[可以批判，但请勿转载] 从计算力学角度建立地震防御机制的探讨
完整的地震防御体系包括地震前预报和震后灾害预警两部分。预报是指地震未发生之前做出的预测和报导，预警是指地震正在发生或者已经发生以后做出的灾害预测和示警。本文以汶川地震为背景，从计算力学角度出发，对采用有限元方法进行地震预报和结构震后灾害预警做出探讨。
关键词：地震预报、地震灾害预警、有限元方法
第一篇：震前预报
引言：
四川5·12 地震发生之后, 人们在震惊、悲伤之余发出了这样的疑问:“为什么地震局没有提前预报?”按照地震局的观点，在现阶段地震是无法预报的。虽然地震局提出此观点有推卸责任的嫌疑，但事实上，准确预报地震确实是至今国际上悬而未决的疑难。
地震是地球内部介质局部发生急剧的破裂，产生的震波，从而在一定范围内引起地面振动的现象。地球内部介质局部发生急剧的破裂主要是指岩层的破裂。实际上，地震发生前，断裂带附近岩层一般会存在很长的活动时间，少则几年，多则数百年。目前，国内多采用GPS监测手段来观测地质变化。那么，既然可以监测到地层的运动变化，是否可以从力学角度预测出地层的断裂呢？ 答案应该是可能的。
汶川地震：
印度板块以约
地震地质构造示意剖面
此次地震是一次兼有右旋走滑运动分量的逆断层型破裂事件,也是一次使近于平行的两条叠瓦状逆断层同时破裂的地震事件。虽然龙门山断裂带的整体滑动速率不大，但从汶川-茂县断裂向西到若尔盖草原及整个青藏高原东部的向东和向北运动速率都很大。应变在龙门山断裂带高度积累，当其超过龙门山断裂带和龙门山地壳物质的强度之后，沿龙门山断裂带的映秀-北川断裂突发破裂，形成巨大的5.12汶川大地震。
龙门山推覆构造带汶川8.0级地震三维发震构造模型
利用局部地区有限元计算结果预测地震：
既然十多年前已经监测出龙门山断裂带的整体滑动现象，那么，从理论上应该可以从计算力学的结果来预测出此次断裂。
地质监测表明，龙门山断裂带的整体滑动速率只有2
青藏高原东缘应变分解模型示意图
从上述示意图分析，龙日坝断裂带的整体滑动，必然导致靠近断层的龙门山带岩层的应变能释放。一般情况下，突然卸荷的岩体存在失稳的可能。而且，是否失稳完全可以通过有限元方法预测。加之地层存在右旋走滑速率，所以卸荷区域很容易存在高度的应变集中现象，应变局部集中区的应力若超过岩层强度，就会发生断裂。
依据上述示意图，采用损伤断裂理论，将龙门山断裂带周围岩层剖分为有限元模型，赋初始构造应力，给定边界条件，以滑动速率作为外载荷输入，通过有限元计算，便有可能预测出映川-北川的断裂。
依据有限元计算结果，可将断裂的程度划分为强、中、弱和不发生断裂四个等级，将不同的颜色表示不同的强度等级，从而可以预报不同程度的地震。
虽然采用有限元计算还不可能精确预测断裂现象，但目前的有限元技术应该可以做到：若预报有强震，即使不发生强震，也会有中、弱程度地震；若预报无地震，即使发生地震，也只是微弱地震。
第二篇：震后灾害预警
引言：
地震发生后，由地震产生的次生灾害造成的损失可能远超过地震直接灾害的损失。地震的特点是突发性和持续时间短, 一次地震往往只有数秒或数十秒。地震过后，容易形成次生灾害源的主要是水工建筑物。地震对水工建筑物震害的影响有轻重之分, 建筑物由严重震害到溃决有个发展过程和滞后时间, 滞后时间长短不一。
汶川地震：
汶川大地震后，紫坪铺大坝出现较大裂缝，一旦因为余震或暴雨来袭出现险情，后果相当严重，可能的震害对下游整个成都平原造成隐患。另外，唐家山堰塞湖是汶川大地震后形成的最大堰塞湖，地震撼山移河，唐家山的半个山头自成悬湖大坝。由于唐家山堰塞坝集雨面积大、水体大、水位上涨快、地质结构差，溃坝的可能性极大。一旦溃坝，后果将不堪设想。其实地震造成的次生灾害早已有报道。如
利用有限元建立震后灾害预警的思路：
根据水库的蓄水情况，采用水力学理论建立水库模型。再根据大坝的几何尺寸, 材料的物理力学参数, 边界条件，采用结构力学理论建立岸坡或大坝模型。（对于现有的水库，可在水库形成后提前建立好，并存入数据库，地震发生时系统根据需要自动调用）
将抗震监测仪器测量的地震波作为输入荷载，采用动力有限元分析法进行计算，即可预测出水库的未来蓄水情况、水工建筑位移、应力应变等参数。依据工程试验建立专家系统，给出安全系数的阈值，从而进一步可判断水库的安全性。
将震害预警划分为强、中、弱、无震害四个等级。分述如下，强震害：水库有可能溃决，此时需启动应急抢险措施，立即疏散下游人群。中震害：岸坡或大坝出现较大程度的裂缝，应立即制定修复方案。弱震害：岸坡或大坝出现较小程度的裂缝，裂缝没有出现扩展趋势，可待震后再制定修复方案。无震害：无危险损害。
通过有限元结果，即可判断地震后水库处于哪个危险等级，将危险程度进行警示便可能避免大量的损失。
（注：文中图片和数据、以及部分的观点引自文后所附参考文献，其中震害预警的思路主要来自文献4、5，未一一标明，请原文作者谅解）
参考文献：
[1] 5_12地震引发对地震预警系统的思考
[2] 2008年汶川8_0级地震发震断裂的滑动速率_复发周期和构造成因
[3] 巴颜喀拉地块东部龙日坝断裂带的发现及其大地构造意义
[4] 大坝强震监测安全预警与决策支持系统研究
[5] 大坝强震监测与震害预警问题的探讨
[6] 汶川M_S8_0地震地表破裂带及其发震构造
[7] 关于地震预警的思考
[8] 唐山地震的破裂过程及其力学分析
[9] 唐山地震破裂过程的三维分析
[10] 唐山地震破裂过程的雁行断裂模式及理论和试验的模拟
[11] 研究地震破裂过程的一种新的方法及其应用
[12] 预警等级预报_一种新的地震预报发布形式和对策的思考
[13] 断裂构造体系的形成和扩展过程的力学分析及应用
[14] 华北大震序列的断裂系模式及破裂过程的联合反演
[15] 山西大同震群序列的震源力学特征和有限元数值模拟
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