村鎮建筑抗洪性能評價系統研究與開發

劉永軍 周靜海 孟憲宏

(沈陽建筑大學土木工程學院，沈陽 110168)

村鎮建筑抗洪性能評價系統研究與開發

劉永軍 周靜海 孟憲宏

(沈陽建筑大學土木工程學院，沈陽 110168)

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

村鎮建筑;洪水模擬;動水壓力;沖擊力;地基沖刷

1 引言

我國是洪水災害多發國家，洪水災害給人民生命財產造成巨大損失［1］，每年都有大量村鎮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個鄉鎮遭受洪災，近5 000間房屋倒塌，可見，系統深入地研究村鎮建筑抗洪性能，對于減少洪水引起的生命財產損失以及建立和諧幸福的社會主義新農村具有重要意義。

在“十一五”國家科技支撐計劃項目支持下，筆者對村鎮建筑抗洪性能有關問題進行了研究，開發了村鎮建筑抗洪性能評價系統AEFARUB(Computer Program for Analyzing and Evaluating Flood Actions on RUral Buildings)。AEFARUB系統由洪水模擬分析模塊、洪水對村鎮建筑作用力分析模塊、洪水作用下村鎮建筑力學性能分析模塊、村鎮建筑洪水中倒塌危險性快速評估模塊、村鎮建筑抗洪設計咨詢與抗洪加固決策模塊等構成，下面對系統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，潰堤事故不斷發生，如1998年8月，江西九江境內長江大堤決口;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，強降雨引發的山洪對村鎮建筑也有極大威脅，如2005年6月，湖南新邵等縣發生山洪，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山洪，有1 756個村受災，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內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;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內的流量、水位、流速、洪峰到達時間、洪水持時等數據。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，把模擬區域劃分成正方形網格(見圖3)，引入通度系數表示區域內部的阻水建筑物，采用有限單元法進行求解，得到各種情景下模擬區域內的水深、流速等參數，最后采用可視化技術顯示出來(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模型實驗

2.2 洪水對村鎮建筑作用力分析模塊

我國地域遼闊，村鎮建筑的基礎類型、結構形式、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達地區的生土建筑，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態流，對建筑物墻壁產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，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，可以根據實際情況，做一些假設，估算出沖擊力，然后按一定的分項系數，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為沖擊持續時間(s)。沖擊持續時間t取決于漂浮物剛度、建筑構件的剛度等因素，一般情況下，可以根據建筑的材料確定，對于木結構、鋼結構、鋼筋混凝土結構，t可以近似地取為1.0 s、0.5 s、0.1 s。

2.3 洪水作用下村鎮建筑結構反應分析模塊

本項目重點研究磚砌體結構以及鋼筋混凝土框架結構在洪水作用下的力學性能。磚砌體結構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構力學模型、屈服線模型、有限元模型、離散元模型等等［4］。本項目開發了洪水作用下砌體結構及框架結構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、核心數據庫等構成。前處理器具有網格自動剖分、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節點平面應力單元、8～20節點塊體單元、8節點殼單元、彈簧鏈接單元等等;后處理器可以顯示變形圖(見圖10)、應力云圖(見圖11)。

村鎮建筑的沖刷破壞形式主要有兩種，一種是位于山區的溝谷兩側的建筑，當溝谷中洪水位較高時，洪水從地勢較低的一側開始沖刷建筑的地基;另一種是平原地區的淺基礎村鎮建筑，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，建筑結構的墻體就會懸空，如果是磚混結構且沒有地梁，就會在在墻體中產生拉應力，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，建筑結構會保持平衡，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、持續時間等多種因素有關，本項目改進了橋墩處地基沖刷深度計算公式［5］，得到了平原地區淺基礎村鎮建筑地基沖刷深度計算公式。實踐證明，深基礎和樁基礎能夠有效防止沖刷破壞(見圖12、圖13)，我國經濟發達地區村鎮建筑應該優先采用。

2.4 村鎮建筑洪水中倒塌危險性快速評估模塊

村鎮建筑在洪水中倒塌除了造成財產損失以外，還嚴重威脅到人民生命安全。對村鎮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語言是開發專家系統的理想工具［6］，本項目用Visual Prolog語言開發了村鎮建筑洪水中倒塌危險性評估專家系統，該系統由知識庫、推理機、初級事實庫、高級事實庫、用戶界面等構成。建立知識庫是開發專家系統的核心工作，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。本專家系統的知識主要來源于三個方面:(1)歷史資料:國內外洪水中村鎮建筑以及城市建筑損傷數據;(2)走訪專家獲得的經驗和知識;(3)利用計算機進行數值模擬獲得的數據。為使系統具有可擴充性、簡潔性、明確性，知識的表示采用基于規則的產生式表示法，用Prolog語言表示為:Rule(規則號，條件，結論，可信度)。

通過用戶界面，用戶逐步交互回答系統提出的問題，就可以形成初級事實庫。回答的問題主要包括當地水文氣象條件、村鎮建筑情況、地形地質特征、上游地區經濟狀況、當地駐軍的距離等等。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，符號化地保存于數據庫之中。本模塊采用基于規則的推理(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，先假設某一結論正確，然后在事實庫中尋找支持結論的事實證據。當證據缺乏時，利用Prolog語言的回溯機制，繼續尋找支持下一假設的事實證據，直至結論成立。如果證據不足，系統會要求用戶補充新的事實。

對村鎮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。不精確推理的詳細內容可以參閱文獻［6］。

該專家系統把倒塌危險性分為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生概率。鑒于專家系統求解結論的不精確性，對于特別重要建筑，系統會建議用有限元軟件進行定量分析。

2.5 村鎮建筑抗洪設計咨詢與抗洪加固決策模塊

在擬建村鎮建筑方面，本模塊為村鎮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建筑圖集。咨詢意見主要包括以下方面:(1)在規劃方面，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，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還可以在村鎮周圍建立環形圩堤，防止洪水侵襲。(2)在村鎮建筑方面，從基礎類型、建筑材料、結構形式、防滲技術等方面綜合考慮，提出了多種利于抗洪的結構形式，供農村居民根據實際情況進行選擇。

在既有建筑抗洪加固方面，針對洪水沖擊上部結構引起倒塌和洪水沖刷基礎引起結構倒塌兩種情況，提供多種抗洪加固方案供農村居民選擇。加固基礎的主要的措施有:砌筑漿砌石，帷幕灌漿，置換地基等等。加固上部結構的主要措施有封閉鋼框架整體加固砌體結構技術以及粘貼CFRP加固技術砌體結構技術等等。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建筑。

3 結論及展望

村鎮建筑抗洪性能評價系統AEFARUB已經初步應用于實踐當中。2010年夏季，應用該系統對吉

林、江西等省部分地區的村鎮建筑的抗洪能力進行了分析和評估，評估結果具有較高的精度，得到了專家和政府的認可。但也發現一定的問題，第一個問題是系統的內容復雜，涉及很多的專業知識，村鎮技術人員使用遇到一定困難。此外，如何結合村鎮當地的建筑材料等實際情況，設計出抗洪性能、抗震性能、抗火性能、節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”規劃中，重點任務是豐富村鎮建筑設計圖集、選擇典型地區建立示范工程、加大對村鎮技術人員的培訓力度、擴大AEFARUB系統的應用范圍，為建立和諧、平安、幸福的社會主義新農村服務。

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

［2］周克發，李雷.我國已潰決大壩調查及其生命損失規律初探［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ROSECH的開發［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:各種災害情況下建筑結構的力學性能。E-mail:Liuyongjun1966@163.com