新生研讨课

1. 新生研讨课 土木工程防灾减灾 Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering 张鸿儒 Email: hrzhang@bjtu.edu.cn 个人办公室：隧道中心201A

2. 教学目的 • 为土木工程灾害及其防御的概论性课程。 • 了解土木工程常遇自然和人为灾害的主要类型、灾害防御的基本概念和一般原则； • 理解土木工程主要灾害的发生发展机理和对工程结构的损害， • 了解主要土木工程主要灾害防御的主要技术措施和灾害预警原理； • 了解城市减灾的基本知识 • 具有土木工程防灾减灾的基本知识和主要灾害及其防御措施的初步判别能力。

3. 教学安排及要求 • 教学方式 • 围绕某一师生共同感兴趣的专题，以教授与学生之间、学生与学生之间的交流互动、口头以及写作训练为主，以小组方式边学习，边讨论； • 根据条件，安排实验、参观、调查等教学活动。 • 每一主题有一个小组报告主要知识点（理解和掌握），然后相互讨论并由教授补充点评，加深学生对内容的理解。 • 课程考核 • 考核方式为“考查”，计分方式为“两级制”。根据平时作业、小组工作、课堂表现、口头报告或书面报告等评定成绩。

4. 1. 土木工程防灾减灾基本概念

5. 土木工程灾害的种类? • 灾害？ • 灾害的种类？ • 土木工程的灾害种类？ • 土木工程灾害对工程结构的损害? • 不同灾害对土木工程的损害？ • 土木工程灾害造成的生命、财产损失？ • 人类土木工程防灾减灾的历史?

6. 1.1 土木工程灾害的种类 灾害 • 自然发生或人为产生的，对人类和人类社会具有危害后果的事件与现象。 • “灾害” 是从人类的角度来定义的，灾害必须以造成人类生命、财产损失的后果为前提。 • 自然灾害是自然界中物质变化、运动造成的祸害。地震、洪水、风、地质 • 人为灾害是由于人的过错或某些丧失理性的失控行为给人类自身造成的损害。火灾、

7. 自然灾害 • 地质灾害：地震，火山爆发，山崩，滑坡，泥石流，地面沉陷等。 • 气象灾害：暴雨，洪涝，热带气旋，冰雹，雷电，龙卷风，干旱，酷热，低温，雪灾，霜冻等。 • 生物灾害：病虫害，森林火灾，沙尘暴，急性传染病等。 • 天文灾害，天体撞击，太阳活动异常等。 • 其他如雪崩，冰崩，海啸，鼠害等也属于自然灾害。

8. 主要的人为灾害 • 生态环境灾害：烟雾与大气污染，温室效应，水体污染，水土流失，气候异常，人口膨胀等。 • 工程事故灾害：岩土工程塌方，爆炸，人为火灾，核泄露，有害物失控（毒气，毒物，有害病菌等），水库溃坝，房屋倒塌，交通事故等。 • 政治社会灾害：骚乱，战争，集团械斗，人为放毒，社会暴力与动乱，金融风暴等。

9. 灾害发展类型 • 突变型。地震、泥石流、燃气爆炸等 • 发生往往缺少先兆，发作是突然的 • 发生的过程历时较短但破坏性很大 • 可能在一定期内重复发作。 • 发展型。暴雨、台风、洪水等 • 与突变型相比，有一定的先兆，往往是某种正常自然过程积累的结果。 • 它们的发展是较迅速的，但比突变型灾害要缓慢一些，因而其过程具有一定的可估计性。

10. 持续型：旱灾、涝灾、传染病、生物病灾害等 • 持续时间可由几天到半年甚至几年。 • 演变型：沙漠化、水土流失、冻土、海水入侵、地面下沉、海面上升以及区域气候干旱化等 • 灾害是一种长期的自然过程，是自然环境演化或加上人类不当行为造成的必然伴生结果 • 因其进程缓慢，不易引起人们的重视并立刻采取措施 • 有些灾害防治还需世界不同国家之间合作进行，因而最难控制和减轻。 • 但这类灾害具有统计意义上的可预报性，如二氧化碳倍增可能引起全球气温升高，在理论上有比较肯定的结论，因它导致的区域干旱化和海平面上升也具有一定信度的预测结果。

11. 危害程度 • 突变型和发展型自然灾害发作快，缺少征兆，因而对人类和动物的生命危害最大，两者有时被合作为骤发性灾害。 • 持续型自然灾害持续的时间长，影响范围一般也较大，进而往往造成极大的经济损失。 • 演变型自然灾害是一种漫长的自然过程，它破坏了人类的生存环境，而且纠正难度极大，因而它的影响最大，长期的潜在损失最大。

12. 灾害分级 • 巨灾：死亡10000人以上，经济损失超过1亿元。 • 大灾：死亡1000～ 10000人，经济损失1000万～ 1亿元。 • 中灾：死亡100～ 1000人，经济损失100万～1000万元人民币。 • 小灾：死亡10～ 100人，经济损失10万～ 100万元人民币。 • 微灾：死亡<10人，经济损失<10万元人民币。 为什么分级？

13. 灾害损失 • 全球自然災害造成經濟每年平均損失： • 1960年代：755億美元； • 1970年代：1,384億美元； • 1980年代：2,139億美元； • 1990年代：6,599億美元。 • 1980-2000年，全球75%人口居住在可能遭受天然災害侵襲地區。 • 平均每天因天然災害死亡人數超過184人。

14. 近300年全世界死亡人数大于10万的灾难

16. 近300年世界死亡在一次死亡人数在10万人以上的大灾总量中，中国所占比例很大近300年世界死亡在一次死亡人数在10万人以上的大灾总量中，中国所占比例很大 • 另有资料表明，在所有地震死亡人数的总额中，中国所占的比重最大，超过63%；一次地震死亡人数最多的灾难也是发生在中国，即明朝（1556年）发生在中国华县的大地震，史书记载因震及震后疾病流行及饿死的人数达83万。

17. 1.2 土木工程灾害对工程结构的损害? • 灾害对土木工程的损害 • 地震：房倒屋塌、交通及其他工程设施损坏 • 次生灾害：海啸、滑坡、地裂 • 火灾：减小强度、缩短寿命 • 风载：倒塌、损坏 • 洪水：冲毁 • 地质灾害：滑坡、泥石流 • 防灾减灾手段 • 工程措施 • 诊断、修复

18. 1.3 人类土木工程防灾减灾的历史? • 古代：“羿射九日”、“大禹治水”、张衡地动仪（救灾） • 国际减轻自然灾害十年 • 1987第42届联合国大会一致通过了第169号决议。确定20世纪最后十年在全世界范围开展一个“国际减轻自然灾害十年”（International Decade for Natural Disaster Reduction, 简称IDNDR） 的国际活动。其宗旨是通过国际上的一致努力，将当前世界上各种自然灾害造成的损失，特别是发展中国家因自然灾害造成的损失减轻到最低程度。 • 要求各个国家政府和科学技术团体、各类非政府组织，积极响应联合国大会的号召，并在联合国的统一领导和协调下，广泛开展各种形式的国际合作，通过技术转让和援助，项目示范，教育培训，推广应用现有行之有效的减轻自然灾害的科学技术，以及开展其他各种减轻自然灾害的活动，从而提高各个国家，特别是第三世界国家的防灾、抗灾能力。 • 卡特科学助理、美国国家科学院院长、地震学家F. Press在1984年世界地震工程大会上提出的设想。

19. 1988年联合国成立了“国际减轻自然灾害十年” 指导委员会，并由其所属的十多个部门（如联合国教科文组织、救灾署、开发署、环境署、世界气象组织世界卫生组织、世界银行、国际原子能机构⋯⋯） 的领导担任委员。 • 联合国秘书长根据国际学术团体的推荐，亲自聘请了来自24个国家的25位国际知名防灾专家组成了联合国特设国际专家组，由F. Press担任主席。中国国家地震局谢礼立为该专家组成员 • 1989年第44届联大通过了《国际减轻自然灾害十年决议》（236号决议）及《国际减轻自然灾害十年国际行动纲领》并建立了相应的机构。明确了国际减轻自然灾害十年的目的、目标和国家一级需采取的措施及联合国系统需采取的行动等，并规定每年10月的第二个星期三为“国际减轻自然灾害日”

20. 主要活动内容是： • 注重减轻由地震、风灾、海啸、水灾、土崩、火山爆发、森林火灾、蚱蜢和蝗虫、旱灾和沙漠化以及其他自然灾害所造成的生命财产损失和社会经济失调； • 增进每一个国家迅速有效地减轻自然灾害的影响的能力，特别注意在发展中国家设立预警系统； • 要求所有国家政府都要拟订国家减轻自然灾害方案； • 鼓励科学和技术机构、金融机构、工业界、基金会和有关非政府组织，支持和充分参与国际社会包括各国政府、国际组织等拟订和执行的各种减灾十年方案和活动； • 推动宣传与普及民众防灾知识，注意备灾、防灾、救灾和援建活动等。

21. 一些国际组织和国际减灾委员会建立了许多防灾减灾项目一些国际组织和国际减灾委员会建立了许多防灾减灾项目 • “联合国全球灾害网络” • “全球大区的台风监测计划” • “欧洲尤里卡计划”（西欧国家制定了一项在尖端科学领域内开展联合研究与开发的计划，即“尤里卡计划”。它的目标主要是提高欧洲企业的国家竞争能力，进一步开拓国际市场。尤里卡（EURECA）是“欧洲研究协调机构”（European Research Coordination Agency）的英文缩写。 • “美国飓风、洪水预报及减轻灾害研究” • “日本防灾应急计划” • 中国1989年4月3日正式成立“中国国际减灾十年委员会”，由当时的国务院副总理田纪云出任委员会主任。目标是到2000年使自然灾害的损失减少30%。

22. 中国政府的减灾行动 • 在《中国21世纪议程》中，为我国的防灾、减灾工作提供了依据。 • 1997年建设部公布了《城市建筑综合防灾技术政策》纲要，把地震、火灾、洪水、气象灾害、地质灾害列为五大灾种，提出了防灾、减灾的各种技术措施。 • 《21世纪国家安全文化建设纲要》中特别强调了城市综合减灾研究是21世纪中国最值得关注的保障技术之一。 • 1994年在日本横滨世界减灾大会上发布的《中国减灾规划》，从宏观的战略高度提出了国家减灾目标与战略，在社会经济发展规划中开辟了“防灾减灾” 这一重要窗口，同时还提出要逐步提高工业基地、高风险区域城镇、基础设施和高风险源的抗灾设施建设，增强企业的防灾能力，要求到2010年完成全国各级城镇的减灾规划，进一步提高城市防灾减灾设防标准，基本控制因灾造成的次生灾害。

23. 1999年编制完成的《1999年中国自然灾害对策》白皮书作为我国科学家群体减灾智慧的结晶，已将中国城市灾害作为减灾重点之一，并强调在我国应首先从大城市、大区域上强化综合减灾能力的建设。1999年编制完成的《1999年中国自然灾害对策》白皮书作为我国科学家群体减灾智慧的结晶，已将中国城市灾害作为减灾重点之一，并强调在我国应首先从大城市、大区域上强化综合减灾能力的建设。 • 有关防灾的法律、法规：《环境保护法》（1989年施行）、《军事保护法》（1990年施行）、《人民防空法》（1997年施行）、《防洪法》（1998年施行）、《防震减灾法》（1998年施行）、《消防法》（1998年施行）、《减灾法》（1998年施行）、《防沙治沙法》（2002年施行）等一系列防灾法规，规定了各级政府防御和减轻城市灾害的责任。 • 部门规章：条例、管理办法 • 技术规程：规范、指南、规程

24. 防灾减灾观念改变 • 消極承受 →積極防治 • 政府主導 →全民參與 • 救災搶險 →平時減災、災前整備、災時應變、災後復建 • 工程手段 →工程與非工程(管理)手段、環境維護、生態保育、永續發展

25. 灾害发生后的救灾体系（政府）

26. 1.4 学术写作和报告 （Writing and Presentation） • 学术论文结构 • 摘要（Abstract） • 引言 (Introduction) • 正文主要内容 • 结论和讨论（Conclusion） • 禁忌 • 自我表扬、自我评价

27. 摘要 • 研究目的：为什么（有时可省略） • 研究内容：研究什么 • 研究方法：用什么方法 • 研究结果：得到什么结果（客观事实） • 研究结论：根据研究结果作出的判断 • 字数 • 中文：200-300字 • 英文：150词

28. 引言 • 研究的意义（问什么要研究） • 研究的国内外发展现状及评述（历史及最新进展） • 已经做了什么 • 存在什么问题 • 论文的新思想：针对存在的问题（可以是部分） • 正文：按逻辑关系叙述 • 研究的方法 • 所用材料或参数 • 计算或试验结果（数据和图标） • 结果的分析（规律以及问什么会出现这些规律）

29. 结论和讨论 • 主要结论 • 通过研究得到的规律，不要重复已有结论或显而易见的结论 • 可分条列出 • 简明扼要 • 肯定或否定判断 • 有量的概念 • 讨论 • 存在或进一步研究的问题以及可能改进的途径

30. 问题的解释 问题的意义

31. 现状及评述

32. 新思想

35. 学术报告 • 基本与论文的结构一致 • 应该更生动 • 以数据、图表说明问题 • 每张幻灯片内容不要过多 • 逻辑性要强 • 文字绝对简练，为内容的提纲 • 控制时间 • 重要报告要预演

36. 背景知识 • 第二届全国防灾减灾工程学术会议主旨报告 • 重大工程地震/风致灾变若干关键科学问题研究进展与展望 欧进萍 • 多手段、动态及全过程滑坡预警预报 郑颖人 • Large-Scale Simulation for Nonlinear Soil-Structure Seismic Response Ahmed Elgamal (University of California, San Diego) • Experimental Studies of Building Models in Violent Tornadoic and Microburst Winds Hui Hu (Iowa State University)

37. 专题 • 专题一：结构抗震与减灾 • 专题二：岩土工程与地质灾害 • 专题三：交通与岩土工程灾害 • 专题四：OpenSees论坛

39. 地震海啸 • 地震海啸(earthquake-generated tsunami)系指由地震激发(产生)的海啸。 • 通过对海啸特点的分析，便不难理解究竟是哪些因素在影响地震激发海啸。 • 影响地震激发海啸的主要因素有：①地震的大小(以地震矩M0或矩震级MW量度)；②地震机制；③震源深度；④震源破裂过程。 • 地震预测Earthquake Prediction（长期） • 美国地震学家于1984 年正式预报的Parkfield 6 级地震，终于在比预测的时间(1988±4.3)年(即最晚在1993 年初之前)晚了整整11 年后的2004 年9 月28 日发生。

40. 美国地震学家成功地预报了1989 年10 月18 日美国加州洛马普列塔(Loma Prieta) 6.9 级地震。 • 日本地震学家用“地震空区”方法预报的“东海大地震”从1978 年迄今地 震 预 测 已31 年，但仍未发生； • 洛马普列塔地震的实际情况与预报的并不准确地相符 • 地震预测为什么这么难 • 地球内部的“不可入性” • 大地震的“非频发性” • 地震物理过程的复杂性 • 1975 年中国海城地震的成功预报使得国际地震学界对地震预测一度弥漫了极其乐观的情绪；但未能对1976 年中国唐山大地震做出短、临预报

41. 2. 地震灾害及其防御

42. 地震灾害及其防御 • 土木工程中地震作用的基本概念 • 地震对土木工程结构的损害机理 • 土木工程结构抗震设计的总体原则 • 重大工程结构的地震预警和震后修复

43. 2.1 土木工程中地震作用的基本概念 • 地震成因 • 板块构造学说：Plate Tectonics

44. 地震位置信息： • 震源(focus, hypocenter)、震中(epicenter)、震源深度(hypocentral depth)、震中距epicentral distance、震源距(focal distance) • 地震波 • 纵波P波(Primary, Pressure)；横波S波(Secondary, Shear, Slow) • 洛夫L ( Love, 1912, 蛇形运动)；瑞利R (Rayleigh,1885)

45. P波和S波的传播速度差异 • S波辐射大部分地震能量，速度较慢（3.5km/s） • P波先到，速度较快（6-7km/s）

46. 地震强度 • 震级：震源释放的能量，常用里氏震级(C.F. Richter Scale) • M=lgA（震中距100km处标准地震仪记录的位移mm） • 烈度：特定位置的地震动强烈程度，分宏观烈度和仪器烈度（earthquake intensity） • 烈度衰减 • 地震区划图

47. 地震的破坏(What) • 地震中地表的破坏：地裂缝(fissure)、喷砂冒水(liquefaction)、地面下沉(Settlement) • 工程结构破坏(Failure, damage, collapse) • 次生灾害(secondary disaster)

48. 2.2 地震对土木工程结构的损害机理2.3 土木工程结构抗震设计的总体原则 分组研讨 • 如何破坏（How?） • 地面破坏如何造成土木工程结构灾害 • 地震动（加速度如何造成土木工程结构破坏） • 次生灾害的致灾机理 • 土木工程结构如何抵御地震灾害 • 结构选型：结构形式、材料 • 设计计算：一般原则——地震作用、效应、抗力 • 构造措施：