青海瑪多MS7.4地震震害特點分析

殷 翔,李 鑫,馬 震,姚生海,蓋海龍,徐瑋陽

(1.青海省地震局,青海 西寧 810001;2.青海格爾木青藏高原內部地球動力學野外科學觀測站,青海 西寧 810001)

0 引言

北京時間2021年5月22日2時4分,在青海省果洛藏族自治州瑪多縣發生MS7.4地震,震源深度約17 km,極震區烈度為Ⅹ度。地震發生后,青海省地震局迅速成立烈度調查組對本次地震的震害進行了調查。調查結果初步顯示,斷層錯動效應和振動破壞是引起此次地震震害的主要因素。

截至2021年5月28日8時0分,共記錄到M3.0以上余震50次,其中5.0～5.9級地震1次,4.0～4.9級地震14次,3.0～3.9級地震35次,最大余震為5月22日10時29分發生的5.1級地震。余震主要呈NWW向分布,震源深度集中在5～17 km。

瑪多縣地處青海省南部、果洛藏族自治州西北部,屬高平原地區,全縣平均海拔4 500 m以上,年均氣溫-4 ℃,全年無四季之分,只有冷暖兩季之別,是人類生存環境較惡劣的地區之一。瑪多縣全縣總面積2.53萬 km2,下轄2鄉2鎮,全縣總人口1.6萬,人口密度為1人/2 km2,是青海省人口最少的縣。

此次地震的發震斷裂為昆侖山口—江錯斷裂,斷層運動方式主要為左旋走滑,兼具正斷分量。該破裂帶總體走向NW230°～270°,連續性好,由2條NWW向的剪切破裂左階羽列組成。破裂帶由一系列的擠壓鼓包和張裂隙相間排列,張裂隙從十幾cm到2～3 m不等,裂縫呈右階雁列狀排列,并顯示明顯的垂直位錯,垂直位錯可達約30 cm,并可看到清晰的水平擦痕。斷層的活動特性導致跨越斷層的建筑物出現了傾斜變形或局部倒塌。

此次地震造成18人受傷,無人員死亡,這主要是由于瑪多縣地廣人稀,村落比較分散。同時地震還造成部分房屋受損毀壞,橋梁倒塌,多條道路被錯斷。

本文主要介紹此次烈度調查中6個調查點房屋的典型震害及其特點,同時對地震次生災害進行劃分,最后對災后重建和抗震設防提出建議,以期為今后該地區建筑抗震性能的提高和改善做出貢獻。

1 調查點地震加速度和烈度分布

青海瑪多7.4級地震發生后,青海省地震局迅速組織人員,在實地調查的基礎上編繪了地震烈度圖(圖1)。此次地震造成地表破裂(已探查)約100 km,最高烈度為Ⅹ度,宏觀震中位于瑪多縣瑪查里鎮,微觀震中位于瑪多縣黃河鄉。Ⅵ度區及以上面積約53 704 km2,烈度圈長軸呈NWW向走向,長軸約381 km,短軸約165 km,共涉及青海省3個市州,7個縣,32個鄉鎮;四川省1個市州,1個縣,4個鄉。

圖1 瑪多MS7.4地震烈度分布圖Fig.1 Intensity distribution of Maduo MS7.4 earthquake

由圖1可見,本文擬重點考察的扎陵湖鄉處于Ⅷ度區,黃河鄉唐格瑪村處于Ⅶ度區,花石峽鎮、下大武鄉、雪山鄉及麻多鄉均處于Ⅵ度區。表1列出了這6個考察點在第五代區劃圖中的烈度值與此次地震中實際烈度的對比。

表1 6個考察點地震烈度對比Table 1 Comparison of seismic intensity at six observation points

通過調查可知,本次地震的一個突出特點就是震級高、傷亡輕,原因是該地區在實施脫貧攻堅、農牧區定居點建設后房屋抗震能力顯著提高。由表1可以看出,除扎陵湖鄉外,此次地震的實際烈度均未突破第五代區劃圖的烈度范圍。

2 地震斷層災害

2.1 斷層錯動效應[1]

此次地震中斷層錯動引發了較大規模的地表破裂和變形,主要表現為拉張裂縫和擠壓鼓包;同時對道路、橋梁等公共交通設施產生了巨大影響,特別是野馬灘一號、二號橋在此次地震中遭到破壞,造成交通中斷,影響了當地后續的抗震救災任務。圖2為此次地震中主斷裂錯動造成的破壞,主要包括:

圖2 主斷裂錯動造成的破壞Fig.2 Damage caused by main fault dislocation

(1)斷裂通過黃河鄉境內的道路時,斷層錯動導致水泥路面發生連續左旋位移,位移量約80 cm[圖2(a)];

(2)斷層在瑪多縣內的鄉道上形成地震鼓包,高約40 cm[圖2(b)];

(3)斷裂錯動形成拉張裂縫,裂縫寬度約為5 cm[圖2(c)];

(4)在黃河鄉以西,斷裂左旋走滑形成擠壓鼓包,鼓包高度約60 cm[圖2(d)]。

2.2 斷層振動效應[2]

此次地震震中區平均海拔為4 200 m,人口稀少,建筑結構的震害并不突出。相反,由于斷層距離幾座橋梁橋址特別近,斷層振動效應引發的橋梁結構震害非常突出,包括位于G0613西麗高速共玉路段的野馬灘大橋上行線落梁17孔,下行線落梁18孔,上下行完全中斷;野馬灘2號橋下行線落梁7孔,交通中斷。此外,昌馬河大橋也發生多跨坍塌并導致花久線(花石峽至久治省道)中斷。圖3為此次地震中斷裂振動造成的大橋破壞,主要包括:

圖3 斷裂振動造成的大橋破壞Fig.3 Bridge damage caused by main fracture

(1)野馬灘一號大橋由于斷裂振動效應導致橋面整體破壞掉落,所有落梁跨均為南側落于地面,北側支撐于橋墩,立面呈斜置狀態,部分橋墩產生局部斷裂破壞,最南端主梁向北位移導致南側橋臺與主梁伸縮縫張開約0.8 m[圖3(a)][3]。

(2)昌馬河大橋因振動效應導致部分落梁垮塌,落梁4孔,部分橋墩受損,這也是烈度圖中Ⅸ度異常區劃分的重要依據[圖3(b)]。

3 建筑物震害情況

本次震害調查中6個調查點村鎮的房屋結構形式主要有:土木結構、磚木結構、磚混結構和框架建筑,其中磚木結構和磚混結構占房屋總數的80%以上(圖4)。本次地震中各結構類型房屋均遭到一定的破壞,下面分別介紹各類建筑的主要震害情況[4]。

圖4 房屋結構類型占比圖Fig.4 Proportion of house structure types

3.1 土木結構房屋主要震害

土木結構房屋主要為20世紀70年代建造的牧區老舊房屋。此類結構房屋主要為土墻支撐屋蓋,其結構破壞主要表現為:Ⅷ度區墻體出現部分倒塌[圖5(a)],Ⅶ度區內出現墻體裂縫[圖5(b)],門窗洞口角部墻體開裂,縱橫墻交接處開裂等。

圖5 土木結構房屋破壞情況Fig.5 Damage of civil structure buildings

在調查過程中發現,部分土木結構的房屋雖為20世紀70年代建造,但其建筑結構獨特,在傳統的土墻與地基中間添加了一層厚度約80～100 cm的片石結構[圖5(c)、(d)],該片石結構在地震中可有效減少地震波向上傳遞,起到隔震墊的作用。同時,該類型的土木結構房屋的墻體底部厚約80 cm,上部約50 cm,因此震害較輕,僅表現為墻體有裂縫、外墻皮掉落等。

3.2 磚木結構房屋的主要震害

磚木結構房屋主要為玉樹地震后當地政府統一設計建造的牧民安置點及異地搬遷點房屋。在此次地震中,磚木結構房屋主要震害形式表現為:部分房屋木梁發生斷裂,墻體產生斜裂縫[圖6(a)],Ⅶ度區內部分墻體酥裂,隔墻局部外閃[圖6(b)],Ⅷ度區內有部分房屋倒塌[圖6(c)、(d)]。

圖6 磚木結構房屋破壞情況Fig.6 Damage of brick and wood structure buildings

3.3 磚混結構房屋的主要震害

磚混結構房屋縱墻、橫墻、樓梯間墻體開裂普遍,主要原因是房屋結構基礎薄弱,結構整體性不好。在此次地震中,磚混結構房屋的震害在Ⅶ度區表現為墻體輕微開裂[圖7(a)],門窗之間及窗間墻均沿灰縫出現水平或豎向裂縫;在Ⅵ度區表現為部分圍墻外閃[圖7(b)]。

圖7 磚混結構房屋破壞情況Fig.7 Damage of brick concrete structure building

3.4 框架結構房屋的主要震害

框架結構房屋的損害主要是填充墻出現大量開裂和破壞[圖8(a)],主要原因為:框架填充墻不對稱的平面布置造成結構剛心與質心不重合,產生劇烈扭轉位移;填充墻沿房屋豎向布置不均勻,導致豎向剛度不連續形成薄弱層,產生過大相對側移。因此嵌砌于框架中的填充墻平面布置應均勻對稱,豎向應連續貫通[5]。

框架結構的砌體填充墻剛度大,但承載能力低,變形能力差,在Ⅶ度區主要表現為框架結構填充墻與主體結構出現豎向裂縫、墻皮掉落等[圖8(b)]。

圖8 框架結構房屋破壞情況Fig.8 Damage of frame structure buildings

4 地震次生地質災害

受瑪多地震影響,震后6個調查點的次生災害主要表現為滑坡、地面裂縫、塌陷及噴砂冒水,其中噴砂冒水發育最為廣泛,遍布在Ⅶ烈度區內。同時發現了上千條地表裂縫,這些地表破裂的總體走向為280°,連續性較好,表明其是由此次地震引起的,而非滑坡、凍土開裂等其他原因引起[6]。

4.1 山體滑坡

在災害損失調查的過程中發現雪山鄉西北有一處滑坡災害隱患點,距離此次震中約123 km。本次地震產生的強烈振動導致此潛在滑坡體的后緣發生多處開裂[圖9(a)],最大裂縫長約10 m,寬18 cm,深20 cm[圖9(b)]。初步測量后認為該潛在滑坡體長約450 m,寬247 m,滑坡面約47°,屬于陡傾坡。

圖9 雪山鄉滑坡裂縫Fig.9 Landslide cracks in Xueshan Town

4.2 地表裂縫

野外調查中發現多處塌陷坑群,主要是由于此次地震產生的強烈震動導致地層崩塌陷落所致[圖10(a)]。在塌陷開裂向下約1 m處可見凍土層發育,本次地震導致凍土層之上的地層發生整體滑移,并在地層后緣形成高約40 cm的陡坎[圖10(b)]。

圖10 地面裂縫Fig.10 Ground fissures

同時在沿斷層方向發現了大量地裂縫,主要發育在河漫灘或階地上。這些地裂縫的走向多樣,形狀均以平直為主,但也有不少彎曲發育,并且有部分沿河岸斜坡或公路路肩發育,說明地裂縫有多種成因。這些地裂縫有部分可能是由于凍土作用產生的,但大多數是本次地震造成的。據現場調查,地裂縫的最小寬度約1～3 cm,最大寬度可達20～30 cm。

4.3 地震砂土液化

此次調查中發現砂土液化主要分布于灘涂與河谷地區,其中昌馬河大橋附近液化點距離震中約100 km。砂土液化主要表現為噴砂冒水孔,此次地震后發現液化噴砂孔密集分布[圖11(a)],多為圓形或橢圓形,包括串珠狀噴砂冒水孔[圖11(b)]、孤立的噴砂冒水孔、散布的噴砂冒水孔、層疊噴砂冒水孔等形式。該地區最大噴砂冒水沙坑的直徑約1.8 m,噴砂影響區域地下水位高,地下水接近地表。值得注意的是,本次地震液化區域海拔在4 000 m以上,屬罕見的高原區液化,震區內主要工程破壞與區域震害皆伴生大范圍地震液化現象,是有研究記錄以來平均海拔最高的地震液化致災事件。

圖11 噴砂冒水(Ⅹ度區)Fig.11 Water gushing and sand blasting (Ⅹ-degree area)

5 結論及建議

此次地震造成的房屋損失主要是因為牧區老舊建筑大多未經過抗震設計。2010年玉樹地震后當地牧民的異地安置房均由政府統一設計施工,質量良好,且本次地震造成的最高烈度區比設防烈度只高出一度,因此震害情況相對較輕。通過對震區震害的調查及原因分析,可以得出以下幾點結論和建議:

(1)建筑抗震設計是保證房屋抗震能力的基礎;調查表明本次震害調查點設防烈度與實際烈度相近或略高,因此嚴格保證抗震設計和施工質量的建筑,基本都能達到”小震不壞,中震可修,大震不倒”的目標。

(2)斷裂的錯動效應是建筑物震害最主要的原因,跨越斷裂帶的建筑物幾乎完全倒塌毀壞,因此做好活動斷層的排查工作是重中之重;

(3)地震引發的崩塌、滑坡等次生災害造成的破壞遠大于地震直接造成的損失,而山區地形對地震作用的放大效應也加劇了震災,因此要高度重視次生災害帶來的影響,加強地震地質災害的排查與防治;

(4)本次地震震區內主要橋梁破壞均伴生顯著的砂土液化現象,因此查明液化致災機理,提出防治措施,可以進一步防范此類次生災害所產生的建筑結構失穩等破壞形式。

(5)建議對高烈度區新建房屋的抗震設計進行嚴格審查,同時取消某些結構類型的自用房。此次調查中發現磚木結構、磚混結構在災區內較為常見,而采用這兩種結構的房屋在Ⅵ度、Ⅶ度甚至Ⅷ度區范圍內的墻體倒塌現象較少,房屋整體結構較完整,僅局部產生裂縫,因此對于這種抗震性能較好的結構體系應大力宣傳普及。