村鎮(zhèn)建筑抗洪性能評價系統(tǒng)研究與開發(fā)

劉永軍 周靜海 孟憲宏

(沈陽建筑大學土木工程學院，沈陽 110168)

村鎮(zhèn)建筑抗洪性能評價系統(tǒng)研究與開發(fā)

劉永軍 周靜海 孟憲宏

(沈陽建筑大學土木工程學院，沈陽 110168)

我國是洪水災(zāi)害多發(fā)國家，每年都有大量村鎮(zhèn)建筑在洪水中嚴重損壞甚至倒塌，造成巨大生命和財產(chǎn)損失。因此，對村鎮(zhèn)建筑抗洪性能進行深入系統(tǒng)的研究具有重要意義。本文首先介紹作者開發(fā)的村鎮(zhèn)建筑抗洪性能評價系統(tǒng)AEFARUB的研究背景及構(gòu)成，然后重點介紹各個模塊的原理和特點。文中內(nèi)容可供工程應(yīng)用和進一步研究參考。

村鎮(zhèn)建筑;洪水模擬;動水壓力;沖擊力;地基沖刷

1 引言

我國是洪水災(zāi)害多發(fā)國家，洪水災(zāi)害給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失［1］，每年都有大量村鎮(zhèn)建筑在洪水中嚴重損壞甚至倒塌，如“75.8”河南洪水，倒塌房屋524萬間;“98”長江洪水，倒塌房屋212.85萬間;“03”淮河洪水，倒塌房屋77萬間;“03”渭河洪水，倒塌房屋18.72萬間;2010年6月，福建龍巖107個鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受洪災(zāi)，近5 000間房屋倒塌，可見，系統(tǒng)深入地研究村鎮(zhèn)建筑抗洪性能，對于減少洪水引起的生命財產(chǎn)損失以及建立和諧幸福的社會主義新農(nóng)村具有重要意義。

在“十一五”國家科技支撐計劃項目支持下，筆者對村鎮(zhèn)建筑抗洪性能有關(guān)問題進行了研究，開發(fā)了村鎮(zhèn)建筑抗洪性能評價系統(tǒng)AEFARUB(Computer Program for Analyzing and Evaluating Flood Actions on RUral Buildings)。AEFARUB系統(tǒng)由洪水模擬分析模塊、洪水對村鎮(zhèn)建筑作用力分析模塊、洪水作用下村鎮(zhèn)建筑力學性能分析模塊、村鎮(zhèn)建筑洪水中倒塌危險性快速評估模塊、村鎮(zhèn)建筑抗洪設(shè)計咨詢與抗洪加固決策模塊等構(gòu)成，下面對系統(tǒng)各個模塊的原理和特點進行詳細介紹。

2 各模塊原理和特點

2.1 洪水模擬模塊

堤壩潰決是引發(fā)洪水的主要原因之一。我國已修建水庫大壩8.5余萬座，自1954年有潰壩統(tǒng)計資料以來，我國各類水庫大壩失事3487座，其中僅“75.8”河南板橋與石漫灘大型水庫潰壩事故造成2.6萬人死亡，倒塌房屋524萬間［2］。同時，我國江河眾多，河堤漫長，很多河堤存在隱患，潰堤事故不斷發(fā)生，如1998年8月，江西九江境內(nèi)長江大堤決口;2010年6月，江西撫州唱凱大堤決口，圖1是某大堤潰決后的情景。另外，強降雨引發(fā)的山洪對村鎮(zhèn)建筑也有極大威脅，如2005年6月，湖南新邵等縣發(fā)生山洪，沖毀房屋3 560棟;2007年7月，四川巴中遭受10個小時的強降雨后引發(fā)山洪，有1 756個村受災(zāi)，民房垮塌達6 989間(見圖2)。

洪水模擬的主要目的是確定洪水淹沒區(qū)內(nèi)的洪水深度和洪水流速。堤壩潰決洪水模擬包括潰口模擬及洪水演進模擬兩部分。潰口模擬主要模擬潰口發(fā)展過程，從而獲得潰口處洪水流量及流速過程線，為下游洪水演進計算奠定基礎(chǔ);洪水演進模擬是指模擬洪水沖出潰口之后的流動過程，目的是獲得洪水淹沒區(qū)內(nèi)的流量、水位、流速、洪峰到達時間、洪水持時等數(shù)據(jù)。國外采用的洪水模擬模型主要有BEED模型、DAMBRK模型、BREACH模型以及DELFT-3D模型等等，本項目利用二維非恒定流方程模擬洪水演進過程，把模擬區(qū)域劃分成正方形網(wǎng)格(見圖3)，引入通度系數(shù)表示區(qū)域內(nèi)部的阻水建筑物，采用有限單元法進行求解，得到各種情景下模擬區(qū)域內(nèi)的水深、流速等參數(shù)，最后采用可視化技術(shù)顯示出來(見圖4)。

圖7 洪水沖刷地基引起房屋傾斜

圖8 生土建筑由于洪水浸泡嚴重損毀

圖9 動水壓力及倒塌形態(tài)模型實驗

2.2 洪水對村鎮(zhèn)建筑作用力分析模塊

我國地域遼闊，村鎮(zhèn)建筑的基礎(chǔ)類型、結(jié)構(gòu)形式、建筑材料等差別很大，在洪水中倒塌的原因多種多樣，概括起來，主要有以下幾種:(1)由于洪水產(chǎn)生的靜水壓力或者洪水及其攜帶的漂浮物直接沖擊建筑，造成建筑墻體等構(gòu)件嚴重損傷甚至部分或全部倒塌(見圖5、圖6)。(2)對于淺基礎(chǔ)建筑，地基中部分土壤被洪水逐漸沖走而引起建筑傾斜或者倒塌(見圖7)。(3)一些年代久遠的建筑或欠發(fā)達地區(qū)的生土建筑，由于洪水浸泡，建筑材料力學性能劣化引起建筑破壞或者倒塌(見圖8)。

通過理論分析和模型實驗(見圖9)，確定了洪水及漂浮物對建筑物作用力的計算公式。流動的洪水可以近似看作非粘性不可壓縮穩(wěn)態(tài)流，對建筑物墻壁產(chǎn)生的動水壓力可以利用下面公式計算:其中:Pd為動水壓力(N/m2);CD為拖拽系數(shù)，取值范圍為1.25～2.0之間;ρ為洪水的密度(kg/m3);v為洪水的流速(m/s)。

洪水水中的木頭、樹根等漂浮物隨著洪水一起流動，撞擊到建筑物上時，會產(chǎn)生比較大的沖擊力。但漂浮物的隨機性很強，準確確定其大小和作用位置都不大可能，因此，可以根據(jù)實際情況，做一些假設(shè)，估算出沖擊力，然后按一定的分項系數(shù)，計入總的荷載之中。漂浮物對建筑的沖擊力可采用下式估算:

其中:Fi為沖擊力(N);m為漂浮物的質(zhì)量(kg);V為漂浮物的速度，近似等于洪水的流速(m/s);t為沖擊持續(xù)時間(s)。沖擊持續(xù)時間t取決于漂浮物剛度、建筑構(gòu)件的剛度等因素，一般情況下，可以根據(jù)建筑的材料確定，對于木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，t可以近似地取為1.0 s、0.5 s、0.1 s。

2.3 洪水作用下村鎮(zhèn)建筑結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析模塊

本項目重點研究磚砌體結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在洪水作用下的力學性能。磚砌體結(jié)構(gòu)的抗洪性能主要取決于墻體的性能，分析墻體的模型主要有結(jié)構(gòu)力學模型、屈服線模型、有限元模型、離散元模型等等［4］。本項目開發(fā)了洪水作用下砌體結(jié)構(gòu)及框架結(jié)構(gòu)力學性能分析有限元軟件。該軟件有前處理器、求解器、后處理器、核心數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成。前處理器具有網(wǎng)格自動剖分、交互施加約束條件等功能;求解器裝配了二維桿系單元、三維桿系單元、4～8節(jié)點平面應(yīng)力單元、8～20節(jié)點塊體單元、8節(jié)點殼單元、彈簧鏈接單元等等;后處理器可以顯示變形圖(見圖10)、應(yīng)力云圖(見圖11)。

村鎮(zhèn)建筑的沖刷破壞形式主要有兩種，一種是位于山區(qū)的溝谷兩側(cè)的建筑，當溝谷中洪水位較高時，洪水從地勢較低的一側(cè)開始沖刷建筑的地基;另一種是平原地區(qū)的淺基礎(chǔ)村鎮(zhèn)建筑，當洪水流速達到一定的臨界流速時，地基中的表層土壤就會開始流失，地基被沖刷到一定深度，建筑結(jié)構(gòu)的墻體就會懸空，如果是磚混結(jié)構(gòu)且沒有地梁，就會在在墻體中產(chǎn)生拉應(yīng)力，超過墻體的抗拉強度，就會倒塌。如果有地梁且剛度較大，當沖刷的范圍較小時，建筑結(jié)構(gòu)會保持平衡，沖刷范圍達到一定程度，整個建筑就會傾斜(見圖7)，嚴重的，就會引起倒塌。

村鎮(zhèn)建筑地基沖刷深度和范圍與地基組分、表面覆蓋、洪水深度、洪水流速、持續(xù)時間等多種因素有關(guān)，本項目改進了橋墩處地基沖刷深度計算公式［5］，得到了平原地區(qū)淺基礎(chǔ)村鎮(zhèn)建筑地基沖刷深度計算公式。實踐證明，深基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)能夠有效防止沖刷破壞(見圖12、圖13)，我國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)村鎮(zhèn)建筑應(yīng)該優(yōu)先采用。

2.4 村鎮(zhèn)建筑洪水中倒塌危險性快速評估模塊

村鎮(zhèn)建筑在洪水中倒塌除了造成財產(chǎn)損失以外，還嚴重威脅到人民生命安全。對村鎮(zhèn)建筑在洪水中倒塌的危險性進行評估至少具有以下三方面的意義:對危險建筑進行加固或者搬遷;對于沒有加固的危險建筑，發(fā)生洪水時人員可以盡快離開;安全建筑可以作為臨時避難場所。

Prolog語言是開發(fā)專家系統(tǒng)的理想工具［6］，本項目用Visual Prolog語言開發(fā)了村鎮(zhèn)建筑洪水中倒塌危險性評估專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)由知識庫、推理機、初級事實庫、高級事實庫、用戶界面等構(gòu)成。建立知識庫是開發(fā)專家系統(tǒng)的核心工作，包括知識的獲取和知識的表達，即從專家那里獲得知識并以合理的形式把專家學者知識存入知識庫。本專家系統(tǒng)的知識主要來源于三個方面:(1)歷史資料:國內(nèi)外洪水中村鎮(zhèn)建筑以及城市建筑損傷數(shù)據(jù);(2)走訪專家獲得的經(jīng)驗和知識;(3)利用計算機進行數(shù)值模擬獲得的數(shù)據(jù)。為使系統(tǒng)具有可擴充性、簡潔性、明確性，知識的表示采用基于規(guī)則的產(chǎn)生式表示法，用Prolog語言表示為:Rule(規(guī)則號，條件，結(jié)論，可信度)。

通過用戶界面，用戶逐步交互回答系統(tǒng)提出的問題，就可以形成初級事實庫。回答的問題主要包括當?shù)厮臍庀髼l件、村鎮(zhèn)建筑情況、地形地質(zhì)特征、上游地區(qū)經(jīng)濟狀況、當?shù)伛v軍的距離等等。推理機可以把初級事實加工成為高級事實，形成高級事實庫，符號化地保存于數(shù)據(jù)庫之中。本模塊采用基于規(guī)則的推理(Rule-based Reasoning)，同時采用逆向推理的控制策略。在逆向推理控制策略中，先假設(shè)某一結(jié)論正確，然后在事實庫中尋找支持結(jié)論的事實證據(jù)。當證據(jù)缺乏時，利用Prolog語言的回溯機制，繼續(xù)尋找支持下一假設(shè)的事實證據(jù)，直至結(jié)論成立。如果證據(jù)不足，系統(tǒng)會要求用戶補充新的事實。

對村鎮(zhèn)住宅抗洪性能進行評估采用的評估策略是進行不精確推理，這主要是因為事實庫中的事實是不完備的、模糊的，知識庫中的知識是經(jīng)驗的、不嚴格的，所有的事實和知識都有一定的主觀確定度，洪水中建筑倒塌概率是這些主觀確信度的綜合體現(xiàn)。不精確推理的詳細內(nèi)容可以參閱文獻［6］。

該專家系統(tǒng)把倒塌危險性分為A(極度危險);B(偏于危險);C(基本安全);D(安全)四個級別，并給出可能的倒塌類型以及發(fā)生概率。鑒于專家系統(tǒng)求解結(jié)論的不精確性，對于特別重要建筑，系統(tǒng)會建議用有限元軟件進行定量分析。

2.5 村鎮(zhèn)建筑抗洪設(shè)計咨詢與抗洪加固決策模塊

在擬建村鎮(zhèn)建筑方面，本模塊為村鎮(zhèn)建筑在抗洪性能方面提供咨詢意見，并提供具有良好抗洪性能村鎮(zhèn)建筑圖集。咨詢意見主要包括以下方面:(1)在規(guī)劃方面，首先要重視建筑的選址:要選擇較高的地點，避免水淹;要距離河堤稍遠，避免潰堤時高速水流直接沖擊。其次要重視建筑的間距:洪水頻率較大的地區(qū)，住房間距要符合要求，以便減少洪水對地基的沖刷。另外，還要注重非工程措施，在村鎮(zhèn)外圍以及建筑周圍植樹可以減低風速，減小波浪，阻擋漂浮物。洪水頻率較大的地區(qū)還可以在村鎮(zhèn)周圍建立環(huán)形圩堤，防止洪水侵襲。(2)在村鎮(zhèn)建筑方面，從基礎(chǔ)類型、建筑材料、結(jié)構(gòu)形式、防滲技術(shù)等方面綜合考慮，提出了多種利于抗洪的結(jié)構(gòu)形式，供農(nóng)村居民根據(jù)實際情況進行選擇。

在既有建筑抗洪加固方面，針對洪水沖擊上部結(jié)構(gòu)引起倒塌和洪水沖刷基礎(chǔ)引起結(jié)構(gòu)倒塌兩種情況，提供多種抗洪加固方案供農(nóng)村居民選擇。加固基礎(chǔ)的主要的措施有:砌筑漿砌石，帷幕灌漿，置換地基等等。加固上部結(jié)構(gòu)的主要措施有封閉鋼框架整體加固砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)以及粘貼CFRP加固技術(shù)砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)等等。此外，還可以修建臨時性或永久性防洪墻，阻止洪水直接沖擊村鎮(zhèn)建筑。

3 結(jié)論及展望

村鎮(zhèn)建筑抗洪性能評價系統(tǒng)AEFARUB已經(jīng)初步應(yīng)用于實踐當中。2010年夏季，應(yīng)用該系統(tǒng)對吉

林、江西等省部分地區(qū)的村鎮(zhèn)建筑的抗洪能力進行了分析和評估，評估結(jié)果具有較高的精度，得到了專家和政府的認可。但也發(fā)現(xiàn)一定的問題，第一個問題是系統(tǒng)的內(nèi)容復(fù)雜，涉及很多的專業(yè)知識，村鎮(zhèn)技術(shù)人員使用遇到一定困難。此外，如何結(jié)合村鎮(zhèn)當?shù)氐慕ㄖ牧系葘嶋H情況，設(shè)計出抗洪性能、抗震性能、抗火性能、節(jié)能性能等各方面都很理想的實用住宅建筑，也是需要努力解決的。在“十二五”規(guī)劃中，重點任務(wù)是豐富村鎮(zhèn)建筑設(shè)計圖集、選擇典型地區(qū)建立示范工程、加大對村鎮(zhèn)技術(shù)人員的培訓(xùn)力度、擴大AEFARUB系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，為建立和諧、平安、幸福的社會主義新農(nóng)村服務(wù)。

［1］譚徐明，張偉兵，馬建明，蘇志誠.全國區(qū)域洪水風險評價與區(qū)劃圖繪制研究［J］.中國水利水電科學研究院學報，2004，2(1):50-60.

［2］周克發(fā)，李雷.我國已潰決大壩調(diào)查及其生命損失規(guī)律初探［J］.大壩與安全，2006，6(5):14-18.

［3］ I.Kelman，R.Spence.An overview of flood actions on buildings［J］. Engineering Geology，2004，73(2):297-309.

［4］ I.Kelman，R.Spence.A limit analysis of unreinforced masonry failing under flood water pressures［J］.Masonry International，2003，16(2):51-61.

［5］ L.Deng，C.Cai.Bridge scour:prediction，modeling，monitoring，and countermeasures-review［J］.Practice Periodical on Structural Design and Construction，2010，15(2):125-134.

［6］甘仁義，劉永軍.公路抗震評價專家系統(tǒng)ROSECH的開發(fā)［J］.沈陽建筑工程學院學報，1999，15(1):27-30.

Research and Development of Computer Software for Analyzing and Evaluating Flood Actions on Rural Buildings

Liu Yongjun，Zhou Jinghai，Meng Xianhong

(School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang110168，China)

In China，flooding is one of the most common and frequent natural disasters，which can causes enormous life and property losses due to heavily damage and collapse of rural buildings.Hence，it is very important to conduct comprehensive study on flood damage to rural buildings.In this paper，the background and composition of the computer software AEFARUB，developed by authors，for analyzing and evaluating flood actions on rural buildings are introduced firstly，and then all sub-modules are described with emphasis on the distinguishing features and principles.The contents presented in this paper may be useful references for further study and application in engineering practices.

Rural Buildings;Flood Simulation;Hydrodynamic Forces;Impact Forces;Scour of Foundation

TP311.52

A

1674－7461(2011)01－0057－06

劉永軍(1966－)，男，教授。主要研究方向:各種災(zāi)害情況下建筑結(jié)構(gòu)的力學性能。E-mail:Liuyongjun1966@163.com