1.   引言

我国是洪水灾害多发国家，洪水灾害给人民生命财产造成巨大损失^[1]，每年都有大量村镇建筑在洪水中严重损坏甚至倒塌，如“75.8”河南洪水，倒塌房屋524万间；“98”长江洪水，倒塌房屋212.85万间；“03”淮河洪水，倒塌房屋77万间；“03”渭河洪水，倒塌房屋18.72万间；2010年6月，福建龙岩107个乡镇遭受洪灾，近5 000间房屋倒塌，可见，系统深入地研究村镇建筑抗洪性能，对于减少洪水引起的生命财产损失以及建立和谐幸福的社会主义新农村具有重要意义。

在“十一五”国家科技支撑计划项目支持下，笔者对村镇建筑抗洪性能有关问题进行了研究，开发了村镇建筑抗洪性能评价系统AEFARUB (Computer Program for Analyzing and Evaluating Flood Actions on RUral Buildings)。AEFARUB系统由洪水模拟分析模块、洪水对村镇建筑作用力分析模块、洪水作用下村镇建筑力学性能分析模块、村镇建筑洪水中倒塌危险性快速评估模块、村镇建筑抗洪设计咨询与抗洪加固决策模块等构成，下面对系统各个模块的原理和特点进行详细介绍。

2.   各模块原理和特点

2.1   洪水模拟模块

堤坝溃决是引发洪水的主要原因之一。我国已修建水库大坝8.5余万座，自1954年有溃坝统计资料以来，我国各类水库大坝失事3487座，其中仅“75. 8”河南板桥与石漫滩大型水库溃坝事故造成2.6万人死亡，倒塌房屋524万间^[2]。同时，我国江河众多，河堤漫长，很多河堤存在隐患，溃堤事故不断发生，如1998年8月，江西九江境内长江大堤决口；2010年6月，江西抚州唱凯大堤决口，图 1是某大堤溃决后的情景。另外，强降雨引发的山洪对村镇建筑也有极大威胁，如2005年6月，湖南新邵等县发生山洪，冲毁房屋3 560栋；2007年7月，四川巴中遭受10个小时的强降雨后引发山洪，有1 756个村受灾，民房垮塌达6 989间(见图 2)。

图  1  河流溃堤引发洪水

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图  2  山洪过后房屋损毁

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洪水模拟的主要目的是确定洪水淹没区内的洪水深度和洪水流速。堤坝溃决洪水模拟包括溃口模拟及洪水演进模拟两部分。溃口模拟主要模拟溃口发展过程，从而获得溃口处洪水流量及流速过程线，为下游洪水演进计算奠定基础；洪水演进模拟是指模拟洪水冲出溃口之后的流动过程，目的是获得洪水淹没区内的流量、水位、流速、洪峰到达时间、洪水持时等数据。国外采用的洪水模拟模型主要有BEED模型、DAMBRK模型、BREACH模型以及DELFT-3D模型等等，本项目利用二维非恒定流方程模拟洪水演进过程，把模拟区域划分成正方形网格(见图 3)，引入通度系数表示区域内部的阻水建筑物，采用有限单元法进行求解，得到各种情景下模拟区域内的水深、流速等参数，最后采用可视化技术显示出来(见图 4)。

图  3  洪水模拟区域网格剖分图

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图  4  洪水模拟的部分结果

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2.2   洪水对村镇建筑作用力分析模块

我国地域辽阔，村镇建筑的基础类型、结构形式、建筑材料等差别很大，在洪水中倒塌的原因多种多样，概括起来，主要有以下几种：(1)由于洪水产生的静水压力或者洪水及其携带的漂浮物直接冲击建筑，造成建筑墙体等构件严重损伤甚至部分或全部倒塌(见图 5、图 6)。(2)对于浅基础建筑，地基中部分土壤被洪水逐渐冲走而引起建筑倾斜或者倒塌(见图 7)。(3)一些年代久远的建筑或欠发达地区的生土建筑，由于洪水浸泡，建筑材料力学性能劣化引起建筑破坏或者倒塌(见图 8)。

图  5  漂浮物撞击导致柱子严重弯曲

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图  6  洪水冲击导致房屋倒塌

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图  7  洪水冲刷地基引起房屋倾斜

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图  8  生土建筑由于洪水浸泡严重损毁

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通过理论分析和模型实验(见图 9)，确定了洪水及漂浮物对建筑物作用力的计算公式。流动的洪水可以近似看作非粘性不可压缩稳态流，对建筑物墙壁产生的动水压力可以利用下面公式计算：

图  9  动水压力及倒塌形态模型实验

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其中：P_d为动水压力(N/m²)；C_D为拖拽系数，取值范围为1.25~2.0之间；ρ为洪水的密度(kg/m³)；v为洪水的流速(m/s)。

洪水水中的木头、树根等漂浮物随着洪水一起流动，撞击到建筑物上时，会产生比较大的冲击力。但漂浮物的随机性很强，准确确定其大小和作用位置都不大可能，因此，可以根据实际情况，做一些假设，估算出冲击力，然后按一定的分项系数，计入总的荷载之中。漂浮物对建筑的冲击力可采用下式估算：

其中：F_i为冲击力(N)；m为漂浮物的质量(kg)；V为漂浮物的速度，近似等于洪水的流速(m/s)；t为冲击持续时间(s)。冲击持续时间t取决于漂浮物刚度、建筑构件的刚度等因素，一般情况下，可以根据建筑的材料确定，对于木结构、钢结构、钢筋混凝土结构，t可以近似地取为1.0 s、0.5 s、0.1 s。

2.3   洪水作用下村镇建筑结构反应分析模块

本项目重点研究砖砌体结构以及钢筋混凝土框架结构在洪水作用下的力学性能。砖砌体结构的抗洪性能主要取决于墙体的性能，分析墙体的模型主要有结构力学模型、屈服线模型、有限元模型、离散元模型等等^[4]。本项目开发了洪水作用下砌体结构及框架结构力学性能分析有限元软件。该软件有前处理器、求解器、后处理器、核心数据库等构成。前处理器具有网格自动剖分、交互施加约束条件等功能；求解器装配了二维杆系单元、三维杆系单元、4~8节点平面应力单元、8~20节点块体单元、8节点壳单元、弹簧链接单元等等；后处理器可以显示变形图(见图 10)、应力云图(见图 11)。

图  10  墙体变形图

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图  11  墙体应力分布云图

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村镇建筑的冲刷破坏形式主要有两种，一种是位于山区的沟谷两侧的建筑，当沟谷中洪水位较高时，洪水从地势较低的一侧开始冲刷建筑的地基；另一种是平原地区的浅基础村镇建筑，当洪水流速达到一定的临界流速时，地基中的表层土壤就会开始流失，地基被冲刷到一定深度，建筑结构的墙体就会悬空，如果是砖混结构且没有地梁，就会在在墙体中产生拉应力，超过墙体的抗拉强度，就会倒塌。如果有地梁且刚度较大，当冲刷的范围较小时，建筑结构会保持平衡，冲刷范围达到一定程度，整个建筑就会倾斜(见图 7)，严重的，就会引起倒塌。

村镇建筑地基冲刷深度和范围与地基组分、表面覆盖、洪水深度、洪水流速、持续时间等多种因素有关，本项目改进了桥墩处地基冲刷深度计算公式^[5]，得到了平原地区浅基础村镇建筑地基冲刷深度计算公式。实践证明，深基础和桩基础能够有效防止冲刷破坏(见图 12、图 13)，我国经济发达地区村镇建筑应该优先采用。

图  12  深基础有效防止建筑倒塌

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图  13  桩基础有效防止建筑倒塌

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2.4   村镇建筑洪水中倒塌危险性快速评估模块

村镇建筑在洪水中倒塌除了造成财产损失以外，还严重威胁到人民生命安全。对村镇建筑在洪水中倒塌的危险性进行评估至少具有以下三方面的意义：对危险建筑进行加固或者搬迁；对于没有加固的危险建筑，发生洪水时人员可以尽快离开；安全建筑可以作为临时避难场所。

Prolog语言是开发专家系统的理想工具^[6]，本项目用Visual Prolog语言开发了村镇建筑洪水中倒塌危险性评估专家系统，该系统由知识库、推理机、初级事实库、高级事实库、用户界面等构成。建立知识库是开发专家系统的核心工作，包括知识的获取和知识的表达，即从专家那里获得知识并以合理的形式把专家学者知识存入知识库。本专家系统的知识主要来源于三个方面：(1)历史资料:国内外洪水中村镇建筑以及城市建筑损伤数据；(2)走访专家获得的经验和知识；(3)利用计算机进行数值模拟获得的数据。为使系统具有可扩充性、简洁性、明确性，知识的表示采用基于规则的产生式表示法，用Prolog语言表示为：Rule(规则号，条件，结论，可信度)。

通过用户界面，用户逐步交互回答系统提出的问题，就可以形成初级事实库。回答的问题主要包括当地水文气象条件、村镇建筑情况、地形地质特征、上游地区经济状况、当地驻军的距离等等。推理机可以把初级事实加工成为高级事实，形成高级事实库，符号化地保存于数据库之中。本模块采用基于规则的推理(Rule-based Reasoning)，同时采用逆向推理的控制策略。在逆向推理控制策略中，先假设某一结论正确，然后在事实库中寻找支持结论的事实证据。当证据缺乏时，利用Prolog语言的回溯机制，继续寻找支持下一假设的事实证据，直至结论成立。如果证据不足，系统会要求用户补充新的事实。

对村镇住宅抗洪性能进行评估采用的评估策略是进行不精确推理，这主要是因为事实库中的事实是不完备的、模糊的，知识库中的知识是经验的、不严格的，所有的事实和知识都有一定的主观确定度，洪水中建筑倒塌概率是这些主观确信度的综合体现。不精确推理的详细内容可以参阅文献[6]。

该专家系统把倒塌危险性分为A(极度危险)；B(偏于危险)；C(基本安全)；D(安全)四个级别，并给出可能的倒塌类型以及发生概率。鉴于专家系统求解结论的不精确性，对于特别重要建筑，系统会建议用有限元软件进行定量分析。

2.5   村镇建筑抗洪设计咨询与抗洪加固决策模块

在拟建村镇建筑方面，本模块为村镇建筑在抗洪性能方面提供咨询意见，并提供具有良好抗洪性能村镇建筑图集。咨询意见主要包括以下方面：(1)在规划方面，首先要重视建筑的选址：要选择较高的地点，避免水淹；要距离河堤稍远，避免溃堤时高速水流直接冲击。其次要重视建筑的间距：洪水频率较大的地区，住房间距要符合要求，以便减少洪水对地基的冲刷。另外，还要注重非工程措施，在村镇外围以及建筑周围植树可以减低风速，减小波浪，阻挡漂浮物。洪水频率较大的地区还可以在村镇周围建立环形圩堤，防止洪水侵袭。(2)在村镇建筑方面，从基础类型、建筑材料、结构形式、防渗技术等方面综合考虑，提出了多种利于抗洪的结构形式，供农村居民根据实际情况进行选择。

在既有建筑抗洪加固方面，针对洪水冲击上部结构引起倒塌和洪水冲刷基础引起结构倒塌两种情况，提供多种抗洪加固方案供农村居民选择。加固基础的主要的措施有：砌筑浆砌石，帷幕灌浆，置换地基等等。加固上部结构的主要措施有封闭钢框架整体加固砌体结构技术以及粘贴CFRP加固技术砌体结构技术等等。此外，还可以修建临时性或永久性防洪墙，阻止洪水直接冲击村镇建筑。

3.   结论及展望

村镇建筑抗洪性能评价系统AEFARUB已经初步应用于实践当中。2010年夏季，应用该系统对吉林、江西等省部分地区的村镇建筑的抗洪能力进行了分析和评估，评估结果具有较高的精度，得到了专家和政府的认可。但也发现一定的问题，第一个问题是系统的内容复杂，涉及很多的专业知识，村镇技术人员使用遇到一定困难。此外，如何结合村镇当地的建筑材料等实际情况，设计出抗洪性能、抗震性能、抗火性能、节能性能等各方面都很理想的实用住宅建筑，也是需要努力解决的。在“十二五”规划中，重点任务是丰富村镇建筑设计图集、选择典型地区建立示范工程、加大对村镇技术人员的培训力度、扩大AEFARUB系统的应用范围，为建立和谐、平安、幸福的社会主义新农村服务。