1949—2021年我国成灾地震及其损失的时空特征

为了解地震致灾规律,有效制定防灾减灾规划,进一步减轻地震灾害损失,收集整理了1949—2021年我国及周边地区震级不小于5.0级的成灾地震及其灾害损失数据,从时间、空间两方面研究了他们的分布特征,研究结果表明:453次成灾地震共造成死亡约35万人,受伤约76万人,直接经济损失约11249亿元(折算值),其中重大地震灾害造成的灾害损失占比巨大。随着时间推移,年份上存在明显的地震多发年和少发年,年代上成灾地震次数有所增加,地震造成的经济损失加速增长,死亡人数、受伤人数有不同程度的减少。从地域上看,胡焕庸线西侧成灾地震发生频次高但平均损失小;经济分区中,西部地区成灾地震发生频次最高而平均损失最小,东部地区成灾地震次数次之但平均损失最高,中部和东北部地区成灾地震次数最少,灾害损失中等;云南省和四川省成灾地震次数最多,地震灾害损失最严重。同时期地震强度相近的成灾地震,发生在经济发达、人口密度高的区域的人员伤亡和经济损失更为严重。2000年以后小震大灾事件频次增加,多发生在胡焕庸线东侧及经济分区中的东部、中部地区,小震造成的大灾现象由原来的人员伤亡多转向经济损失大。

地铁联络通道冻结壁冻融灾害效应及其平均温度预测

冻结法因具有施工方便、强度高、防水效果好及对土体扰动小等优点在软土地区地铁联络通道施工中获得广泛应用。冻结壁平均温度作为衡量冻结效果的重要参数之一,其解析公式求解较为复杂,在实际工程中难以应用。建立了包括冻结管断裂灾害、隧道收敛变形灾害、冻结帷幕收敛变形灾害、冻结帷幕透水灾害和融沉灾害的地铁联络通道冻结壁冻融灾害链式效应机制,并考虑多种布管方案,采用冻结壁平均温度等效梯形法建立完整数据集,利用神经网络的高度非线性特征,建立能同时预测单排、双排和多排(n>3)布管形式下冻结壁平均温度的神经网络预测模型。研究结果表明,基于完整数据集构建的冻结壁平均温度神经网络预测模型能有效地反映不同冻结管布置参数和冻结壁厚度等参数与冻结壁平均温度之间的关系;冻结壁平均温度均随冻结管排数和冻结壁厚度增大而逐渐降低,随盐水温度、冻结管间距和排距增大而逐渐升高。

基于溃决机理的堰塞湖溃决快速风险评估方法研究

堰塞湖发生后极易形成溃决灾害链,亟需构建基于有限数据包的溃决快速定量风险评估方法。通过快速获取堰塞湖影响区域的三维地理信息,构建溃决-致灾的快速定量评估模型。基于堰塞湖坝体颗粒级配组成,实现精细化、简单化的稳定性快速评价;基于冲蚀特性和崩塌过程溃决机理,实现溃口流量变化过程分析与洪水演进过程模拟(1 h内);基于极限学习机网络模型建立风险人口与生命损失的函数,实现了生命损失评估预警,明晰了溃决-致灾的灾害链效应。将其应用于唐家山堰塞湖实例发现:研究方法能够较好地预警溃决灾害链;开挖引流槽可降低堰塞湖的溃口峰值流量、最大流速、溃口宽度和溃决库容,但无法防止溃决发生;若不开挖引流槽,溃决库容将达到3.14×10^(8) m^(3),溃口峰值流量达到9343.35 m^(3)/s,溃口顶宽增大到151.6 m,开挖引流槽可使溃口峰值流量减少12.6%,溃决库容减少36.5%,降低了堰塞湖的溃决风险;当提前预警时间超过2 h后,及时疏散下游淹没范围内的居民可使生命损失率降低为0。研究方法可实现堰塞湖应急处置时的快速定量风险评估,并为其应急处置决策提供技术支撑。

地震作用下非等宽平台路堑边坡的动力响应研究

非等宽平台设计是提高碎裂岩体路堑高边坡动力稳定性的有效方法之一,在规范平台宽度不小于2 m背景下,研究该类型边坡的动力响应特征具有重要工程应用价值。通过FLAC3D有限元软件计算三级台阶式边坡平台位置的PGA放大系数、塑性变形区和最大剪应变,然后基于数值模拟结果设计大型振动台物理模拟试验开展非等宽台阶式边坡变形失稳特征和PGA放大系数变化研究,对二级平台宽度引起的边坡破坏程度进行分析,提出路堑边坡工程设计建议。数值模拟表明,随着中间平台宽度增加PGA放大系数先减后增,考虑平台的分割效应下建议该工程二级平台宽度为4 m;物理试验表明,边坡易在平台处产生应力集中,平台分割效应使边坡逐渐分解为局部破坏,地震作用下发生累进变形破坏,分为缓慢变形、加速变形和失稳破坏阶段。研究成果为该类型路堑边坡平台的设计提供了依据。

基于CF-CNN-LSTM模型的滑坡易发性评价

针对滑坡灾害样本选择以及深度学习模型中的长期依赖、梯度消失、退化等问题,提出了一种结合确定性系数法(certainty factor,CF)、卷积神经网络(convolution neural network,CNN)模型和长短期记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)模型的CF-CNN-LSTM深度学习模型。以广西壮族自治区梧州市辖区为研究区,选取高程、坡度和坡向等13种滑坡评价因子,采用CF-CNN-LSTM模型对研究区进行滑坡易发性评价,并与CNN模型、LSTM模型、循环神经网络模型和逻辑回归模型进行对比,利用受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic,ROC)、整体准确率等6种方法对模型预测精度进行评估。结果表明:CF-CNN-LSTM模型的ROC曲线的曲线下面积(area under curve,AUC)值为0.953,高于其它单一模型,同时其它5项评估指标均优于单一模型,证明CF-CNN-LSTM模型具有更高的精度,可用于梧州市辖区的滑坡易发性评价工作,能够对该区域的滑坡风险管理提供科学的建议。

不同掺加材料对软土电渗加固效果的影响

为解决电渗处理后的土体承载力和抗剪强度不足的问题,借鉴纳米材料与絮凝剂在淤泥处理中的应用,采用电渗法对长江漫滩相软土开展不同掺加材料的加固效果研究。通过对电流、排水量、土表沉降量、承载力和抗剪强度等进行综合分析,探究纳米材料(Fe_(3)O_(4))、絮凝剂(APAM)与化学浆液对软土电渗加固的有效性。通过扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)获得土体的微观结构图片,利用图像处理软件PCAS分析软土电渗加固后土体的孔隙特征变化,分析其微观作用机理。结果表明:掺加不同的化学材料,均能够增强土体的导电性,提高土体排水量,延长有效电渗排水时间。且同时掺入纳米材料、絮凝剂与化学浆液时,土体的排水量与平均电流最大,含水率的降幅最高,承载力与抗剪强度的分布最为均匀。与此同时,掺入化学材料后,土体的表观孔隙率、孔隙数和平均孔隙面积均有明显下降,孔隙外形变得更加圆滑,孔隙结构更加复杂,分布地更加均匀。因此,纳米材料、絮凝剂与化学浆液等能够提高电渗加固效果,改善电渗后期排水效率低,加固效果不均匀等问题,为地基处理领域提供新的思路与参考依据。

基于卷积神经网络的RC框架通信机楼震后损伤评定方法

为解决震后大量钢筋混凝土框架通信机楼损伤评定需求,基于卷积神经网络研究从构件层次至整体结构的损伤评定方法。首先对汶川地震、鲁甸地震、芦山地震等多次地震后大量钢筋混凝土框架结构损伤调查图片筛选处理,建立了钢筋混凝土框架梁、柱损伤评定数据集。然后通过对3个关键问题的研究建立了钢筋混凝土框架基于卷积神经网络的震损评定方法:训练和建立YOLOv5网络模型完成从结构震害照片中检测识别出梁、柱构件的任务,并改进优化了YOLOv5网络模型的检测性能;优选比较3种网络模型(ResNet50、MobileNetV2和AlexNet模型)对梁、柱构件损伤水平评定的精确性,最终建立了基于ResNet50的梁、柱构件损伤评定模型;给出了从构件层次到整体结构的损伤水平确定方法,并通过对一栋实际震损框架进行损伤评定验证了文中方法的可用性。结果表明,文中方法与专家的损伤评定结论一致性高,优化后的卷积神经网络模型精确度和稳定性好,对震后钢筋混凝土框架结构损伤评定具有良好的适用性。

库水升降作用下灰岩岸坡稳定性数值研究

基于现场调研与采样,采用室内力学试验测定灰岩力学参数与干湿循环下强度劣化规律;基于UDEC建立库岸边坡数值模型,研究了三峡库区反倾岸坡、顺层岸坡、近水平层状岸坡及含危岩体岸坡在库水升降作用下的失稳演化过程及消落带劣化深度与岩层厚度对岸坡稳定性的影响规律。结果表明:库水升降作用下岸坡的失稳过程可以分为裂隙萌生发育、裂隙发展贯通和坡体失稳破坏阶段;随着消落带劣化深度的增加,4种岸坡稳定性系数降低;随着岩层厚度的增加,4种岸坡的稳定性系数升高。近水平层状岸坡稳定性系数受以上2种因素影响最大,而随着干湿循环次数增加发生的变化最小;当劣化深度大于10 m以及岩层厚度大于5 m时,含危岩体岸坡稳定性系数随影响因素水平变化而产生的变化量较小。长远来看,受库水影响的4种典型岩质岸坡稳定性从大到小依次为反倾岸坡、近水平层状岸坡、顺层岸坡、含危岩体岸坡。

暴雨-滑坡灾害链应急能力评估——以粤港澳大湾区为例

为量化灾害链应急能力评估中灾害间的链式传递效应,通过叠加(折减)效应系数量化灾害间的链式传递关系,基于灾害链之间的转换概率、阈值,推导灾害链应急能力评价模型和计算方法。综合考虑应急准备能力和响应恢复能力双维度指标,构建暴雨-滑坡灾害链应急能力评估指标体系。运用熵权法、逼近理想排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS)计算暴雨和滑坡2种单一灾种的应急能力指数,结合灾害链应急能力评价模型计算得到暴雨-滑坡灾害链应急能力,以粤港澳大湾区典型暴雨-滑坡灾害链为例展开实证分析。研究结果表明:粤港澳大湾区中部地区暴雨-滑坡灾害链应急能力与滑坡单一灾害的应急能力相比呈下降趋势,东部地区整体呈上升趋势,西北部地区和西南部地区暴雨-滑坡灾害链应急能力与滑坡单一灾害的应急能力基本保持一致。最终得到的暴雨-滑坡灾害链应急能力评估结果更加科学合理,可为暴雨-滑坡灾害链应急能力评估与提升提供技术支撑。

基于贝叶斯网络的结构易损性智能推理

为实现结构易损性的智能化推理,提出以贝叶斯网络(Bayesian networks,BNs)重构桁架结构的易损性分析体系。首先,分别定义外荷载、体系和杆件为网络顶层父节点、中间节点和底层子节点,节点间通过有向弧表示因果关系,形成BN拓扑;接着,提出以杆件“大损伤”替代传统的“概念移除”方式,考虑杆件参数及外荷载的不确定性,结合抽样实现对节点间条件概率表的学习,完成BN的构建;然后将特定杆件的观测状态作为证据输入BN,同步推理其他杆件的节点状态概率,进而计算杆件的重要性系数,并定义所有杆件的重要性系数之和为体系的易损性系数;最后,提出杆件易损指标,作为预测桁架体系最可能失效路径的依据。研究结果表明:所提方法能更合理地评价各杆件在体系中的重要性,推理得到的杆件破坏路径与试验观测一致,所计算的试验桁架体系易损性系数远小于杆件数目,表明当前荷载组合下特定杆件的损伤引起体系发生连续性倒塌的可能性较小。

基于DEM-FEM耦合方法的碎屑流对桥墩最大冲击力的影响因素研究

碎屑流是我国山区最危险的地质灾害之一,山区桥墩常受到碎屑流冲击而开裂、倾斜甚至倒塌,给山区桥梁建设、运营带来严重的安全隐患。采用离散元方法(discrete element method,DEM)和有限元方法(finite element method,FEM)耦合的三维数值模拟方法模拟了碎屑流对双柱式桥墩的冲击效应,并结合斜槽试验,验证了耦合方法的准确性,进一步分析了碎屑流冲击坡度、距离和体积密度对桥墩冲击力的影响规律。结果表明,最大冲击力与碎屑流冲击坡度、距离和体积密度分别呈幂函数(指数大于1)、幂函数(指数小于1)和线性正相关。冲击坡度、距离和体积密度对最大冲击力的敏感度值分别为3.012、0.202、0.804,在桥梁碎屑流灾害防治时需重视冲击坡度和体积密度的影响。将冲击力的数值模拟值与流体动力学模型预测值对比分析表明,流体动力学模型理论公式能较好地预测桥墩所受的最大冲击力,最大预测误差低于23.6%。相关研究结果可为山区桥梁碎屑流灾害防治与设计提供一定的参考依据。

市政埋地供水管网抗寒潮服务可靠度分析

提出了市政埋地供水管网抗寒潮服务可靠度分析的一个方法。针对寒潮期气温变化对供水管道温度应力和管道周围土体冰冻应力的影响,建立管道接头渗漏状态的供水管网水力分析模型,采用一次二阶矩方法计算市政埋地供水管网抗寒潮服务可靠度。以某城市供水管网为例进行分析,分别给出了在蓝色、黄色、橙色和红色寒潮预警下供水管网的服务可靠度。研究表明,寒潮期气温变化对市政埋地供水管网服务可靠度具有明显影响,有必要开展市政埋地供水管网寒潮可靠度分析,寒潮强度、管道接头性能、管网拓扑结构等是市政埋地供水管网服务可靠度的影响因素。研究对于市政埋地供水管网抗灾设计具有一定参考价值。

玄武岩纤维对3D打印混凝土力学性能的影响

为探究玄武岩纤维对3D打印混凝土力学性能的影响,设计0%、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%共5种不同玄武岩纤维掺量,通过单轴压缩、三点弯曲和层间双剪试验分析玄武岩纤维掺量对3D打印混凝土力学性能的影响,并利用双目倒置金相显微镜和扫描电子显微镜从微观形貌层面分析玄武岩纤维增强混凝土力学性能的作用机制。研究结果表明:掺加玄武岩纤维可显著提升3D打印混凝土结构的力学性能。随着纤维掺量的增加,抗压和层间抗剪强度呈现出先增加后减小的趋势,掺量为0.50%时共同达到最优,相较于未掺入玄武岩纤维的混凝土分别提高了28%和61%;抗折强度则随着纤维掺量增加一直增加,掺量为1.00%时效果最佳,相较于未掺入玄武岩纤维的混凝土提高了21%。打印材料力学性能存在各向异性,沿Z方向加载时抗压和抗折强度最高,Y方向最低;随着纤维掺量增加,力学性能各向异性逐渐增大。结合试验结果和电镜扫描结果可知,玄武岩纤维优异的抗拉性能够抑制裂缝的产生与扩展,从而提升3D打印混凝土结构的整体力学性能。

基于不确定性的多尺度暴雨强度和外江洪水位联合分布研究

城市洪涝治理方案以及排涝设施规模建设都与城市暴雨强度和外江洪水位息息相关,因此需要对暴雨强度与外江洪水位联合概率分布进行深入研究。以武汉市为例,采用Copula函数建立小时尺度城市暴雨强度和外江洪水位的联合分布,使用极大似然估计值(Max-Likelihood)、模型选择准则、RMSE和NSE拟合优度来评估不同Copula模型的性能,利用局部优化(Local optimization,LO)和马尔科夫链蒙特卡洛(Markov chain Monte Carlo,MCMC)方法来分析Copula模型的不确定性。结果表明:暴雨强度和外江洪水位两要素存在明显的正相关,1 h最大连续降水量和最大日水位相关性最高,最优联合分布函数为Gumbel Copula函数;模型不确定性分析表明MCMC模拟的最优参数与理论参数值基本吻合,效果明显优于局部优化算法,且模型不确定性结果与拟合优度评价结果一致,进一步验证了联合分布函数参数的有效性。相同频率情况下,单变量值低于两变量联合频率对应的暴雨强度和外江洪水位值,高于两变量同现频率对应的暴雨强度和外江洪水位值;两变量同现重现期高于单变量设计重现期,而联合重现期低于单变量设计重现期。同频率下的暴雨强度与水位的组合风险率都远远低于单变量情况下的频率值,50 a以上排涝风险率大于设计暴雨重现期,但最大不超过联合风险率。

HDC加固受损混凝土短柱小偏心受压性能试验研究及数值分析

为研究高延性混凝土(high ductile concrete,HDC)加固受损混凝土短柱的力学性能,对9根HDC加固混凝土受损短柱进行小偏心受压性能试验,研究HDC加固受损混凝土短柱的变形能力以及偏压承载能力。在此基础上,利用有限元软件ABAQUS建立HDC加固受损混凝土短柱有限元数值分析模型,模拟加载全过程和受力性能,获得了荷载-侧向挠度曲线、钢筋应力以及混凝土柱的受损情况,模拟曲线与试验曲线吻合较好。同时,模拟了截面尺寸、混凝土强度以及偏心距对试件正截面承载能力的影响。验证了HDC加固受损混凝土短柱可以改善小偏心受压构件的脆性破坏,进一步证明了HDC材料具有良好的变形能力。

雷诺数为10000时航空警示球对输电线的气动特性影响研究

穿越机场净空区和空域范围的输电线路上需安装航空警示球,大面积安装的航空警示球将会影响地线周围的流场,给输电线路在风场中的稳定运行带来安全隐患。基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟,建立了类似航空警示球-地线的球柱组合结构的三维流场,研究了雷诺数(Reynolds,Re)为10000时航空警示球对输电线气动特性的影响。结果表明,警示球会显著影响其周围地线的气动特性。靠近警示球的地线段相比远离警示球圆柱段有更大的负风压,且变化更加剧烈,尤其在圆柱表面位置角θ为60°~90°和θ为270°~300°时有更明显的强负压;警示球会显著增大周围地线的平均阻力系数,增强阻力系数和升力系数的振荡幅度,影响范围大约在警示球周围0.95 m范围内;警示球与附近地线的旋涡在脱落过程中相互作用,从而导致地线漩涡脱落形式不规律,进一步影响到漩涡脱落的频率以及斯特劳哈尔数。

既有混凝土梁-耗能段组合节点抗震性能试验及有限元研究

提出一种端板连接型和一种U形-三面连接型既有混凝土梁-耗能段组合节点,可在既有混凝土梁与耗能段之间形成可靠连接。设计2个端板连接型和U形-三面连接型既有混凝土梁-耗能段组合节点试验模型,并开展往复荷载下的抗震性能研究。随后采用校正的有限元法对2种组合节点开展参数化研究,每种组合节点均包括12个考虑混凝土强度、后锚固锚栓长度和后锚固直径影响的分析模型。结果表明:试件ECBSL-1的承载力不足,节点破坏为非预期的锚栓拔起;试件ECB-SL-2的破坏模式和承载能力均与纯短剪切型耗能段相同,即节点具有足够承载能力。提高混凝土强度、后锚固锚栓长度和直径可有效增大端板连接型组合节点的承载力和位移,但改变锚固锚栓长度和直径对混凝土损伤影响较小。增大混凝土强度、后锚固锚栓长度和直径对U形-三面连接型组合节点的承载力、位移和混凝土损伤影响较小,设计时仅需采用本文建议值。

基于改进博弈论组合赋权-模糊集基坑风险评估

为解决基坑坍塌风险评价等级问题,优化模糊综合评价模型以提高基坑风险等级评估的准确性,从而采取有效治理措施控制基坑风险。首先,采用层次模型建立基坑坍塌风险评价指标体系,定性指标采用量化等级进行定量转化,然后引入模糊集理论建立评价指标模糊关系,针对传统层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)不能处理模糊性及不完整性信息的缺点,采用D数理论改进层次法(D-AHP)确定一级指标主观权重,提高了在赋权过程中专家对指标的偏好性;为提高评价体系中风险指标权重的精确性,综合熵权法(entropy weight method,EWM)和指标相关性权重确定法(criteria importance through intercriteria correlation,CRITIC)的赋权优点,利用改进博弈论对熵权法和CRITIC法求出的二级指标权重进行组合赋权,得到二级指标客观权重,线性耦合主客观权重得到最终权重,从而建立基坑坍塌风险评价模型,根据最大隶属度原则确定基坑风险等级;同时,建立基于施工监测数据结合改进博弈论组合赋权的逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to an idea solution,TOPSIS)评价模型进行对比验证。结合昆明5号线某地铁基坑为例进行风险评价,结果表明:模型评价结果与实际工程情况相吻合,验证了改进博弈论组合赋权结合模糊集评价模型的正确性和可靠性,同时验证了组合赋权的合理性,为基坑风险评估提供新的参考方法。

近海大气环境下RC框架结构时变地震易损性分析

由于近海大气环境中存在的氯离子会侵蚀RC框架结构,造成材料性能不断劣化,最终降低了RC框架结构的抗震性能。为研究近海大气环境下RC框架结构地震损伤风险变化规律,基于钢筋均匀锈蚀模型及混凝土开裂前后钢筋锈蚀速率的变化规律,提出了一种改进的钢筋锈蚀率概率模型,并构建材料性能劣化模型。在此基础上,根据解析易损性分析理论,建立考虑氯离子侵蚀的近海大气环境RC框架结构时变易损性分析方法,并构建典型结构,分析不同损伤状态下的时变易损性曲线,评估其时变易损性与损伤状态。研究结果表明:当地震动强度指标取值相同时,各损伤状态结构在服役龄期内的地震易损性呈现出非线性增大趋势,抗震性能不断退化;以易损性指数作为结构损伤指标时,按照我国规范设计的RC框架结构,在30 a服役龄期内能够满足我国三性能抗震设防水准。

基于泥石流危险性的拦挡坝减灾效益评价方法

实现泥石流拦挡坝减灾效益定量评价对于优化工程设计和保护人民生命财产安全具有重要的理论意义和实践意义。采用数值模拟方法获取不同工况下泥石流泥深、流速和范围,建立了基于高危险等级面积和总危险度的2种危险性评价指标体系,提出了拦挡坝减灾效益的定量评价方法,并以锄头沟泥石流为例进行了实证研究。根据拦挡坝减灾效益评价方法可以分析拟建工程和现有工程及其组合的减灾效益,判断其是否达到了减灾目标,并可对比和量化不同工程在减灾方面的重要程度,可为泥石流拦挡坝修建及改良提供依据和参考。单位高度减灾效益能够反映拦挡坝增加单位高度所带来的减灾效果,可应用于泥石流拦挡坝设计、改良和最佳工程组合方案的确定。总危险度与高危险等级面积的减灾效益变化规律一致,说明2种危险性评价方式均可体现拦挡坝组合及其变化的减灾效益。