遼寧地區長周期地震動災害預測及防災對策

董曉燕，范曉軍，索 銳

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧省地質勘查院，遼寧 金州 116100）

1 減輕長周期地震動災害是城市防震減災面臨的新課題

強烈地震動引起的結構破壞和倒塌是造成大量生命財產損失最主要的原因，根據對大量國內外破壞性地震調查資料的統計，至少有90%以上的人員傷亡和建（構）筑物破壞是直接由強烈地震動造成的。此外，強烈地震動也是其它地震破壞作用（如地基失效、邊坡滑移等）的外部條件。一般說來，地震發生以后，地震波向四周傳播，隨著震中距的增加，地震波能量逐漸向外衰減，地震破壞隨震中距的增加而減輕。例如1975年地震時，Ⅷ度等震線距震中約30km，Ⅶ度等震線距震中最大的距離約120km。1976年唐山7.8級地震Ⅷ度等震線距震中約60km。Ⅶ度等震線距震中約130km。值得指出的是，一些大地震發生后，震害并不隨震中距的加大而減輕，反而加重，這種情況一般稱為烈度異常。近代一些大地震的震害資料證明，在城市這種奇異的震害現象并不少見，下面舉幾個實例加以說明。

1978年11月29日在墨西哥瓦哈卡南部附近太平洋海岸發生7.9級地震，瓦哈卡州受災極為嚴重，許多城鎮幾乎被夷為平地，附近幾個州的損失也相當嚴重。然而不可思議的是，與震中相距400多公里的墨西哥城嚴重受損，全市有750棟建筑物被破壞，市內一些大樓被震裂甚至倒塌，墨西哥城附近特奧蒂瓦的一座橋梁被震塌。

1985年9月19日墨西哥巴爾薩斯河口附近的太平洋近海發生8.1級地震，接著于9月20日發生7.5級余震，這兩次地震使墨西哥格雷羅州等10個州遭受嚴重損失，但破壞最為嚴重的卻是遠離震源400多公里的墨西哥城，該市的老城區和商業區損失十分嚴重，市中心約35%的建筑物遭到破壞，全部倒塌的建筑有300多棟，部分破壞的建筑上千幢，其中多數是高層建筑，四層以上的樓體幾乎完全倒塌或者攔腰截斷，上半截被拋落在地上。由于市內各種設施遭受破壞，使整個墨西哥城的城市功能受到重創。2003年日本十勝近海8級地震時，在距離震中250km處的苫小牧石油罐，由于罐內的液體晃動外溢，釀成火災。另一個值得注意的現象是，新加坡是一個幾乎不發生地震的城市國家，75%的國民生活在高樓內。與其相鄰的印度尼西亞多次發生強烈地震，使高樓林立的新加坡屢次遭受損失，從20世紀80年代開始，無震的新加坡成了地震的受害國。

長周期地震動的危害性在國內一些大地震中也有所體現。例如，1976年唐山7.8級地震時，天津市位于Ⅶ度區，卻遭到Ⅷ度破壞。1975年海城7.3級地震時，營口地區軟而厚的地基上高大磚煙囪的震害在震中距為20～80km的范圍內幾乎沒有減輕，震害指數均在0.60以上，而剛度大的磚平房隨著震中距的加大，震害明顯減輕（圖1），距震中100多公里的沈陽紅陽煤礦高度40～55m的井塔設備均遭受不同程度的損壞，沈陽市小南街天主教堂的塔尖，高幾十米，地震時被水平錯斷。

圖1 不同類別地基土上各類結構震害指數衰減曲線Fig.1 Earthquake damage index decay curves of all kinds of structures on different subsoils

從以上實例可以看出，這些奇異的震害現象具有距震中遠、破壞性大并具有重復性的特點。產生這種現象的原因主要是長周期地震動的作用。這種破壞作用對建筑物有明顯的選擇性，主要是使固有周期長的建（構）筑物產生破壞。在經濟不發達的年代，這類災害的危害性并不明顯。例如，1974年渤海7.4級地震和1975年海城7.3級地震對遠處城市建筑的破壞并不嚴重，主要原因是這個時期城市的高層和超高層建筑很少甚至沒有，或者是已有較高的建筑物或構筑物不在松而厚的地基上。遼寧是全國的重工業基地，隨著城市化進程的加快，高層、超高層建筑也會愈來愈多。如何減輕城市長周期地震動災害，是今后城市規劃、建設和防震減災所面臨的新課題。

2 長周期地震動災害的產生條件

地震波是一種混頻波，包括高頻，中頻和低頻成份。長周期地震動只在地震波傳播了一定距離后才能出現。所以，能產生長周期地震動的地震至少是7級以上的強震，中等地震波及的范圍有限，長周期地震波的作用不明顯。因此，強震是產生長周期地震動的首要條件。

地震波在傳播過程中，會穿過不同性質的介質而衰減，長周期地震動之所以能造成災害，必須要有能夠保持長周期能量傳播地震波的路徑，日本學者稱之為附加體。大量震害調查資料證明，軟而厚的土層可以使地震動頻譜特性發生改變，主要是長周期成份相對突出，而具備松軟和厚沉積層的地方多是平原區或者一些沉積盆地，所以，合適的地震波傳播途徑也是產生長周期地震動災害的必要條件。當建（構）筑物處在堅硬地基上時，長周期地震波對建筑物的影響不明顯，但是松而厚的地基土對地震動有明顯的放大作用，這種作用主要表現為晃動幅值加大和地震動的持續時間加長（圖2）。

圖2 厚而松軟地基上不同結構物對長周期地震動反應示意圖Fig.2 Long-period ground motion response by different structures on thick and soft subsoil

如果只是具備了以上條件，沒有相應固有周期的結構物和構筑物，長周期地震動災害也不會發生。建（構）筑物本身有一個容易晃動的周期叫作“固有周期”或稱自振周期，一般建筑物的固有周期比較短，多為0.1～0.5秒，而高層、超高層建筑物和一些儲罐的固有周期較長，可以長達數秒，只有當長周期地震動與固有周期長的建（構）筑物發生共振時，才能發生破壞，這種共振作用也稱為頻譜效應，所以，地震波周期與建（構）筑物固有周期相近而產生共振，也是產生長周期地震動災害的重要條件。

歸納起來，產生長周期災害的基本條件是，有高震級的地震，合適的地震波傳播途徑、有松軟而厚的地基以及固有周期長的建（構）筑物。

3 遼寧地區長周期地震動災害預測及防災對策

從遼寧省的地震構造條件環境、場地條件和城市發展現狀等方面來看，今后發生長周期地震動災害的條件是具備的。

首先從地震構造環境看，遼寧毗鄰渤海強震區，歷史上在渤海多次發生過7級以上地震，即1548年7級地震、1597年7級地震，1888年72?級地震和1969年7.4級地震（圖3）。這些地震已不同程度波及到遼寧地區，另外，在遼寧省的陸地上發生過1975年海城7.3級地震，直接造成了巨大的損失，盡管7級以上地震重復周期較長，但是，由于上述地區具備發生強震的地質構造條件，今后再次發生7級以上強震的可能性是很大的，這些強震所產生的長周期地震動必然會在遼寧地區產生影響。

圖3 遼寧及周圍地區強震分布圖Fig.3 Strong earthquakes distribution in Liaoning and its surrounding area

遼寧地區的地貌基本上由三部分組成，即東部遼東低山、丘陵，中部下遼河平原和遼東灣海城，西部為遼西低山、丘陵。遼東灣和下遼河平原在地質構造上是中、新生代斷陷盆地，在新生代早期以斷陷作用為主，新第三紀晚期轉變為大范圍的坳陷，有巨厚的新生界沉積，其中在下遼河地區第四系沉積層序齊全，成因復雜，分布廣泛，最大厚度可達420m（圖4）。

圖4 下遼河地區第四系等厚線圖及可能產生災害地區Fig.4 The quaternary isopach map of Xialiaohe Basin and easily triggering disaster area

綜觀下遼河平原的第四系，從東西兩側山地、丘陵到中部平原的橫向變化規律是，厚度由薄到厚，從幾十米到400多米。地層結構由單一到復雜，巖相在水平方向上由礫卵石、礫石粗粒相變為含礫粗砂，最后變為中粗砂、細砂、粉細砂夾粘性土的細顆粒相。從縱向上看，沉積相由冰水沖積相、沖洪積相、沖海積相變為海陸交互相。從巖性變化看，下部以粉質粘土與粉細砂互層為主，中部為粉細砂、上部為粉細砂為主夾粉質粘土薄層，這樣軟而厚的土層可以使地震波的頻譜成份改變，使長周期部分顯得更為突出，有利于長周期地震波的傳播。

自改革開放以來，遼寧經濟快速發展，橋梁、油汽儲罐等構筑物和城市高層、超高層建筑不斷增加，目前在城市高度百米以上的樓房已不鮮見，而且還出現了許多高度在200m以上的建筑，有些高層建筑還處在松軟而厚的地基上，這類構筑物和建筑物的大量涌現無疑增加了遭受長周期地震災害的風險，遼寧地區存在產生長周期地震動災害的隱患。這種新的潛在的地震災害在高樓林立的城市中也許不可避免，為了有效地減輕災害所造成的損失，下面提出幾項防災對策。

（1）今后在開展城市建設規劃和土地利用規劃時，應注意避免長周期地震動災害，在容易產生長周期地震災害的地區不建或少建高層、超高層建筑。

（2）目前對城市建筑物的震害預測多集中在單層平房和多層樓房，對高層、超高層建筑的震害預測方法還不夠完善，今后需加強這方面的研究。

（3）在工程場地地震安全性評價中，為了確保高層、超高層建筑的安全，設計反應譜的長周期部分應作專門研究，原則上設計譜長周期部分的譜值不能低于規范譜。

（4）在城市工程建筑中加強隔震，減震技術的應用和研究，尤其對高層、超高層建筑應多采用隔震裝置和減震的阻尼裝置，自動平衡等技術。

（5）在當前地震預報還不過關的情況下，建立城市地震預警是十分重要的，地震預警主要是利用地震P波和S波的倒時差采用緊急防御措施，例如，關閉電閘，停止電梯運行等。由于長周期地震動災害多發生在遠離震中處，在這里倒時差比較大，采用緊急措施的時間比較充裕，容易取得減災效果。

長周期地震動災害是隨著工業發展和城市建設而出現的一種新災害，盡管它有很大的破壞性，但是，它的產生機理和形成條件還是比較清楚的，只要能針對災害的特點采取有效的措施，減輕或防治這種災害，在當前的技術條件下是可以做到的。

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