时间：崩塌一般发生在暴雨及较长时间连续降雨过程中或稍后一段时间；强烈地过程中；开挖坡脚过程中之中或稍后一段时间；水库蓄水初期及河流洪峰期；强烈的机械振动及大爆破之后。

崩塌的地域性：西南地区为我国崩塌分布的主要地区。

（四）地面下沉。地面下沉是由于长期干旱，使地下水位降低，加之过量开采地下水等导致的地壳变形现象。

（五）地震。地震是一种破坏力极大的自然灾害。除了地震直接引起的山崩、地裂、房倒屋塌之外，还会引起火灾、水灾、爆炸、滑坡、泥石流、毒气蔓延、瘟疫等次生灾害。

灾害的影响：饮用水供应系统被破坏、食物短缺、燃料短缺、水体污染、居住条件被破坏、人口迁徙等。

正因为我国自然灾害频发，如何抗灾减灾成了无法忽视的重大问题，而土木工程对于抗灾减灾有着十分重要的作用，比如说抗震：

1.刚性结构提高建筑物的抗震性能

在日本许多高层公寓开始销售不久即告罄。一个重要因素是这些高层公寓多半与高层写字楼作了同等水平的抗震设计。一座号称日本最高的公寓，使用了与美国纽约世界贸易中心相同的钢管，确保了抗震强度。这种钢管的直径最大达800毫米，厚度达40毫米，而且钢管中还注入了比通常混凝土强度高3倍的高强度混凝土，该公寓共使用这种钢管168根。另外，该公寓还使用了刚性结构抗震体。通常高层公寓柔性结构为主流，靠整个建筑来减弱地震引起的摇动，但在强风刮过来时，楼的结构也会发生一定的摇动。采取了刚性结构后，摇动大大降低。如遇阪神大地震级别的地震发生时，柔性结构的建筑一般要摇动1米左右，而刚性结构建筑只摇动30厘米。

2．使用橡胶提高建筑物的抗震性能

在日本东京一座免震结构公寓高达93米，建筑物的外围使用了新研制的高强度16积层橡胶，建筑物的中央部分使用了天然橡胶系统的积层橡胶。这样，在裂度为6的地震发生时，就可将建筑物的受力减少至二分之一。一种超高层楼房用抗震装置，使用的是类似橡胶的黏弹性体，该装置可将强风造成的摇动减轻40%，同时也可提高抗震能力。

3．“局部浮力”的抗震系统

近日日本开发了一种名为“局部浮力”的抗震系统，即在传统抗震构造基础上借助于水的浮力支撑整个建筑物。据日本媒体报道，普通抗震结构把建筑物的上层结构与地基分离开，以中间加入橡胶夹层和阻尼器的方式支撑建筑物。相比之下，“局部浮力”系统在上层结构与地基之间设置贮水槽，建筑物受到水的浮力支撑。水的浮力承担建筑物大约一半重量，既减轻了地基的承重负荷，又可以把隔震橡胶小型化，降低支撑构造部分的刚性，从而提高与地基间的绝缘性。地震发生时，由于浮力作用延长了固有振荡周期，即晃动一次所需时间，建筑物晃动的加速度得以降低。6到8层建筑物的固有周期最大可以达到5秒以上。因此，在城市海湾沿岸等地层柔软地带也可以获得较好抗震效果。此外，贮水槽内贮存的水在发生火灾时可用于灭火，地震发生后可作为临时生活用水。这一系统成本并不算高。以8层楼医院为例，成本比普通抗震系统高出大约2％。

4．“滑动体”基础提高建筑物抗震性能