四川汶川七盤溝“7.11”泥石流破壞建筑物的特征與力學(xué)模型

曾超+崔鵬+葛永剛+張建強(qiáng)+雷雨+嚴(yán)炎

基金項目：中國科學(xué)院重點部署項目(KZZDEW0501)；國家自然科學(xué)基金項目(41030742，41190084)

摘要：2013年7月11日，四川省汶川縣威州鎮(zhèn)七盤溝暴發(fā)大規(guī)模泥石流。通過實地調(diào)查和測量，獲取了98份建筑物破壞樣本。泥石流中大石塊、漂木和生活廢棄物是參與破壞的主要介質(zhì)；建筑物長軸方向與流向垂直時，更易遭受破壞；而長軸方向與流向平行且規(guī)則分布時，首個遭遇泥石流的建筑物會嚴(yán)重破壞，但也起到阻擋泥石流和耗能的作用，較好地保護(hù)了其后的建筑物；當(dāng)建筑物分布不規(guī)則時，首個和凸出的建筑物均遭受沖擊破壞；距泥石流出口和主流線越近，建筑物破壞越嚴(yán)重。分析建筑物破壞特征發(fā)現(xiàn)：受損建筑物表現(xiàn)的破壞模式因結(jié)構(gòu)類型不同而異；若以梁和柱為承重構(gòu)件，其破壞主要因柱體受沖后產(chǎn)生塑性鉸或被剪斷，致建筑物傾斜或倒塌，而以砌體為承重構(gòu)件者，其破壞表現(xiàn)為承重墻體產(chǎn)生裂縫或垮塌致建筑物整體倒塌。參照建筑物破壞模式，以靜力學(xué)極限平衡理論為基礎(chǔ)，提出建筑物柱體和墻體破壞的臨界條件計算公式。最后，依據(jù)泥石流的破壞方式和建筑物受損模式，將七盤溝建筑物的破壞劃分為5個等級，并討論了甘肅舟曲泥石流和本次災(zāi)害期間建筑物破壞特征的異同。本研究從案例分析的角度，為泥石流危險區(qū)城鎮(zhèn)及居民點建筑物規(guī)劃布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：泥石流；建筑物；破壞特征；力學(xué)模型；極限平衡理論；臨界條件；汶川；四川

中圖分類號：P642.23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Characteristics and Mechanism of Buildings Damaged by Debris Flows on 11 July, 2013 in Qipangou of Wenchuan, Sichuan

ZENG Chao1,2,3, CUI Peng1,2, GE Yonggang1,2, ZHANG Jianqiang1,2, LEI Yu1,2,3, YAN Yan1,2,3

(1. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,

Chengdu 610041, Sichuan, China; 2. Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Processes,

Chengdu 610041, Sichuan, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract: A destructive debris flow hazard occurred in Qipangou of Wenchuan county, Sichuan province on July 11, 2013. The debris flow resulted in 350 buildings destroyed, more than 2 000 buildings buried or flooded and 15 people dead or missing. 98 damaged buildings were investigated and measured in details to study the characteristic and patterns of buildings damaged by debris flow. Big boulder, drift logs and waste mixed in debris flow are the mainly contribute to the destruction of building; buildings are more vulnerable when the longitudinal axis (major axis) of them is perpendicular to the flow direction of debris flow; if the longitudinal axis is parallel to the flow direction, the first exposed building is damaged severely, but the building blocks debris flow with a lot of energy, so as to protect the subsequent buildings from the direct impact of debris flow; for some buildings with irregular distribution, both the first building and protruding part are damaged; the closer the buildings locate to the mainstream and outlet of debris flow, the more serious the buildings are damaged. The characteristics of buildings damaged show that the patterns of debris flow damaging buildings are not the same because of the different structures; if the loadbearing elements of buildings are beams and columns, the collapses of buildings are mainly due to the destruction of columns by the formation of plastic hinges or clipping, while the cracks or collapses of bearing walls are responsible for the collapse of buildings with masonry structure. According to the patterns of buildings damaged, the formulas to calculate the critical condition of building damaged by debris flow were proposed based on the limit equilibrium theory. Finally, the destruction of buildings in Qipangou could be classified into five levels based on the characteristics and collapse patterns of building damaged, and the characteristics of buildings managed by debris flow in Qipangou were compared with that in Zhouqu of Gansu. The case study will improve the land use planning for debris flow prone area in mountain towns, and provide some critical parameters for structural designing.

Key words: debris flow; building；failure characteristic; mechanical model; limit equilibrium theory; critical condition; Wenchuan; Sichuan

0引言

2008年汶川地震形成的溝道堆積物為泥石流提供了豐富物源，震后暴雨往往會誘發(fā)大規(guī)模甚至群發(fā)性泥石流災(zāi)害，其持續(xù)活躍時間將達(dá)5~10年［12］，特別是流域面積較大的低頻泥石流溝，一旦暴發(fā)泥石流，其規(guī)?？沙^多數(shù)高頻泥石流，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。通過災(zāi)害案例深入分析居民點建筑物受泥石流破壞特征，可以為居民點建設(shè)的規(guī)劃布局與抗災(zāi)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考和借鑒，服務(wù)山區(qū)居民點減災(zāi)和風(fēng)險管理。

泥石流損毀建筑物的研究最初多以定性描述為主［34］，旨在了解建筑物受泥石流作用后的響應(yīng)［5］，評估其損壞等級［6］；隨著建筑物破壞樣本的積累，在一些災(zāi)史記錄較全或災(zāi)害保險體系完備的國家，建立了以流深和建筑物損失為指標(biāo)的易損性曲線［711］；并初步確定了泥石流沖擊力與建筑物破壞的關(guān)系［1214］，使研究結(jié)果具有一定的物理意義。模型試驗和力學(xué)計算可較好地反映建筑物破壞的動力過程和臨界條件［1518］，但試驗中泥石流的動力條件較難還原，動力相似條件較難滿足，同時，動力學(xué)計算所需輸入?yún)?shù)(如泥石流沖擊力時域過程、建筑物彈塑性變化特征等)較難測定。目前，以野外調(diào)查為基礎(chǔ)的定量描述和統(tǒng)計分析并結(jié)合靜力學(xué)手段開展建筑物破壞研究仍為主要方法，同時為進(jìn)一步的模型試驗和動力學(xué)反演提供原型和參考。

筆者以2013年四川汶川七盤溝“7·11”泥石流對建筑物破壞的調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，歸納了此次泥石流對建筑物的破壞方式，并從建筑結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了不同類型建筑物的破壞模式，提出不同模式中建筑物柱體和墻體破壞的臨界條件計算公式，并對建筑物破壞程度進(jìn)行了等級劃分，為居民點建筑物規(guī)劃設(shè)計提供參考。

1七盤溝泥石流概況

七盤溝位于四川省汶川縣城西南約5 km處，為岷江左岸以及支溝，流域面積52.4 km2，溝口海拔1 320 m，流域最高海拔4 360 m，高差達(dá)3 040 m，主溝長15.8 km，溝內(nèi)多跌水，溝床縱坡較陡，平均溝床比降170×10-3,共有18條超過1 km長的支溝，溝谷切割密度為每平方千米范圍內(nèi)1.11 km(圖1)。溝內(nèi)地形陡峻，物源區(qū)平均坡度超過40°。

圖1四川省汶川縣七盤溝流域地形

Fig.1Topography of Qipangou Ravine in Wenchuan County of Sichuan Province

流域內(nèi)震旦系白云巖呈狹窄帶狀出露，元古代閃長巖和花崗巖成片分布。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，容易風(fēng)化為較細(xì)顆粒的坡積物，在流域內(nèi)形成大量松散固體物質(zhì)。1985年以前七盤溝內(nèi)的松散物質(zhì)總量就達(dá)3 200×104 m3［19］。受2008年汶川地震的影響，溝內(nèi)巖體崩解，坡積物滑落，產(chǎn)生多處滑坡和崩塌，進(jìn)一步增加了溝道流域內(nèi)的松散堆積物量。其中，崩塌滑坡在溝道內(nèi)形成2個小型堰塞湖，在極端降雨洪水作用下易潰決。

據(jù)汶川氣象站1961~2007年氣象數(shù)據(jù)，該地區(qū)年平均降水量約500 mm，汛期(5月至9月)降水占全年的74.5%。最大月降水量出現(xiàn)在7月，均小于

數(shù)據(jù)來源于四川省氣象局汶川縣七盤溝氣象站點

圖2七盤溝泥石流前后降雨量

Fig.2Rainfalls Before and After the Debris Flow in Qipangou

85 mm；逐月最長降水時間達(dá)27 d，10 d內(nèi)累積最大降水量120.2 mm(出現(xiàn)在1981年8月)，最大日降水量約50 mm；降水日變化為白天少、夜間多，2001~2007年小時最大降水出現(xiàn)在夜間23時，為0.29 mm·h-1［20］。

陡峭的地形、持續(xù)降水事件、風(fēng)化作用和地震形成的大量松散固體物質(zhì)為泥石流形成提供良好的水動力和物源條件。據(jù)徐忠信的研究［19］，1979年以前七盤溝發(fā)生泥石流約9次，其中1933年疊溪地震后不久曾發(fā)生一次流量約為150 m3·s-1的泥石流，此后1961~1979年間發(fā)生約8次泥石流，平均周期約為3年，性質(zhì)從黏性到稀性交替出現(xiàn)，其中黏性泥石流發(fā)生時固體物質(zhì)沖出總量相對較大，最大沖出總量為13.5×104 m3，出現(xiàn)在1961年和1978年。1980年阿壩州對該溝進(jìn)行治理后至2013年7月，尚未見到發(fā)生泥石流的報道。

2013年7月8日至12日，都汶公路沿線普降暴雨，激發(fā)了大量泥石流。七盤溝于7月11日凌晨3時暴發(fā)大規(guī)模泥石流災(zāi)害。泥石流沖毀七盤溝大部分民房和工廠，造成約15人死亡或失蹤［21］，泥石流進(jìn)入岷江后，堵江形成堰塞湖，淹沒上游新橋村。據(jù)七盤溝氣象站點記錄的7月8日至12日降水?dāng)?shù)據(jù)顯示(圖2)：從7月8日開始降水至7月11日8時山洪泥石流完全停止，該地累積降水量達(dá)118 mm，接近歷史10 d累積降水量最大值；從降水開始至7月10日22時泥石流形成前期累積降水量為88 mm，7月10日22時至11日3時泥石流激發(fā)累積雨量為23.6 mm；泥石流形成前期最大小時雨量8.9 mm，激發(fā)過程最大小時雨量6.4 mm。持續(xù)降水使土體充分飽和，失穩(wěn)破壞匯入到山洪中形成泥石流，泥石流在運(yùn)動中不斷有支溝泥石流匯入，加之上游堰塞湖部分潰決，最終形成具有強(qiáng)大破壞力的大規(guī)模泥石流。此次泥石流性質(zhì)為黏性，調(diào)查測得危險區(qū)最大石塊體積為15 m×8 m×6 m，以巖石密度按2.6 t·m-3計算，其質(zhì)量超過1 800 t，具有極大的破壞力。據(jù)當(dāng)晚參與災(zāi)害監(jiān)測的人員和當(dāng)?shù)鼐用衩枋觯耗嗍鞒掷m(xù)時間約30 min，沖出溝口后其龍頭高度超過10 m，溝岸屋內(nèi)可感受到運(yùn)動中石塊碰撞產(chǎn)生的震動。據(jù)此可推測其流速較快，破壞能力很大。

底圖為“7·11”泥石流后航空影像，來源于四川省基礎(chǔ)地理信息中心

圖3七盤溝建筑物分布

Fig.3Distribution of Buildings in Qipangou

2受損建筑物破壞方式

2.1受損建筑物概況

通過實地調(diào)查和測量，獲取了98份建筑物破壞樣本。據(jù)初步統(tǒng)計，此次泥石流共沖毀房屋350戶，被淹2 000余戶［21］。其中，位于窩竹頭的七盤溝五組損失最為嚴(yán)重，該組90%以上的房屋被泥石流沖毀或完全淤埋(圖3中C區(qū))。由于溝內(nèi)部分房屋直接被泥石流沖毀或掩埋，無建筑物痕跡，又因災(zāi)后救援清理了部分殘留被毀建筑，此次調(diào)查共取得了98份泥石流破壞建筑物的樣本。據(jù)建造材料和結(jié)構(gòu)類型，此次破壞的房屋可分為6類，分別為木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)(含石砌體和磚混結(jié)構(gòu))、框架磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。其中：砌體結(jié)構(gòu)建筑物62戶；框架磚混結(jié)構(gòu)13戶，分別為底層框架上層磚混或一側(cè)框架另外一側(cè)磚混兩種；框架結(jié)構(gòu)16戶，多為震后新建的小區(qū)房，如陽光家園小區(qū)和岷山機(jī)械公司的佳家園小區(qū)；其他類型房屋僅7戶。

受損房屋形狀可分為3種(圖3)，其中第1種矩形房屋所占比例最大，常沿河道縱向分布或在較寬闊的河漫灘上橫向展布，整體較為規(guī)則，第2、3種形狀房屋常呈現(xiàn)不規(guī)則分布，在沿河道分布時凸出部位較多，這種參差分布將為房屋破壞帶來更高的風(fēng)險。

損壞的房屋中，除金剛砂廠、碳化硅廠、火炮廠及岷山機(jī)械公司的少數(shù)廠房外，其余房屋均為2008年汶川地震后重建房。建筑物用途多為居民住宅，包括獨戶住宅和小區(qū)集合住宅，大量廠房和職工住宅，政府公共設(shè)施（如變電站、垃圾場等），少量旅游設(shè)施和商業(yè)店鋪。

2.2泥石流破壞建筑物的方式

沖擊和淤埋是此次泥石流對建筑物的主要破壞方式，其中以沖擊作用為主。沖擊作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的房屋共42戶，泥石流物質(zhì)進(jìn)入室內(nèi)導(dǎo)致淤埋破壞的有52戶，另有4戶為少量泥沙淤積。泥石流破壞建筑物是物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)移的過程。當(dāng)沖擊動能高于建筑物抵抗能力時，泥石流將摧毀建筑物，同時將部分動能轉(zhuǎn)化為建筑物形變所消耗的能量；當(dāng)泥石流動能不足以破壞建筑物結(jié)構(gòu)時，泥石流物質(zhì)會進(jìn)入室內(nèi)導(dǎo)致淤埋破壞，即物質(zhì)積聚的過程；在實際中，上述兩種情況常同時發(fā)生，且受沖擊作用為主的建筑物破壞程度較受淤積作用導(dǎo)致的破壞更為嚴(yán)重。

圖4七盤溝泥石流破壞建筑物的方式

Fig.4Modes of Debris Flow Damaging Buildings in Qipangou

建筑物的破壞方式因泥石流物質(zhì)組成和兩者接觸方式的不同而不同。此次泥石流性質(zhì)為黏性，沿途攜帶大量巨礫、漂木和人類活動廢棄物，使得建筑物受多種介質(zhì)的危害：①泥石流中的大石塊多聚集于龍頭，在龍頭瞬間沖擊過程中，直接摧毀建筑物，或撞壞其主體支撐結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)完全破壞或失效［圖4(a)、(b)］；②流體中沿程攜帶的廢棄物、漂木等也是危害建筑物重要介質(zhì)。圖4(c)中建筑物底部受到流體及大石塊沖擊破壞，中部被直徑約為20 cm的自來水鋼管撞擊并纏繞，這不僅使建筑物受持續(xù)擠壓，還會導(dǎo)致泥石流物質(zhì)在建筑物受沖面堆積，造成更為嚴(yán)重的淤積破壞，漂木和生活廢棄物則因泥石流浮托作用而集中于表面，危害房屋高層，此次泥石流將位于溝道上游的汶川縣垃圾場中1/3的垃圾沖到下游，許多漂浮廢棄物堆積于受損建筑物高處，給清淤工作造成諸多不便，同時給居民健康帶來一定危害；③當(dāng)高速運(yùn)動的泥石流受建筑物阻擋，會產(chǎn)生壅高和飛濺，壅高的泥石流體將其攜帶的動能充分轉(zhuǎn)化為對建筑物的破壞能，且由于泥位升高，建筑物受沖面積增大，泥石流靜壓力增加，導(dǎo)致更為嚴(yán)重的破壞。同時，飛濺的石塊和漿體常擊碎高層窗戶玻璃，造成窗戶損壞。從圖4(d)可以看出，泥石流流體的泥位為25 m，泥漿爬高超過7 m，壅起的石塊撞壞第2層的墻體。

圖5七盤溝建筑物分布與泥石流破壞的關(guān)系

Fig.5Effects of Buildings Distribution on Damage Level of Debris Flow in Qipangou

泥石流物質(zhì)組成反映了其自身破壞能力的大小，建筑物通過與泥石流的接觸方式而影響其被破壞的形式。調(diào)查資料顯示：①當(dāng)建筑物長軸方向與泥石流流向垂直，即在溝道兩岸橫向展布時，建筑物部分結(jié)構(gòu)體被泥石流沖毀，或穿過建筑物內(nèi)部繼續(xù)運(yùn)動威脅其后的房屋［圖5(a)、(b)］；②當(dāng)建筑物沿河道縱向規(guī)則分布，即長軸方向與河道平行時，首先受到泥石流沖擊作用的建筑物會遭受嚴(yán)重破壞，而此時泥石流動能也隨之逐漸消耗，較好地保護(hù)了其后的建筑物［圖5(c)］；③當(dāng)縱向建筑物分布不規(guī)則時，不僅面對泥石流的首個建筑物受沖擊破壞，而且位于凸出位置的建筑物也會遭受泥石流直接沖擊，從而形成嚴(yán)重破壞，圖5(d)中建筑物A~D為一列沿河道縱向分布的建筑物，A首先受到泥石流沖擊致完全損毀，B受到A的保護(hù)而較為完好，但C和D向河道一側(cè)延伸出部分，而未能得到保護(hù)，遭受直接沖擊，C完全破壞，D的部分墻體受損；④距離泥石流出口和主流線越近，建筑物破壞更嚴(yán)重。圖3中B區(qū)和C區(qū)(最下游距出口約2.2 km)，建筑物完全沖毀的比例超過80%，其中，泥石流之前，C區(qū)建筑物約120戶，災(zāi)害發(fā)生后僅保存有11戶在原地，完全沖毀超過90%，B區(qū)建筑物僅在兩側(cè)山腳保存了約20戶房屋。圖3中A區(qū)(距出口約2.8 km)建筑物完全損毀比例迅速降至約20%，建筑物以結(jié)構(gòu)性破壞為主。從A區(qū)到溝口(距出口約3.2 km)基本無完全被沖毀的建筑物，多表現(xiàn)為淤埋破壞。

在相同泥石流作用強(qiáng)度條件下，圖5(a)、(b)中的接觸方式破壞程度明顯高于圖5(c)中的接觸方式。一方面，由于長軸垂直流向使其受沖面積大，且建筑物整體慣性矩較小，抗彎性能較弱，導(dǎo)致整體或部分結(jié)構(gòu)容易被沖毀；另外，因縱深小，泥石流更容易洞穿建筑物，沖擊破壞其后面的建筑物，不能起到較好的保護(hù)作用。建筑物短軸方向與泥石流流向垂直時，由于受沖面積小，抗彎性能較強(qiáng)，且縱深相對較大，泥石流較難直接洞穿，可保護(hù)后面的建筑物。建筑物不規(guī)則分布形成的凸起部位最易受到破壞。

3建筑物破壞模式

在6種不同結(jié)構(gòu)類型的建筑物中，木結(jié)構(gòu)、磚木、框架磚混、框架和鋼結(jié)構(gòu)5種主要承重構(gòu)件均為柱體和梁，因建筑材料不同使其具有不同的強(qiáng)度。砌體結(jié)構(gòu)的支撐構(gòu)件為磚砌塊或石塊，其強(qiáng)度取決于砂漿和砌塊的強(qiáng)度。因此，前5種建筑物的破壞主要體現(xiàn)在梁或柱的倒塌或損壞，而后一種則為承重墻體的破壞。從結(jié)構(gòu)的破壞程度考慮，將建筑物破壞模式劃分為以梁和柱為承重構(gòu)件和以砌體為承重構(gòu)件的建筑物破壞模式。

3.1以梁和柱為承重構(gòu)件的建筑物破壞模式

3.1.1墻體破壞導(dǎo)致的非結(jié)構(gòu)性損傷

建筑物外墻受泥石流沖擊后倒塌，泥石流從倒塌的墻體或門窗等開口處沖入屋內(nèi)，導(dǎo)致淤埋破壞，而主體結(jié)構(gòu)支撐柱體或梁并無損傷。對磚木結(jié)構(gòu)，其外墻多為磚砌體，由于木質(zhì)柱體與磚砌體間黏結(jié)性能很差，較易產(chǎn)生裂縫，受泥石流作用后極易垮塌［圖6(a)］；框架結(jié)構(gòu)墻體與柱間雖然黏結(jié)性較好，但其強(qiáng)度仍遠(yuǎn)低于混凝土柱體，易產(chǎn)生剪切和彎曲破壞。

圖6七盤溝泥石流對不同結(jié)構(gòu)建筑物的破壞模式

Fig.6Patterns of Debris Flow Damaging Buildings with Different Structures in Qipangou

3.1.2柱梁損傷、倒塌導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性破壞

建筑物支撐柱或梁受沖擊后，其固端、跨中產(chǎn)生塑性鉸或被直接剪斷，建筑物部分結(jié)構(gòu)體或整體因失去支撐而發(fā)生嚴(yán)重傾斜或完全倒塌，其破壞程度取決于損壞柱體或梁的數(shù)量和位置。七盤溝泥石流建筑破壞實例表明：破壞柱體數(shù)量超過總數(shù)的40%時，建筑物將失穩(wěn)完全倒塌；若破壞柱體為側(cè)面支撐構(gòu)件，其比例小于20%時，建筑物表現(xiàn)為部分結(jié)構(gòu)性損傷；如果破壞柱體為中央支撐構(gòu)件，其比例超過25%后，建筑物便完全倒塌。

柱體或梁的破壞主要發(fā)生在其端部或連接部位。木質(zhì)柱體破壞表現(xiàn)在榫頭(柱體與木梁的連接部位)被折斷引起整體垮塌，或柱體完好但受沖擊后底部發(fā)生較大位移導(dǎo)致樓板垮塌；混凝土框架結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)為柱體與基礎(chǔ)或梁的連接部位被直接剪斷或塑性破壞?？蚣芙Y(jié)構(gòu)建筑物受泥石流沖擊后，柱體與梁的連接部位產(chǎn)生塑性鉸，此后該建筑物整體向泥石流運(yùn)動方向傾倒，建筑物主體被隨后的泥石流體沖走，致其完全破壞［圖6(c)、(d)］。

3.1.3上層承重墻體破壞導(dǎo)致的部分結(jié)構(gòu)性損傷

框架磚混結(jié)構(gòu)建筑物的底層完好，但上層砌體結(jié)構(gòu)體被泥石流沖毀，或在泥石流壅高、飛濺石塊及漂浮物的作用下?lián)p壞［圖4(d)以及圖5(d)中建筑物D］；框架結(jié)構(gòu)的一側(cè)完好，而砌體結(jié)構(gòu)的一側(cè)遭受嚴(yán)重破壞［圖6(b)］。

3.2以砌體為承重構(gòu)件的建筑物破壞模式

以砌體為承重構(gòu)件的建筑物破壞模式主要由承重墻體裂縫或倒塌引起，其破壞程度因損壞墻體的位置和面積大小而有所差異。①部分建筑物底層的承重墻體受泥石流作用產(chǎn)生裂縫或部分倒塌，但建筑物整體結(jié)構(gòu)良好。此類破壞模式多出現(xiàn)于相對的兩面墻體為泥石流破壞，而兩側(cè)墻體因平行于泥石流流向而未遭受嚴(yán)重?fù)p傷，使得兩側(cè)墻體仍然可以支撐整個建筑物不致倒塌［圖6(e)］。②建筑物底層的承重墻體大面積產(chǎn)生裂縫或倒塌，致使建筑物整體傾斜并倒塌。此破壞模式多出現(xiàn)在相鄰兩面墻體或更多面墻體被泥石流破壞，建筑物失去支撐而倒塌［圖6(f)］。

4建筑物支撐構(gòu)件破壞的力學(xué)模型

建筑物支撐構(gòu)件的損毀是導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性破壞甚至倒塌的主要原因，參照七盤溝建筑物的破壞模式和詳細(xì)測量結(jié)果，將建筑物支撐構(gòu)件的破壞歸納為柱和梁的塑性鉸破壞［圖4(c)，圖6(c)、(d)］和剪切破壞［圖5(c)］、支撐墻體的弧形拉裂破壞［圖6(e)］。由于柱體的兩端固定于基礎(chǔ)、梁和樓板處，故可將其視作兩端固定的簡支梁。當(dāng)泥石流作用產(chǎn)生的彎矩或剪力超過柱體的極限彎矩(Mu)和極限剪力(Tu)，便導(dǎo)致塑性鉸或剪切破壞。墻體的開裂和變形沿屈服線(Yield Line)展開［圖6(e)］，取單位寬度墻體作為研究對象，其固端或中部的屈服變形量即可反映墻體的破壞程度?？梢罁?jù)靜力學(xué)中力和力矩的平衡原理，利用柱體極限彎矩和剪力值求得柱和墻破壞時泥石流的臨界條件(圖7)。

圖7建筑物柱體和墻體破壞的力學(xué)模型

Fig.7Damage Mechanism of Column and Wall of Buildings

4.1底層柱體的塑性鉸破壞

令泥石流作用產(chǎn)生彎矩與柱體極限彎矩相等，可以得到以下表達(dá)式

1/2Fa+1/4PdL2=Mu(1)

式中：Mu為柱體極限彎矩；Pd為泥石流漿體動壓力；F為大石塊沖擊力，采用文獻(xiàn)［22］中據(jù)野外觀測資料修正后的公式；L為柱體高度，L=a+b；a、b分別為大石塊作用點離固端的距離。

泥石流漿體動壓力和大石塊沖擊力表達(dá)式為

Pd=kρv2D(2)

F=48 200v1.2R2g(3)

式中：k為泥石流不均勻系數(shù)；ρ為泥石流密度；v為泥石流和大石塊流速；R為大石塊半徑；g為重力加速度(98 m·s-2)；D為泥石流與柱體接觸尺寸的特征參數(shù)，在本文中為柱體寬度。

將式(2)、(3)代入式(1)可得柱體彎曲破壞對應(yīng)的泥石流流速和大石塊粒徑的關(guān)系

944 720v1.2R2a+kρv2cos2θDL2-4Mu=0(4)

4.2底層柱體的剪切破壞

流體中的大石塊撞擊柱體會直接導(dǎo)致其剪切破壞。令柱體的極限剪力Tu與泥石流產(chǎn)生剪力相等，當(dāng)大石塊粒徑較小時，柱體剪切破壞點位于固端，此時剪力為泥石流漿體和大石塊共同作用力；反之破壞點位于大石塊作用點，剪力主要由大石塊提供。其表達(dá)式為

1/2PdL+b2/L2(1+2a/L)F-Tu=0

Tu-F=0(5)

將式(2)、(3)代入式(5)，可得柱體剪切破壞對應(yīng)的泥石流流速和大石塊粒徑關(guān)系

kρDL3v2+944 720b2(1+2aL)·

R2v1.2-2L2Tu=0R≤R′

472 360R2v1.2-Tu=0R>R′(6)

式中：R′為大石塊臨界粒徑；R≤R′表示破壞點位于柱體固端，R>R′表示大石塊作用點破壞。

4.3墻體的拉裂破壞

令泥石流漿體靜壓力和動壓力產(chǎn)生的彎矩與墻體抵抗變形的極限彎矩相等，需根據(jù)墻體變形的幾何參量和軸向應(yīng)力求得墻體切向極限應(yīng)力P，其表達(dá)式為

1/2(PdL+1/2ρgL2)L=PL(7)

將式(2)代入式(7)，可得墻體破壞時泥石流的臨界流速計算式

v=130 20P-49ρL2DρL(8)

5建筑物破壞等級劃分

砌體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)建筑物是七盤溝泥石流災(zāi)害中主要的被破壞對象。為評價兩者破壞程度，筆者以野外調(diào)查和測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，參照J(rèn)akob等的研究結(jié)果［2325］，以半定量方式給出此次泥石流對建筑物破壞等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，即微小損壞、輕度損壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和完全破壞5級(表1)。

表1七盤溝建筑物破壞等級劃分

Tab.1Classification of Building Damaged by Debris Flow in Qipangou

破壞等級破壞描述

砌體結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)破壞尺度破壞形式

完全破壞房屋承重墻體受損比例超過40%房屋柱體和梁的破壞比例超過40%，或超過25%的中央支撐柱體破壞

嚴(yán)重破壞部分承重墻、屋頂垮塌，受損比例超過20%部分柱體、梁倒塌或損壞及部分墻體、屋頂?shù)顾軗p比例超過20%

中等破壞少數(shù)承重墻體損壞，部分非承重墻損壞少數(shù)柱體、梁倒塌或損壞，部分墻體倒塌

輕度損壞承重墻體完好，部分非承重墻體損壞柱體和梁完好，部分墻體損壞

微小損壞墻體完好，部分門窗受損柱、梁和墻完好，部分門窗受損主體結(jié)構(gòu)性破壞或功能喪失沖擊

部分結(jié)構(gòu)性損壞或功能降低淤埋

無結(jié)構(gòu)性損壞，易修復(fù)淤積或水淹

6討論

四川汶川七盤溝“7·11”泥石流破壞建筑物的數(shù)量略高于2010年甘肅舟曲“8·8”泥石流災(zāi)害，后者造成約307戶房屋受損［24］，此次泥石流僅沖毀房屋就達(dá)350戶［21］，而兩次泥石流對建筑物的破壞特征表現(xiàn)出不同特點。

(1)Hu等將舟曲泥石流對建筑物的危害方式歸納為沖擊、側(cè)向淤埋和刮擦3種［14］，七盤溝泥石流危害主要為沖擊和淤埋兩種，筆者認(rèn)為刮擦破壞的原因為泥石流正面沖擊和側(cè)向壓力的合力造成，應(yīng)包含在沖擊破壞內(nèi)。兩次泥石流災(zāi)害均反映出建筑物結(jié)構(gòu)類型和分布對其破壞方式影響較大，建筑物長軸方向與泥石流流向垂直及凸出部位更易遭受破壞，圖4(a)與圖8中六層砌體結(jié)構(gòu)建筑均被泥石流切掉約1/6。

圖片由葛永剛攝

圖8甘肅舟曲泥石流破壞砌體結(jié)構(gòu)建筑物

Fig.8Brick Masonry Building Damaged by Debris Flow in Zhouqu of Gansu

(2)學(xué)者雖尚未就舟曲泥石流對建筑物破壞模式做出論述，但根據(jù)胡凱衡等的相關(guān)報道［2425］，筆者認(rèn)為除因周圍建筑物倒塌導(dǎo)致間接破壞模式外(城關(guān)一小的教學(xué)樓和家屬樓)，本文對建筑物的破壞模式劃分已基本反映了舟曲泥石流和其他地區(qū)泥石流對建筑物的破壞特征。

(3)Hu等通過總結(jié)前人對建筑物破壞的試驗結(jié)果［14］，提出磚混和框架結(jié)構(gòu)建筑物破壞時的臨界壓力，但未給出計算表達(dá)式。本文以靜力學(xué)極限平衡理論為基礎(chǔ)，提出了建筑物主要支撐構(gòu)件(柱體、墻體)破壞的臨界條件計算模型。計算中考慮到此次泥石流龍頭多高于建筑物底層，故設(shè)定泥石流沖擊構(gòu)件時流深與底層高度一致，而將泥石流動壓力視作均布荷載則未能反映動壓力垂向差異，與真實情況存在一定差異。

(4)泥石流沿程破壞的特征有所差異。舟曲三眼峪泥石流沖出溝口后流速驟降形成漫流，此段建筑物破壞并不嚴(yán)重，到達(dá)縣城時，由于建筑物阻擋導(dǎo)致過流不暢，產(chǎn)生壅高使流速增大，此后連續(xù)沖毀途經(jīng)的建筑物最終進(jìn)入白龍江［26］，其破壞表現(xiàn)為輕度→嚴(yán)重→輕度的過程；而七盤溝泥石流在出溝口后，仍保持較高流速，流體攜帶巨石摧毀了距溝口約600 m的七盤溝5組約120戶建筑物，此后泥石流能量有所降低，流體中大顆粒逐漸減少，沿程沖擊破壞原溝道兩岸的建筑物，后繼續(xù)向下游運(yùn)動并淤埋溝口的陽光家園小區(qū)，最后沖入岷江，其破壞表現(xiàn)為從嚴(yán)重到輕度破壞的連續(xù)減弱過程。此外，建筑物距離泥石流主流線越近，其破壞越嚴(yán)重(圖3中B區(qū))，其原因為主流線受兩側(cè)邊界阻力影響小，流速相對較快，攜帶能量較高，且大石塊也多分布于主流線上，使其破壞能力較兩側(cè)大，導(dǎo)致建筑物破壞程度和損壞比例相對較大。

對建筑物破壞方式和模式的歸納及不同破壞模式的靜力學(xué)計算，可為城鎮(zhèn)建筑物的空間規(guī)劃提供一定參考。然而欲實現(xiàn)泥石流危險區(qū)建筑物合理布局和建筑物結(jié)構(gòu)的防災(zāi)設(shè)計，還需要進(jìn)一步從動力學(xué)角度研究七盤溝泥石流對建筑物的破壞過程，提出可以為規(guī)劃設(shè)計直接服務(wù)的泥石流危險區(qū)建筑物抗災(zāi)設(shè)計技術(shù)依據(jù)。

7結(jié)語

(1)泥石流快速運(yùn)動形成的沖擊作用是四川汶川七盤溝“7·11”泥石流破壞建筑物的主要方式，流體中大石塊、漂木及生活廢棄物在龍頭中位置的差異使得建筑物在不同高度均受危害，其中大石塊對房屋底層結(jié)構(gòu)的破壞極大，測得危險區(qū)最大石塊體積為15 m×8 m×6 m，其質(zhì)量超過1 800 t。由于泥石流向下游和兩側(cè)運(yùn)動中能量逐漸消耗，沿程分布的建筑物距泥石流出口和主流線越近，越易遭受破壞。當(dāng)建筑物長軸方向與泥石流流向垂直時，因整體慣性矩小且受沖面積較大，其更易遭受破壞；而長軸方向與流向平行且規(guī)則分布時，首個遭遇泥石流的建筑物會嚴(yán)重破壞，但也起到阻擋泥石流和耗能的作用，較好地保護(hù)了其后的建筑物；當(dāng)建筑物分布不規(guī)則時，首個和凸出的建筑物均將遭受沖擊破壞。

(2)以梁和柱為承重構(gòu)件的建筑物表現(xiàn)出3種破壞模式：非承重墻體破壞導(dǎo)致的非結(jié)構(gòu)性損傷；柱梁損傷、倒塌導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性破壞，多因柱體受沖擊后產(chǎn)生塑性鉸或被剪斷，致建筑物傾斜或倒塌；上層承重墻體破壞導(dǎo)致的部分結(jié)構(gòu)性損傷(框架砌體結(jié)構(gòu))。以砌體為承重構(gòu)件者表現(xiàn)為承重墻體損傷、倒塌導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性破壞。參照建筑物破壞模式，考慮泥石流漿體和大石塊的共同沖擊作用，以靜力學(xué)極限平衡理論為基礎(chǔ)，提出了建筑物柱體和墻體破壞的臨界條件計算公式。

(3)七盤溝建筑物的破壞等級可劃分為微小損壞、輕度損壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和完全破壞5個等級。框架結(jié)構(gòu)柱體和砌體結(jié)構(gòu)墻體的破壞比例和位置決定其損壞程度。當(dāng)柱體破壞數(shù)量超過總數(shù)的40%，建筑物將失穩(wěn)倒塌。若破壞柱體為側(cè)面支撐構(gòu)件，其比例小于20%時，建筑物部分出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷；如柱體為中央支撐構(gòu)件，其破壞比例超過25%便倒塌。砌體結(jié)構(gòu)中相鄰兩面墻體或更多面墻體被泥石流破壞，建筑物更易失去支撐而倒塌。

(4)山區(qū)地形狹窄，缺乏適宜建設(shè)的平坦土地，具有較大流域面積的泥石流溝，一般會在下游和堆積扇形成較為開闊的地形，這里往往成為山區(qū)居民點和經(jīng)濟(jì)開發(fā)用地。在植被較好的地區(qū)，較大流域面積的泥石流溝由于有地形和植被調(diào)節(jié)地表水土耦合動力過程，泥石流暴發(fā)頻度較低，從而增加了災(zāi)害的隱蔽性，使得許多居民點依舊建于危險區(qū)內(nèi)，有時甚至忽略了應(yīng)有的防災(zāi)工程。應(yīng)吸取七盤溝特大泥石流災(zāi)害的教訓(xùn)，注重對流域面積較大的低頻泥石流風(fēng)險的防范。

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