（工程力学专业论文）电力设施震害及其危害性快速评估方法研究.pdf

摘要 j i - - i l 1 i i i 置i i i 摘要 电力系统是生命线系统的重要组成部分，是现代社会的重要能源供应子 系统之一。国内外大量震害资料表明：电力系统的地震易损性高，其震害具 有波及范围广，连锁影响强，造成的直接和间接经济损失大等特点。同时， 电力系统震时功能发挥情况还对抗震减灾、应急救援行动的有效实施有很大 的影响作用。然而，我国地震应急灾情识别与评估决策技术研究工作起步较 晚，基础较薄弱，无法为地震应急救援和决策提供有力的技术服务平台。对 于去年刚刚发生的5 1 2 汶川大地震，现有震害快速评估模型给出的评估结果 有较大误差。因此，进行电力设施震害及其危害性的快速评估方法研究，具 有重要的理论意义和实用价值。 本文基于区域地震应急基础数据库，尝试性的提出了两种基于易损 性分析的快速评估方法，以期在震后短时间内，在灾情匮乏的情况下完成电 力设施震害及其危害性的快速评估，提供电力设施的宏观灾情和危害级别提 醒，为应急救援决策的制定提供依据。全文主要内容摘要如下： ( 1 ) 总结了电力系统、变电站抗震研究的发展、趋势和方法，综述了国 内外震害评估方法和技术的发展及最新进展。 ( 2 ) 搜集了国内外历史地震中电力设施的震害资料、美国加州的统计资 料及国内震害预测的成果，分析了电力设施地震易损性的主要影响因素，研 究给出了主要电力设施地震易损性曲线，建立了变电站震害和功能失效的权 重系数快速评估方法。 ( 3 ) 根据汶川地震科考资料的统计结果和我国现行的电力设施抗震设计 规范，建立了变电站震害和功能失效的综合判断快速评估方法。 ( 4 ) 从额定电压等级、规划容量、装机容量、电力网中的地位、电力负 荷级别等不同方面分析了电力设施的重要性，建立了由重要性和设施破坏程 度作为影响因素的变电站破坏和功能失效危害性的快速评估模型。 ( 5 ) 将汶川地震科考搜集到的震害资料进行了整理，对四川省德阳地区 4 9 个3 5 k v 以上的受灾变电站的功能失效情况以及危害情况给出了两种方法 的快速评估结果，并与科考调查的结果进行了对比分析。 关键词：电力设施；易损性；功能失效；危害性；快速评估 a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t n l ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mi st h el i f e l i n es y s t e m si m p o r t a n tc o m p o n e n t , s i m u l t a n e o u s l yi t i so n eo fi m p o r t a n te n e r g ys u p p l ys u b s y s t e m si nm o d e m s o c i e t y 。乃ep r e v i o u se a r t h q u a k ed a m a g es t a t i s t i c a lr e s u l t sa th o m ea n da b r o a d s h o wt h a tp o w e rs y s t e mh a sah i g he a r t h q u a k ev u l n e r a b i l i t y ，a n dt h ee a r t h q u a k e d a m a g eo fe l e c t r i cp o w e rf a c i l i t i e sw o u l dn o to n l yl e a dt ot h ew i d e s p r e a da f f e c t , b u ta l s oc a u s e dc o n s i d e r a b l ed i r e c ta n di n d i r e c te c o n o m i cl o s s e s a tt h es a m e t i m e ，t h ef u n c t i o no fp o w e rs y s t e md u r i n ga n dp o s te a r t h q u a k eh a sas t r o n gr o l e t ot h ee f f e c t i v ei m p l e m e n t a t i o no fe a r t h q u a k ed i s a s t e rr e d u c t i o na n de m e r g e n c y r e l i e fo p e r a t i o n s h o w e v e r ，t h er e s e a r c hw o r ko fe a r t h q u a k ed i s a s t e re m e r g e n c y r e s p o n s ea n dd e c i s i o n m a k i n gt e c h n i q u e si nc h i n ac a r r i e do u tb ys o m el a t e r ， t h e r e f o r e ，t h ec u r r e n tt e c h n o l o g yi sw e a k , a n di tc a nn o tp r o v i d ee n o u g ht e c h n i c a l s e r v i c ep l a tf o r mf o rt h ee a r t h q u a k ee m e r g e n c yr e s c b ea n dd e c i s i o n - m a k i n g 髓e e x p e r i e n c el e a r n e df r o m5 1 2 w e n c h u a ne a r t h q u a k ei st h a tt h ee x i s t i n g e a r t h q u a k ed a m a g ef a s ta p p r a i s a lm o d e lg i v e st h ea p p r a i s a lr e s u l th a st h eb i g e r r o r s t u d y o np o w e rf a c i l i t i e s e a r t h q u a k ed a m a g ea n di t s h a z a r dr a p i d e v a l u a t i o nm e t h o d , t h e r e f o r e ，h a v eb o t hi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e i nt h i sp a p e r ，t w or a p i da s s e s s m e n tm e t h o d so fp o w e rf a c i l i t i e se a r t h q u a k e d a m a g eb a s e do nv u l n e r a b i l i t ya n a l y s i sa l ed e v e l o p e d 、 ，i t l lt h es u p p o r to ft h e ”r e g i o n a ls e i s m o l o g ye m e r g e n c yb a s i sd a t a b a s e ”s oa st or e f l e c te l e c t r i cp o w e r f a c i l i t i e sd i s a s t e ri n f o r m a t i o ni ne a r l yp o s t e a r t h q u a k e t h ea s s e s s m e n tm o d e lc a l l c a l c u l a t et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ns y s t e m sm a c r o 1 e v e ld i s a s t e ra n dh a z a r do ft h e e a r t h q u a k e s t r i c k e na r e ai nt h ea b s e n c eo fe l e c t r i cp o w e rf a c i l i t i e s b a s i s i n f o r m a t i o n t h e 伽lt e x tp r i m a r yc o v e r a g ea b s t r a c ti sa sf o l l o w s ： ( 1 ) n l ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n dt h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ne a r t h q u a k e r e s i s t a n c er e s e a r c hd e v e l o p m e n t , t h et e n d e n c ya n dt h em e t h o d sh a v eb e e n s u m m a r i z e d , t h ed o m e s t i ca n df o r e i g ne a r t h q u a k ed a m a g ea p p r a i s a lm e t h o d s ，t h e t e c h n i c a ld e v e l o p m e n ta n dt h en e w e s tp r o g r e s sh a v eb e e ns u m m a r i z e da sw e l l ( 2 ) 啊1 ee l e c t r i cp o w e rf a c i l i t ye a r t h q u a k ed a m a g em a t e r i a li nt h ep a s t e a r t h q u a k e t h ea m e r i c a nc a l i f o m i a ss t a t i s t i c a ld a t aa n dt h ed o m e s t i ce a r t h q u a k e d a m a g ef o r e c a s ta c h i e v e m e n t sh a v eb e e nc o l l e c t e d , t h e nt h ee l e c t r i cp o w e r f a c i l i t ye a r t h q u a k ev u l n e r a b i l i t ym a j o re f f e c tf a c t o rh a sb e e na n a l y z e d , f o l l o w e d w h i c ht h em a i ne l e c t r i cp o w e rf a c i l i t ye a r t h q u a k ev u l n e r a b i l i t yc u l v eh a sb e e n f u r t h e rs t u d i e d t h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ne a r t h q u a k ed a m a g ea n dt h e m a l f u n c t i o nw e i g h t i n gf a c t o rf a s ta p p r a i s a lm e t h o dh a sb e e ne s t a b l i s h e di nt h e i l i 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 p a p e r ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c a lr e s u l t so f t h ew 髓c h u a ne a r t h q u a k es c i e n t i f i c i n v e s t i g a t i o na n d o u rc u r r e n tc o d ef o rs e i s m i cd e s i g no fp o w e rf a c i l i t i e s ，a c o m p r e h e n s i v er a p i da s s e s s m e n tm e t h o d st oj u d g et h es u b s t a t i o nd a m a g ea n d f u n c t i o n a lf a i l u r eh a sb e e ne s t a b l i s h e d ( 4 ) i nt h i sp a p e r , t h ei m p o r t a n c eo fe l e c t r i cp o w e rf a c i l i t i e sh a sb e e n a n a l y s i s e df r o md i f f e r e n ta n g l e s ，s u c ha sr a t e dv o l t a g el e v e l ，p l a n n i n gc a p a c i t y ， i n s t a l l e dc a p a c i t y ，t h es t a t u so ft h ep o w e rn e t w o r ka n dl o a d 1 e v e l ，e t c ，s oa st o e s t a b l i s har a p i da s s e s s m e n tm o d e lo fh a z a r dt h a tc a u s e db yt h es u b s t a t i o n d a m a g ea n df u n c t i o nl o s s 砸sm o d e lm a k et h ei m p o r t a n c eo fe l e c t r i cp o w e r f a c i l i t i e sa n dt h ee x t e n to ff a c i l i t i e sd a m a g ea st h e t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s ( 5 ) t h ep a p e rr e o r g a n i z e dt h ew e n c h u a ne a r t h q u a k ed a m a g ei n f o r m a t i o n , m a k i n g4 9s t r i k e ns u b s t a t i o n sw h i c hv o l t a g ea r ea b o v e3 5 k va st h em e t h o d sa p p l y t a r g e d ，a n dt h e i re a r t h q u a k ed a m a g e ，f u n c t i o n f a i l u r ea n dh a z a r dh a v eb e e n e v a l u a t e d ac o m p a r a t i v ea n a l y s i sh a sb e e nd o n eb e t w e e nt h er e s u l t so ft h e a s s e s s m e n ta n dt h er e s u l t so ft h es u r v e ya n dr e s e a r c h k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rf a c i l i t y ，v u l n e r a b i l i t y ，f u n c t i o nl o s s ，h a z a r d ，r a p i d e v a l u a t i o n i v 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得生垦地震 屋王猩左堂婴塞压或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示谢 意。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 扬釜叁 签字日期： p 卯1 占沙 学位论文版权使用授权书 本人完全了解生国丝蕉屋王猩左堂婴究压有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权生国丝震屋工程杰堂班塞压可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名：亟叁垒导师签名：坌3 塑 签字日期：签字日期：叫 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 生命线工程系统是维系现代城市功能与区域经济功能的基础性工程设 施系统，包括电力系统、通信系统、交通系统、给排水系统和燃气系统等子 系统。其中，电力系统是重要的能源供应系统，是由不同类型的工程结构、 电力设施相互连接构成的一个在空间上覆盖较大区域范围的工程网络。大量 震害资料表明，电力系统具有较强的地震易损性。其震害具有影响范围广、 修复时间长、连锁危害强和造成的直接和间接经济损失大等特点。同时，电 力系统功能失效状态对震后应急指挥和应急救援行动具有重要影响作用。其 功能发挥越好，震后应急反应越快捷，应急救援措施实施越迅速、有效，带 来的直接和间接损失越小，震后恢复重建周期越短。电力设施的地震破坏是 造成电力功能失效的主要原因。因此，快速评估灾区电力设施震害及其危害 性等灾情信息，不但可为电力系统的抗灾设计与灾害防御提供基础理论和技 术支持，而且对于政府制定地震应急救援指挥决策、及时迅速地采取相应的 救灾措施、部署救灾行动、避免重大次生灾害发生具有重大意义。 中国地震局“十一五 事业发展规划纲要中明确提出了完善地震应急救 援技术平台建设，实现灾情监控和信息的快速获取，建设强震灾情速报与监 控系统、地震快速协同评估与指挥技术系统和应急联动接入与支撑系统的要 求；在国家自然科学基金“十一五 重大研究计划指南中也将生命线网络系 统地震破坏与功能失效成灾机理研究列为应尽早解决的关键科学问题之一； 在地震行业科学技术专项项目实施计划目标中也提出了开展包括电力系统 在内的生命线工程抗灾技术研究的要求，目的是为地震紧急处置系统建设等 工作提供科技支撑；“十一五国家科技支撑计划中设立了地震防御与应急 救援技术研究”重点项目下的“应急灾情识别与评估决策技术研究 课题。 本研究内容属于该课题中专题三“震时重点目标灾情快速评估技术研究 中 的子专题0 3 0 2 ：电力、通信等重要目标快速评估技术与方法研究的分支内 容。 综上所述，开展电力设施震害及其危害性的快速评估方法研究完全符合 国家科技发展和行业发展的总体需求，是城市重要设施防震减灾技术研究的 基础性工作的一部分，该研究将有助于推动我国生命线工程抗震防灾技术和 应急救援技术的发展和实际应用。 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 1 2 电力设施震害案例 电力设施受地震影响发生破坏和功能失效，引发灾区不同程度的电力供 应中断，不但会引起灾区社会混乱，还会造成巨大的间接经济损失。有关电 力设施地震灾害的记录几乎贯穿于每一次大地震。很多文献对此作了详细的 描述【3 3 】【5 5 】 7 5 】。这里只列举部分典型震害案例。 1 2 11 9 7 6 年中国唐山地震 1 9 7 6 年7 月2 8 日发生的唐山地震( m l = 7 8 ) ，造成电力供应系统严重破 坏。震前，唐山供电系统与北京、天津、张家口、保定、承德和秦皇岛供电 系统联网供电，形成京津唐电力系统；震后，由于电厂房屋严重破坏、倒塌， 电气设备、仪表破坏等原因造成唐山地区的唐山发电厂和陡河发电厂两厂全 部停止发电。震前，唐山地区有变电站3 7 座，其中2 2 0k v l 座、11 0k v 9 座、 3 5k v 2 7 座，地震造成停电的变电站共计3 3 座，其中2 2 0k v l 座、11 0k v 8 座、3 5k v 2 4 座。 由于通往唐山的输电线路全部跳闸，唐山地区全域停电，以电为动力的 各种设施尽数功能失效：给排水系统全部停运；交通信号失灵无法指挥交通； 唐山煤矿地下通道排水设旌停止工作，地下通道全部被淹，造成煤矿停产数 月。地震发生后，由于通信和电力中断，灾情无法向外传递，使得政府不能 及时获得灾情信息，不但延误了救人的黄金时间，而且给应急管理造成了极 大的困难。 1 2 21 9 9 5 年日本阪神地震 1 9 9 5 年1 月1 7 日发生的日本阪神地震( m e = 7 2 ) ，造成电力系统有1 0 座火力发电站受到破坏，4 7 座变电站受灾，包括：9 座2 7 5 k v 变电站，7 座 1 8 7 k v 和1 5 4 k v 变电站，以及7 7 k v 变电站3 1 座。灾区有5 0 地下电缆受损 或出现故障。 地震造成大约2 6 0 万户用户停电。造成关西电力公司经济损失达2 ，3 0 0 亿日元。供电系统中断造成约3 0 万用户电话不通。停电还造成交通信号失 灵，引发交通堵塞。停电严重影响了火灾扑救。地震发生以后，神户市发生 了1 7 5 起以上的火灾，其中5 4 起在地震后立即发生。究其原因不乏地震造 成电线断裂或房屋倒塌拉断电线引发的弧光，以及电力恢复后，因通电时损 坏的电器用具、电线等点燃周围易燃物体引发火灾。 1 2 31 9 9 9 年中国台湾集集地震 1 9 9 9 年9 月2 1 日发生的台湾集集地震( m l = 7 3 ) 中，电力系统所受震 2 - 第一章绪论 i i i l lii i i iti_ii i i i i i i i i i i i i i i i 宣暑宣宣i i i i i i 害为历史之最。震灾发生后，由中部山区震中为主向外辐射的各电厂、开关 站、变电站、输电塔线、配电线路及电线杆多处严重毁损、倒塌或倾斜。受 损的火力发电厂2 座，水力发电厂7 座，3 4 5 k v 变电站5 座，1 6 1 k v 变电站8 座，6 9 k v 变电站1 3 座。 此次震灾造成6 8 0 万用户断电。电力设施损失金额达9 1 1 0 亿元新台币。 著名的台湾新竹科学园区在地震后全面停电，除造成生产线半成品报废外， 高科技精密仪器也受到不同程度的损坏。因电力供应中断导致i t 芯片停产， 不仅使台湾经济损失惨重，还对全球经济产生了冲击。 1 2 42 0 0 8 年中国汶川地震 2 0 0 8 年5 月1 2 日发生的四川汶川地震( m 。= 8 o ) 中，距离震中较近的 省份，例如四川、甘肃、陕西，这些地区的电力系统受灾害影响严重。其中， 四川省电力设施破坏尤为严重。根据四川电力试验研究院( 2 0 0 8 ) 统计，四 川国家电网累计受损停运火电厂1 座、水电厂1 8 座；累计因灾停运3 s k y 以 上座变电站1 7 1 座，其中，完全损毁变电站1 7 座，需原地恢复重建变电站5 座，异地规划重建变电站1 2 座；累计停运的线路中5 0 0 k v 4 条、2 2 0 k v 4 6 条、 ll o k v l1 8 条、3 5 k v l 0 6 条。 受地震影响，瞬间地震灾区全部丧失供电能力，部分地区地震后几天电 力无法恢复，救援人员在黑漆漆的夜晚抢救伤员，给灾民生活和救援行动造 成了极大困难。地震造成四川国家电网直接经济损失约1 0 6 5 亿元。由于电 力、通信和交通系统中断，致使汶川、映秀等重灾区相当长一段时间成为“信 息孤岛，救援行动无法有效展开，延误了救援，无疑造成了灾害的进一步 扩大。 1 3 电力系统抗震性能研究概述 国内外关于电力系统抗震性能研究主要包括三个层次：高压电气设备的 抗震性能研究、变电站系统的抗震性能研究和电力网络的抗震性能研究。 2 0 世纪8 0 年代以前，电力系统抗震研究主要集中在高压电气设备单体构 件的抗震性能方面。2 0 世纪9 0 年代，开始出现由电气设备抗震研究发展到电 力系统方面的研究。近些年发展趋势是将各个电厂、变电站按其网络拓扑关 系，从系统角度研究电力系统抗震性能，研究方法有故障树分析法、等效网 络法、m o n t ec a r l o 法等网络分析方法，目前广泛使用的是m o n t ec a r l o 模拟方 法【7 5 】。 已有的供电系统抗震研究方法可概括为三类：一是认为供电系统是由各 个元件组成的，首先分别研究各元件的抗震性能，然后再组合成系统 ( h w a t a n a b e ，1 9 8 5 ；m h a m a d a , 1 9 9 1 ) ；二是直接从系统观点出发，把供电系 - 3 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 统抽象为由节点和链路组成的网络，研究整个系统的抗震能力( o r 春光等， 2 0 0 0 ，2 0 0 2 ；杨亚弟等，2 0 0 0 ) ；三是直接从系统观点出发出发，基于g i s 技术，利用现代数字仿真技术在计算机上对电力系统进行模拟分析，研究整 个系统的地震功能失效状况( 冯启民等，2 0 0 2 ) 。 第一类方法的优点是对元件的抗震性能分析的比较细致，缺点是把元件 组合成系统时，即使知道每个元件的性质也很难找到一个合理的方法确定系 统的功能。第二类方法的优点是牢牢把握了系统的功能状态这一核心问题， 有利于掌握系统的功能状况，缺点是忽略了一些次要因素，对系统带来的影 响考虑不够全面 7 1 。第三类方法的优点是研究基于g i s 平台之上，把分析模型、 方法和图形数据、属性数据都融合在一个计算程序之中，可实时分析并输出 结果，智能预测功能失效程度和范围，程序能跟踪电力系统的变化，动态更 新数据，实现动态仿真模拟。 冯启民等( 2 0 0 2 ) 曾提出供电系统受震后功能安全分析方法：按照从元 件设备到系统网络，对每一个建筑物，每一个高压电气设备都给出其地震加 速度a 作用下的破坏概率( 或可靠度) ，然后用子系统可靠度分析方法给出 变电站子系统的破坏概率，判别其供电功能安全程度和修复所需时间。杨亚 弟等( 2 0 0 0 ) 取具有柔性节点的多自由度体系作为简化计算模型，根据具有 柔性节点的有限单元法对各类高压电气设备进行可靠性分析，得到元件的地 震破坏概率p v ，各元件的破坏概率与与元件的重要性系数之积称为该元件的 功能失效系数，记为r v 。在网络功能失效分析中，用粕代替p v 进行各链路连 通性的计算，得到各链路功能失效系数，记为r i ，用权系数yi 表示各链路权 重的差别，则供电网络的功能失效系数凤为： 丫iw iri r k = j 二。l _ 一 丫iw 。 i l 式中，n 为网络系统链路总数；w i 为第i 个链路的输变电额定功率。 目前已有的变电站系统抗震研究方法可概括为二种：一是假设变电站的 抗震性能取决于变电站中的某一类或某几类关键设备；二是用网络分析方法 研究变电站系统的抗震性能。 第一种方法的优点是简单，注意到了变电站内关键设备破坏对整体易损 性的影响，但没有考虑随着时代的发展，变电站内系统主接线冗余度的增加， 也没有考虑电力土建设施破坏对变电站抗震性能的影响。第二种方法考虑到 了变电站内部的网络性，体现了对电力系统研究和认识的深入，但该方法评 估变电站抗震性能时需要了解系统详细的接线方式，评估精度虽高确不易实 施。 国外学者对此曾做过研究，如1 9 9 7 年，f e m a 评估变电站抗震性能采用的 4 第章绪论 是第一种方法，将变电站的破坏分为五级：完好、轻微破坏、中等破坏、严 重破坏和完全破坏，并假设变电站的破坏仅与变压器、隔离开关、断路器和 电流互感器的破坏状态有关，五级破坏状态分别对应一定的四类设备的损坏 比率【6 6 1 。 台湾学者黄宏某( 1 9 9 8 ) 提出利用“故障树事件树 的网络分析方法评 估变电站的抗震性能。该方法在“故障树事件树”及其“子树的生成过 程中，考虑了变电站内部各个部件之间的连接关系，并考虑了线路的冗余度 p o j 。李天等人( 2 0 0 0 ) 利用类似的网络分析方法，对高压变电站内的双母线 接线系统、双母线带旁路母线接线系统进行了抗震可靠性分析【2 l 】田l 。 在我国九五计划期间，孙柏涛等( 2 0 0 0 ) 将元件的抗震可靠性分析与考 虑失效相关的电力系统抗震可靠性分析结合起来，对电力系统的震害预测方 法进行了研究f 1 8 】。 总之，随着电力系统在现代生活中重要性的不断增加，人们对电力系统 抗震性能的研究越来越广泛和深入。 1 4 震害评估分类及方法 1 4 1 震害评估分类 震害评估也称为地震损失估计或地震损失分析，是指在地震危险性分析 和结构易损性分析基础上，以人员伤亡和经济损失作为指标，对地震造成的 震害程度和规模进行评定与估计p 引。 震害评估按时间先后分三类瞄6 j 瞰j ：( 1 ) 震前评估，又称为震害预测，是 在地震发生之前，根据一定的抗震分析方法，根据城市的地质构造条件、结构 抗震性能分析及历史地震等因素，对可能出现的震害进行评估。目的是为制定 应急预案、采取抗震措施进行震灾防御提供依据；( 2 ) 实时评估，又称为快 速评估、震后早期评估、震后粗评估，是在主震刚刚发生后，根据有限的实 际地震信息( 如震级、震中位置) 对已经或可能发生但还不确定的灾情和可 能发展趋向做出评估。目的是为震时布置应急救灾工作提供依据；( 3 ) 震后 评估，是在地震结束后，通过专业技术人员全面细致地现场调查、统计和计 算，对震害做出全面评估。主要目的是评定损失情况，为恢复重建提供依据。 图1 4 1 概括了震害评估分类和意义。 5 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 震害评估 震害预测ii 震时快速评估il 震后损失评估 找出抗震薄弱环 节、制定抗震对策 和防震减灾规范 1 4 2 震害预测方法 指导灾后重建规 划、总结抗震经验 图1 4 - 1 震害评估分类和意义 在2 0 世纪3 0 年代，美国为建立地震保险业开展了震害预测研究。2 0 世 纪7 0 年代，美国国家海洋大气管理局( n o a a ) 和美国地质调查局( u s g s ) 组织开展了大尺度的震害损失研究工作，并形成了n o a a u s g s 方法，该方 法是对有丰富震害资料的结构，经统计分析建立结构破坏率和烈度的关系曲 线p 副( 平均破坏率曲线) 。2 0 世纪8 0 年代，为了提高震害预测在工程和城 市规划中的实用性，美国联邦紧急事务管理局( f e m a ) 委托应用技术委员 会( a t c ) 审查并推广一套可操作性强、适于技术人员应用的方法。a t c 组 织各方面专家对加利福尼亚未来可能发生的地震损失进行了认真、系统的研 究，并发表了a t c 1 31 6 4 】报告，由此形成了a t c 方法。该方法建立了两种 类型的设施分类，即地震工程分类和社会功能分类，再根据选定的地震动特 征和设施分类，预测结构在地震作用下的破坏和损失。由于当时的地震破坏 和损失资料有限，该方法采取对专家进行三轮问卷调查的方式，再对调查结 果进行分析整理，确定加利福尼亚地区现存的包括工业、商业、民用、基础 设施和交通设施等各类工程设施在不同烈度水平下的易损性矩阵和评估设 施破坏恢复到震前性能所需时间。因此，a t c 方法是一种基于地震烈度的经 验性方法。2 0 世纪9 0 年代美国联邦紧急事务管理局( f e m a ) 资助，a t c 提出了著名的a t c 2 5 报告，该报告主要是评估美国生命线系统( 包括交通、 电力、给排水、天然气等系统) 的地震易损性和生命线系统受地震影响中断 所产生的直接和间接经济影响的研究报告。评估方法主要有四步【6 5 j ：第一步， 建立全国生命线系统数据库清单；第二步，在a t c 1 3 专家经验方法的基础 上，对每种生命线系统建立各自的易损性函数；第三步，进行全国范围地震 危险性分析；第四步，对任何可能的地震建立评估直接和间接经济损失模型。 该报告给出了评估生命线系统震害的回归公式： d m g ：e x p ( a ) x m m i b 6 第一章绪论 式中，d m g 表示震害d a m a g e , m m i 表示地震烈度i n t e n s i t y ，a , b 表示回 归系数。该报告还给出了评估恢复时间与震害的回归公式： t r = e x p ( c ) x d m g d 。 式中，t r 表示恢复时间，c , d 表示回归系数。2 0 世纪8 0 年代末，o n d e sk u s t u 等提出一个预测震害的m o n t ec a r l o 法。m o n t ec a r l o 法【5 2 j 是基于图论的近似计 算方法，其基本原理是将网络系统看做各个元件的连通图，根据元件的破坏 概率产生随机数，模拟各边的破坏状态，并对每次模拟进行图的连通性检验 ，经过足够多次模拟后，就可将模拟过程中网络破坏的发生概率作为网络的 破坏概率。1 9 9 7 年，为了定量地进行建( 构) 筑物的震害预测，f e m a 和美 国国家建筑标准研究所( n i b s )联合开发出以地震动参数作为输入的 h a z u s 9 7 地震风险评估软件。19 9 9 年，f e m a 和n m s 进一步提出了地坦u s 9 9 评估方法脚l 。该方法的评估原理是以非弹性等效静力分析代替线弹性动力 分析，采用菲弹性位移反应估计结构物震害的方法。该方法的突出优点是 不仅考虑了地震动的作用，还考虑地表破坏对震害的影响。 我国震害预测研究开始于2 0 世纪8 0 年代，多以震害经验为基础。1 9 8 5 年 城乡建设环境保护部颁布了城市抗震防灾规划编制工作暂行规定，从此， 建筑物震害预测工作成为城市抗震防灾一项基础工作。2 0 世纪9 0 年代，震 害预测工作大纲( 试行稿) 的颁布，预示了我国震害预测工作进入了全新 阶段【l5 l 。2 0 0 3 年，为了适应地震灾害预测技术信息化、规范化建设的需要， 根据我国若干城市在实施地震灾害预测及其信息管理系统建设所积累的经 验，参考我国地震灾害预测方法和地理信息系统( g i s ) 应用技术，以中国地震 局工程力学研究所为主要起草单位，颁布了 地震灾害预测及其信息管理系 统技术规范( ( 迅厂r1 9 4 2 8 2 0 0 3 ) ，该规范对建筑物和生命线工程的震害 预测方法作了详细规定，使得国内震害预测工作更加规范化。 许多国内学者对震害预测方法进行了有益的探索。例如，杨玉成( 1 9 8 5 ， 1 9 9 2 ，1 9 9 5 ) 采用墙体抗震系数与二次判别的综合修正系数比较的结果来评 估多层砖房的震害，他还建议采用不同烈度震害指数的平均值作为易损性指 数，用以评定建筑( 单体、群体) 的易损性。尹之潜( 1 9 8 5 ，1 9 8 7 ，1 9 9 5 ， 2 0 0 4 ) 分别计算了多层砖结构、单层厂房和多层钢筋混凝土结构的震害指数， 并以此判断结构的震害等级；尹之潜还提出了预测地震灾害和经济损失的概 率方法，考虑到城市建筑数量、质量随年代的变化，提出建立典型结构的动 态震害矩阵。李树桢( 1 9 9 5 ) 等针对快速发展的高层建筑，通过结构的弹塑 性分析得到了延伸率，并以此作为结构破坏程度的判定指标。目前，国内许 多城区根据震害经验建立了各自典型结构的震害矩阵，成为我国震害预测工 作的基础。 1 4 3 震害快速评估方法 7 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 地震灾害快速评估是指在地震发生后接到地震速报参数3 0 分钟内，依据 烈度衰减模型估计出灾区的范围，再根据所掌握的灾区建筑物、重要基础设 施及人口分布等统计资料，估计灾区灾情、经济损失和人员伤亡等情况，又 称为盲估。由于地震灾害快速评估是要在很短的时间内做出，这往往意味着 必须在灾区实际灾情和灾区基础数据都不完整的情况下，做出带有一定经验 性的宏观评斜例。目前，地震灾害快速评估主要有如下三种方法： 其一，基于历史震害资料的震害矩阵快速评估方法【4 8 】f 李树桢，1 9 9 3 ； 尹之潜，2 0 0 4 ) 。震害矩阵表示在确定地震作用下，某类建筑发生各级破坏状 态的概率，是衡量某地某类建筑抗震能力的综合尺度。震害矩阵可以通过两 种途径获得1 5 列：一是为某地区作震害预测时，计算某一时期现存建筑的震窖 矩阵；二是对已发生地震地区，通过宏观调查结果统计震害矩阵。基于震害 矩阵评估方法简便快捷，但其缺点是建筑类别划分较粗略，评估结果受到震 害统计数据完备程度、统计时间等因素的影响，较难考虑不同地区的社会经 济差异性对震害矩阵的影响等。 其二，基于易损性的快速评估方法( a t c 2 5 ，1 9 9 1 ) 。这是一种在地震危 险性和易损性分析基础上，计算地震直接震害、经济损失和人员伤亡等的评 估方法。地震危险性是指某地区在今后一定时期内发生某一强度地震的可能 性或概率，在震后快速评估中就是实际发生地震的烈度衰减。工程结构的易 损性是指在确定强度的地震作用下，结构发生某一种破坏状态的概率，它与 结构的抗震能力和设防标准有关。电气设备的地震易损性，即在某一地震作 用下，设备的失效概率。该方法首先要在震前建立将要评估地区的基础资料 数据库，及欲评估方面的易损性模型，当破坏性地震发生以后，输入地震三 要素，即时间、地点和震级，以及初步判定的破裂方向，在不到地震现场的 情况下，根据已有的资料即可进行地震灾害的快速评估。其评估途径如图所 示【1 4 1 。 图1 4 2 基于易损性的震害快速评估 其三，基于空间信息技术的震害快速评估方法( 陈鑫连等，1 9 9 6 ；王景 来，2 0 0 0 ；王晓青等，2 0 0 2 ：宁宝坤等，2 0 0 4 ；何宏林等，2 0 0 5 ：蔡宗文等， 2 0 0 6 ：李萍，陶夏新等，2 0 0 7 ) 。主要指基于g i s 技术、r s 技术、g p s 技术、 计算机网络技术、数据库技术等空间信息技术的评估方法，此种方法起步较 晚但发展迅猛。地理信息系统( g i s ) 是2 0 世纪后期迅速发展起来一种管理、处 理、分析空间数据的计算机支持系统。遥感限s ) ，是通过卫星或飞机等负载 工具携带探测器，在高空探测地球表面的技术。全球定位系( g p s ) ，可以在 8 第一章绪论 海、陆、空进行全方位实时三维定位与导航。随着遥感影像及g p s 接收机成 本逐渐降低，理想的3 s 一体化系统将在防震减灾领域发挥重要作用。r s 可以 负责实时获取、存储、分析目标区域的遥感数据；g p s 可以负责对目标区域 建筑物、地面控制点等作几何参数定位；g i s 负责目标区域基础信息的存储、 管理、处理、空间操作和实时生成应急辅助决策报告等1 2 5 。除t 3 s 技术外， 近年来，利用高分辨率遥感影像进行城市灾害评估成为一个研究热点。利用 遥感图像处理软件可以从这些影像中提取地物的形状、位置和属性等信息， 轻易分辨出防震减灾工作中需要的基本要素( 如建构筑物、道桥等生命线工 程) ，可节省大量人力、物力。因此在城市基础数据获取与更新、震灾快速评 估和地震应急决策中有广阔的应用前剥2 4 j 。但是，由于该技术需要进行大量 的图像识别工作，即使有较高的图像分辨率，多数情况下也只能判别建筑物是 否严重破坏和倒塌，难以确切地识别建筑物完好、轻微破坏、中等破坏等破坏 程度，且比较容易受到天气条件的影响，而且此项技术对于生命线系统中的电 力系统、通信系统等的震害评估目前还无法实现，这些都是该技术发展的瓶 颈【凋【3 2 1 。 1 5 震害评估技术发展概述 美国政府应急管理机构高度重视地震突发事件处理机制和相关技术的 研发，从2 0 世纪9 0 年代以来，美国联邦应急管理署( f e m a ) 先后研发了 h a z u s 9 7 、h a z u s 9 9 等基于g i s 技术的软件程序，它可以根据地震区的位 置和强度对地区的破坏和损失进行估算并且生成地图。这些结果可为各级政 府应对灾情提供依据。2 0 0 3 年2 月发布的灾害评估和损失预测软件包 h a z u s m h 能够整合和分析地震、飓风和洪水相关的信息，该软件利用 a r c g i s 平台的优势，实时支持灾害响应和灾后恢复工作，h a z u s m h 运用 a r c g i s 技术，将国家数据库与灾害图层相结合，然后再执行标准的损失评 估和灾害评估【舳】。 日本于1 9 9 6 年研开发了早期破坏估计系统( e a r l ye s t i m m i o ns y s t e r m ， e e s ) ，该系统在后来几次地震中，其应急反应能力和成效得到了国内外广 泛承认，它可在短时间和数据有限情况下，估计出一次地震造成的破坏范围 和数量，包括可以根据气象厅提供的地震信息，估计地震烈度网格分布、建 筑物的破坏和人员伤亡。当地震烈度等于或大于日本地震烈度表的度时， 早期破坏估计系统自动启动，并能在地震发生后3 0 分钟内提供破坏报告。 此外，日本内阁府防灾局正在开发灾害信息系统( d i s a s t e ri n f o r m a t i o n s y s t c r r n ，d i s ) ，这个系统将可以快速评估破坏范围、破坏程度，使相关机构 和政府当局能够共享信息，并为快速、准确实施应急对策、决策提供支持【5 5 1 。 我国台湾的国家地震工程研究中心目前正在研发一套震灾境况仿