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关于土木工程灾害及其缓解
摘要:建筑、基础设施等土木工程是人类文明的载体。然而，他们也是各种类型的灾害的起源，在本文中这些灾害被称为土木工程灾害。本文提出了土木工程灾害的概念、特点、分类、成因及缓解技术措施。土木工程的灾害主要是由土木工程的缺陷造成的，通常归因于建筑工地选择不当、危害评估、设计施工、入住率和日常维护。从这一观点来看，许多所谓的自然灾害，如地震、强风、洪水、滑坡和泥石流，主要是由于土木工程的缺陷而不是实际的自然灾害造成的。土木工程灾害有频繁性和全球性，在所有的灾难中是与人类最密切相关的。本文强调这些灾害可以通过土木工程措施减轻，并概述了相关的目标、科学和技术挑战。
关键词:灾难;风险;土木工程灾难;地震
1.介绍
灾难从最早的时候开始就是人类生存经历的一部分，并一直对人类文明和发展有显著的影响。从现代科学观点来看，一场灾难是一个导致人类生命、财产、资源、环境健康的损失的突发事件，它超过了承灾体的能力，这个术语在这里是用来指代使人类社会暴露于危险之中。上下述四个特征是基于灾害固有的定义。首先,灾害是人类和人类团体作为承灾体的出现所造成的结果。从地球初始，剧烈的改变和地壳移动就一直发生，但并没有产生灾害，知道人类的出现。第二，灾害独特的表达方式之一就是造成人类和人来社区的损失。这些的损失不限于生命和财产，还包括自然资源和环境。第三,根据事件造成的损失程度的阈值来确定事件是否被认为是一场灾难。换句话说，不是所有造成损失的事件都被认为是灾难。例如，一个普通仓库的倒塌，或每天发生的车祸和抢劫可能会造成损失，但这些通常不会被归类为灾难。将一个事件分类为灾难的损失阈值主要取决于承灾体抵抗灾害和容纳损失的能力。一场车祸对一个家庭来说可能是一场灾难，但对一座城市来说，这绝不是一场灾难。此外,总有幸运的个人或家庭在经历对当地社区构成毁灭性灾难的大地震时完好无损。因此，减轻灾害的目的并不一定是完全消除损失，减少损失到灾难的损失阈值以下通常是更实际的策略。最后，对灾难的定义强调事件的突然性。灾难性的事件通常是突发性的，例如地震、滑坡、航空事故和恐怖袭击。然而,一些灾难性的事件可能会逐渐发生，比如，全球变暖是由于过度的碳排放，都市烟雾由于空气污染，和森林或草原的荒漠化。与这些逐渐发生的，在一定程度上是意料之中的事件作对比，突然发生的灾难发生的迅速且没有有效的预测或预估。他们的持续时间很短但是造成的影响和后果是巨大的且持续的。另外，这些不被预想到的事件频繁地对公众造成精神上的压力，这可能会加剧灾难发生的后果。突发性灾难和逐渐性灾难在其他地方也有不同，包括它们的发生机制，产生的后果和减轻得措施。然而,本文主要研究突发性灾害。
从哲学的观点来看，灾害是矛盾因素、危险和承灾体相互作用的结果。危险是造成灾害的原因，它可能是自然现象，如地震、暴雨、洪水、干旱或瘟疫。它也可能是人类的活动，比如技术上的错误、人类的过失或敌对行动如战争或恐怖袭击。相反，承灾体是由于危险发生而可能承受潜在损失的潜在受害者。灾害常常被认为是危险对承灾体的一种单向的行动，因此，没有危险灾害将不会发生。然而，这可能导致错误的理解就是危险本身就是一场灾害，而灾害通常被划分到危险之中。在这种背景下,灾害首先分为两类，即自然灾害和人为灾害。然而它强调了危险对于灾害系统的重要性，忽略了承灾体、减轻措施和回避功能这些抵抗能力的作用。
灾害实际是危险与承灾体之间的相互作用后果。当危险的作用超过了承灾体的抵抗能力，灾害就会发生。当危险的作用在承灾体的抵抗能力范围内就没有灾难性的事件发生。行动是在危险体的抵抗能力范围内。危险的作用只是灾害的一方面但往往被过分强调。这在古代尤其如此，那时危险被认为是上帝的行为。然而，从现代科学的观点来看，尽管危险仍是影响灾害发生的重要方面，但他们绝不是灾难发生的决定性因素。决定性的因素是承灾体的抵抗能力。在这种情况下，并非所有的危险都会导致灾害。例如，偏远岛屿上的火山爆发或在无人居住的沙漠中发生的地震是危险的，但不造成灾难，因为那里并没有承灾体。此外,通过现代科学和技术的创新，灾难也可以被减轻或避免。例如,地震灾害可以通过加强建筑物和基础设施的性能来大大减轻。如今,由于先进的地震工程技术，中等甚至是大地震在日本、美国和智利这样的国家中并不会产生灾害，即使实热口密集的地区受灾地区很密集。灾害因此只是危险和承灾体交叉的子集。尽管控制危害，特别是自然发生的危险是极其困难的，但其发生的原因和机制可以被调查，危险的发生概率可以被评估（例如，通过对某一特定地点的地震活动或飓风的移动路径进行分析)，得到的发现可以用于提高承灾体的抵抗能力。
2.土木工程灾害
2.1定义
灾害基于相关危险的本质被分为两大类，分别是自然灾害和人为灾害。自然灾害被进一步划分为：(1)地质灾害，这是由岩石圈的灾害造成的，如地震、滑坡、泥石流和火山爆发;(2)气象灾害，是由大气圈和水圈的灾害造成的，如飓风、龙卷风、干旱、森林火灾、暴雨和洪水;(3)生物圈内的灾害，如瘟疫、害虫等引起的生物灾害。人为灾害也可分为以下三类：(1)因技术失误造成的灾害，如核事故、危险物品爆炸等;(2)人为过失造成的灾害，如建筑物火灾、交通事故、瓦斯爆炸等;(3)敌对行动造成的灾害，如战争、暴动、恐怖袭击等。
人类在灾害系统中扮演着特殊的角色。他们通常是承灾体，直接或间接的灾害受害者。然而，人们也可能是造成灾害的危险因素。在某些情况下，人们同时是危险因素和承灾体。土木工程是人类发挥双重作用的主要例子。在许多灾害的演变过程中，土木工程的成果受到地震、风等外部危险行为的攻击，在其失效或因抵抗能力不足的情况下，它们可能会对人类生命和财产构成致命的危害。2001年世界贸易中心的恐怖袭击充分展示了土木工程的双重特性。在这个特殊的案例中，袭击是最初的危险，与人和建筑物则是直接的承灾体。然而，由于结构的不足，建筑物倒塌成为了危险，造成了巨大的人命损失和财产损失。
在破坏性地震中，土木工程是最初的承灾体。然而，由于抗震能力不足，它们的失效或倒塌成为危险，可能会导致更多的人员伤亡和经济损失。过去地震造成的生命和财产损失，实际上主要是由于建筑物的失效和倒塌。1995年日本神户地震造成的死亡中，约有80%是由倒塌的建筑物造成的。在神户的2456例死亡中，有2221人在地震后15分钟内死亡。1976年7月28日，中国唐山发生7.8级地震，导致90%的单层建筑倒塌，85%的多层建筑倒塌。大规模的建筑物倒塌导致许多人立即死亡或受伤。
土木工程的失败通常也会破坏紧急服务的实施。例如，运输和供水基础设施的破坏可能妨碍救援行动，妨碍卫生服务的实施并导致疾病。在2010年海地发生致命的7.0级地震后的9个月里，由于地震造成的水污染导致了霍乱的爆发，造成了8000人死亡。土木工程的失败也可能导致其他公共服务系统的破坏，如煤气供应管道，特别是可能引起严重火灾的情况。1995年神户大地震发生后，长田地区发生了一场大火，造成约7000所房屋毁坏和400人死亡。
由此可见，在许多自然灾害和人为灾害中，土木工程不仅是承灾体，而且它们的失效还构成了进一步的危害。特别是在地震灾害中，建筑物倒塌是造成人员伤亡和经济损失的最重要原因。这一机制在灾害调查中尚未得到足够的重视。的确，许多所谓的自然灾害，例如地震或风，造成的损失实际上是由土木工程因素造成的，而不是实际的自然现象。这是发展正确的防灾减灾方法的关键。
为了阐明上述机制，本文提出了土木工程灾害的概念。正如已经指出的，土木工程成果包括建筑和基础设施是人类文明的载体。然而，这样的发展也可能通过诱发灾难来危害人类文明。我们将土木工程灾害定义为由于技术问题而导致的土木工程失效所造成的灾难。土木工程灾害的概念并不与自然现象和人为事件的认识相冲突。然而，后者仅仅是灾害发生的必要条件，而不是充分条件。土木工程可能会因为自身的缺陷而失效，从而演变成造成灾害的危险。这是土木工程灾害最重要的机制。
土木工程灾难的概念有以下两个含义。首先，所有的损失都是由于土木工程的失效造成的。其次，土木工程方法是预防和减轻此类灾害的主要手段。上面已经讨论了第一个含义。关于第二点，值得注意的是，减轻土木工程灾害意味着加强土木工程的能力，目的是减少其转化为危险的可能性。以地震灾害为例，2008年5月12日，发生在中国西南地区的8.0级汶川地震(Mw =7.9，震源深度=14公里)，截止2008年9月25日造成69227人死亡，17923人失踪。地震造成了大量的建筑物倒塌。一项对都江堰1005栋建筑的调查显示，1990年以前建造的58%的建筑严重受损，甚至倒塌，而1990年后的建筑比例仅为18%。两年后的2010年2月27日，在太平洋的另一边，智利中部发生了8.8级地震。虽然这次地震的震级远比汶川大地震大得多，但造成的损失却要低得多。只有4座建筑倒塌，约50座建筑受损。死亡人数为525人，其中大部分是由于引发的海啸而不是倒塌的建筑物造成的。许多因素可能导致这两大灾难的后果之间的显著差异。例如，智利的人口密度大约只有四川省的七分之一。智利地震的震源深度也大于汶川地震。然而，这两次地震造成不同后果的最重要原因，是各个地点的建筑物的抗震能力之间的巨大差异。智利的经验再次证明，减轻地震灾害的有效手段是提高土木工程的抗震能力。
然而，值得注意的是，一些与建筑有关的灾害不一定是土木工程灾难。以建筑火灾为例，在某些情况下，火灾可能导致建筑物倒塌，造成人员伤亡，但是在这些事件造成人员伤亡和财产损失最重要的原因是高温和烟雾，而不是建筑物的失效。1994年12月8日，中国新疆一剧院发生严重火灾，造成325人死亡。事故调查显示，所有325人的死亡都是由有毒烟雾、烧伤或踩踏造成的。剧院没有倒塌。2012年12月25日，另一场火灾发生在中国洛阳的一个购物中心，造成309人死亡，全部是有毒烟雾。虽然提高建筑物的防火能力确实有助于减轻火灾的影响，但几乎不可能避免火灾的爆发或建筑物的倒塌，增加建筑的防火能力。对于世界贸易中心在恐怖袭击下的情况，如果使用了更强大的重力系统，塔的逐渐倒塌可能会被推迟，但最终无法避免。出于同样的原因，在大多数情况下，增加建筑物的防火强度并不是减少火灾的最有效的方法。相反，诸如烟雾探测、火灾报警和应急管理等非土木工程措施更有利于解决建筑火灾，应该指出的是，这些措施并不严格构成土木工程灾害。
2.2分类
土木工程灾害在与通过土木工程失效有关的外部原因的基础上可以分为自然有关灾害的和人为有关灾害。正如上面所讨论的, 除了地震诱因,土木工程灾害可能与其它多种自然灾害有关, 如大风、洪水、山体滑坡、大雪和寒冷的天气。例如，电力供应塔可能会在强风下倒塌，从而导致电力供应中断造成经济损失。
2008年，中国南方遭遇异常寒冷的天气和大雪，导致许多工业建筑倒塌，造成人员和经济损失。与此相反，与人为灾害有关的土木工程灾害通常是由技术上的不足和错误、一般的人类过失和敌对行动引起的。
2.3结构缺陷的原因
土木工程由人来设计、建造、使用和维护。因此，所有土木工程灾害的根本原因，不论它们是否与自然灾害或人为灾害有关，都是土木工程的结构性缺陷，而这往往是人为因素造成的，例如缺乏知识或出现错误。在这样的背景下，土建工程结构缺陷的原因可以概括如下。
2.3.1不恰当的选址
那些位于活动断层上，暴露于山体滑坡或泥石流，或易受不均匀沉降影响的地点，是一些不适合土木工程建设的地点的例子。从技术上讲，在这类地点的建筑物和基础设施上，不可能达到足够的抗灾能力，否则即使成功做出，其代价也将是过高的。因此，一个实用的策略就是避免这些不合适的选址。在受上述汶川地震影响的地区，北川县城位于一个极易发生滑坡和泥石流的地区，这是一个典型的土建工程建设选址不当的典子。在地震中，仅北川就有15646人遇难，1023人失踪。这大约占到灾难总损失的20%。北川的山城不只是被地震完全摧毁，还被随之而来的山体滑坡、洪水和泥石流完全掩埋。
建筑工地的适宜性是可以改变的。2015年12月20日,在中国深圳的一个工业园区, 33个建筑被掩埋或损坏，不同区段的滑坡影响面积达380000平方米,69人丧生。调查表明,滑坡不是从工业园区背后的山,而是从2014年就开始倾倒堆积如山的建筑残骸开始的。这些致命的碎片的产生并不是由于工业园区的建造，而是由人类活动造成的，这使得该工业园区面临着滑坡的危险。
2.3.2不恰当的危险评估
通过设计适当的危险级别，可以有效地缓解土木工程灾害。唐山市自成立以来，由于对其市区的潜在地震灾害的忽视，对1976年发生的地震完全没有做好准备。这座城市的土木工程，包括建筑和基础设施，都没有进行抗震的设计和建造。大多数建筑物在地震中倒塌，整个城市被彻底摧毁。海地首都太子港也对2010年海地地震毫无准备，这场地震夺去了数万人的生命。这两场灾难的共同之处在于大量非抗震设计的土木工程的失效，这构成了灾害的主要危险，尽管地震引起了更多的关注!
即使在土木工程设计中考虑到危险因素，对危险程度的不当评估也可能导致建筑结构不完善。2005年12月，中国山东省的许多工业建筑在一场百年一遇的降雪中倒塌。在中国建筑结构荷载规范(GB50009, 2001)中，当地面积50年重覆雪的标准荷载为0.4~0.45kN/m2。在2005年12月3日至17日期间，积雪厚度为80.2 mm，对应荷载为0.8 kN/m2，这一数值几乎是设计值的两倍。这是那些部分钢结构的工厂倒塌的直接原因。
2.3.3不恰当的设计
在结构设计过程中，恰当的危险等级分配设计要求对危险有全面理解。此外，对某一特定危险等级的结构进行适当的设计，需要对承灾体有充分的了解。2012年，在中国哈尔滨的阳明潭大桥坡道上，四辆重型卡车同时行驶在同一条车道上，这时坡道坍塌了。虽然这一事件被正式认定为货车超载引起的交通事故，但斜道结构设计的缺陷不应被忽视。坡道是由四个单墩支撑的三跨段，其中两个中间墩与段的两端有很大的不同。在这段的两端，桥面上的支架梁与桥墩顶部刚性连
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