混凝土坝耐强烈地震而不垮塌的机理

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这次汶川地震给我们国家造成的损害是很大的，死亡人数大致六万多，还有一万多失踪的人数。这些人是怎么死的？应该说最主要的原因是房子倒塌压死的，震中区差不多整个城市都毁灭了，所以这次汶川地震中大量的房子倒了，大量的桥倒了，大量的公路破坏了，很多公路被破坏了恢复不了，因为很陡，因为地震的时候整个都滑掉了，所以修是很难修的。也就是说，这次建筑物破坏是很严重的，大约死了七、八万人，主要是房子倒塌压死的。可是四川是一个水利大省，修建了很多水坝，但是没有垮一个大坝。这说明了什么问题？在这次地震中，水坝的表现是好的，特别是混凝土坝，混凝土坝有一些损害，但是很轻微。我今天要讲的问题，为什么房子倒了，墙倒了，路坏了，但是大坝表现的非常好，这是一个偶然的原因，还是必然的原因？我认为这是一个必然的原因，不是一个偶然的原因，下面我从理论来说明这个问题。

从全世界的混凝土坝在地震之后的表现图来看，从全世界来看，每次地震之后，房子、桥的破坏是很严重的，但是水坝的破坏是总轻的。全世界的混凝土坝只有一个在地震之后破坏比较重，这个坝就是台湾的石冈坝，台湾在1999年9月21日产生了一个7.3级大地震，这是台湾一百年以来最严重的一次地震，震中就在日月潭附近。我们知道，台湾的坝是很多的，在石冈重力坝上，它并不高，有20米左右，石冈坝受到了严重的破坏。石冈坝一共有20几个坝段，台湾这次地震引起地震的活动断层活动了105公里，本来是一个断层，但是快到石冈坝附近的时候，一下子分成八个子断层，其中一个子断层就穿过了石冈坝。因此，石冈坝在这个地方附近，它的变形是水平位移1米，垂直位移一边是10米，一边是2.5米，断层两边的位移差就是7.8米，所以地震之后这边比另外一边高7.8米。这样这三个坝段就彻底坏了，但是其他的坝段并没有坏。后来怎么办？地震之后，就在前面做一个围堰把其他三个坝挡起来，其他的坝照样用。当这个活动层穿过坝体的时候，这个坝是要坏的。断层穿过去之后，任何何建筑是不可能站住的。刚才讲，地震之后把前面做个围堰，把这三个坝挡住了，其他的坝还照样用。即使这样一个断层穿过坝，也就只破坏了三个坝段，其他的坝并没有坏。这是说明了混凝土坝的抗震性能是非常强的。

我们现在看看其他坝的破坏情况。比如拱坝，地震之后附近的公路全部倒了，坝唯一渗压力增加了，渗透水增加了一点，但是过了几个月又恢复正常了。还有很多其他的坝，我就不详细说了。国外的拱坝，经过两次大的地震，坝本身没有什么问题，但是因为地质情况不好，做了一个重力敦，重力敦也没有动，后面的山体动了20公分，但是加固之后还可以用。

总的情况，除了石冈坝，全世界的混凝土坝，其他的所有混凝土坝没有一个垮塌的，破坏无非是产生一点裂缝。那么现在我就说明这个问题，这到底是偶然的，还是必然的？因为不是一次这样的情况，全世界都是这样的现象，经过大地震之后，房子倒了很多，桥倒了很多，路破坏了很多，但是混凝土坝没有问题，这是什么原因？我现在就说明这个原因。

这是一个高层建筑。搞设计的时候有两个荷载，一个是垂直荷载，一个是水平荷载，任何建筑都是这样的。混凝土坝也是一个垂直荷载，一个是水平荷载。但是不同的建筑是不一样的，高层建筑在平常的时候最主要的是垂直荷载，它的水平荷载是很小的，一般是风荷载，而风荷载是很小的。假如我是一个设计者，没有考虑地震，就只考虑风荷载，建筑的安全系数一般是在1.8-2.0左右，地震荷载就远远超过1.8-2.8，所以它就受不了，所以它就垮了。另外，假如我平时只设计的是轻度地震，那么是0.1g，假如来了一个9度地震，那么就是0.4g，就加大了4倍。你这个房子设计的时候是考虑轻度地震，实际上来了9度地震，那是受不了的。

而大坝的情况就不一样了.做坝就是为了挡水，挡水就有很大的水平荷载。当然地震也有垂直荷载，但是地震的垂直荷载是次要的，地震的破坏主要是水平荷载。即使这个大坝在设计的时候不考虑地震，它的水平荷载也是主要荷载，这个水平荷载很大，地震来了之后有水平荷载，这个水平荷载又增加了，但是这个水平荷载跟原来的水平荷载的比，增加的比例就不是很大，等一下用数字来讲。

比如100米的烟囱，风荷载是35吨，8度地的水平荷载是325吨，是平时风荷载的9倍，我们的安全系数大约是1.8-2.0。远远超过设计时能承受住的荷载，所以来了8级地震非倒不可。那么，水坝就不一样的，150米的水坝，它平时的水平荷载是10800吨，8度地震的荷载是8860吨，是1.8倍，可是坝的安全性是3.35抗剪，4.40扛压，抗拉是1.82。而你是1.6，那么也没有问题。

这就是水坝跟房屋建筑、桥梁建筑的根本差别，因为水坝在平常设计的时候，它要承受巨大的水平荷载，而且安全系数比较大，就相当于大数承受3到4倍的水荷载，而地震来了8度地震是0.8，9度地震是1.6倍的水荷载。所以来了8度地震，即使这个坝没有考虑地震，也没有问题。

混凝土坝安全系数是抗压4.0，抗剪是3.0-3.5，扛拉是1.5-2.0，所以来了8度地震也没有问题。即使有些地方可能超过一些，比如抗拉超过了一些，可能会在表面产生裂缝。但是因为抗剪、抗拉的安全度比较高，因此，坝塌不了。

下面我说一个重力坝。重力坝150米高，抗滑的安全系数，静安全系数是3.85，8度地震是2.13，9度地震是1.48，所以没有问题。压应力静应力是2.17，8度地震是4.7，9度地震是7.4，所以没有问题。拉应力可能大一点，裂缝是有可能，但是裂缝没有关系，大坝来了地震之后没有裂缝是不可能的。所以拱坝的抗震性比重力坝还要好。

208米的拱坝，压应力静荷载是7.5兆帕，8度地震是9.8个兆帕，9度地震是12兆帕，我这个标的是30个兆帕的抗震强度，你现在来9度地震12个兆帕，那是没有问题的。

因此，混凝土坝耐强烈地震而不垮的根本原因在于：一是平常以水平荷载为主：二是安全系数比较大。因为水坝出了问题，造成的灾害比较大，所以从传统来看，安全系数都比较高。处于这两条原因，我们混凝土坝的安全系数更高。不管是汶川地震、国外的地震，所有的土木水利工程中，混凝土坝表现出的抗震能力是最强的，根本的原因是刚才说的这两条：一是平常承受住了巨大的水荷载；二是安全系数比较大。当然，并不是说以后不需要抗震。我主要说明一个问题，各种土木水利工程中，混凝土坝是抗震最好的，汶川地震证明了，全世界的地震也证明了，台湾的石冈地震也说明了这个问题。

所以，混凝土坝的安全是没有问题的。