地震和場地條件對城市破壞的分析及減災途徑

趙鑫龍，薄景山,，李琪，齊文浩

1.防災科技學院，河北 三河 065201；2.中國地震局建筑物破壞機理與防御重點實驗室，河北 三河 065201；3.中國地震局工程力學研究所/中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080

0 引言

地震是地球釋放能量的一種方式[1]。地震發生時會產生地面的振動，強烈的振動會造成水庫潰壩、山體垮塌、地表破裂、砂土液化、軟土震陷以及地面沉降等，由此形成地震災害。地震災害具有突發性強、破壞性大、成災范圍廣、社會影響深、防御難度大、次生災害嚴重等特點，為群災之首[2]。

中國城市面臨地震災害的潛在危險十分嚴重。城市由于具有人口密集、建筑林立、基礎設施遍布、財富集中和功能多元的特點，地震一旦發生往往產生巨大災難，損失極為慘重。對此，相關學者分析了地震對城市造成的影響及應對措施[3-12]，吳新燕[13]基于“地震風險分析評價”理論提出了城市地震應急評價框架，孫海[14]提出了基于模式識別的城市自然災害界定方法，王亞偉[7]建立了城市重大基礎設施抗震評價體系。在城市現代化建設和可持續發展戰略的制定和實施中，必須考慮地震的影響。由于城市坐落在不同的地貌單元上，因此，城市所遭受的地震災害和地質災害的形成與城市所在的場地條件密切相關。為了減輕地震災害對城市的影響，本文在前人研究的基礎上分析了我國城市面臨的地震風險，利用城市震害資料總結了地震對城市的破壞作用和場地條件對城市震害的影響，提出了減輕城市地震災害的途徑。

1 中國城市面臨的地震風險

從全球地震分布特征來看，我國位于歐亞地震帶和環太平洋地震帶的交匯部位，是世界上地震災害最嚴重的國家之一[15]。地震會造成巨大的人員傷亡和經濟損失，對人民生命財產安全和經濟社會發展構成了嚴重地威脅。

由于特殊的地理分布、地質條件和經濟發展的原因，中國不是世界上地震最多的國家，但卻是世界上地震災害最嚴重的國家之一[16]。據1900年的以來的統計資料[17]，中國平均每年地震死亡和失蹤的人數約占自然災害死亡和失蹤人數的一半以上；地震災害每年造成的直接經濟損失約占各種自然災害造成經濟損失的15%左右。近百年來地震資料的統計[17]表明：中國平均每年發生20次5級以上的地震，平均每5年左右就會發生1次7.5級以上的地震，平均每10年左右就會發生1次8級以上的地震。中國地震動參數區劃圖[18]顯示，中國地震動峰值加速度為0.1g(相當于地震5級)及以上的地區占國土面積的58%；地震動峰值加速度為0.2g(相當于地震震級6級)及以上地區占國土面積的18%。我國50%以上的城市和70%百萬人口以上的城市位于地震動峰值加速度0.1g及以上的高烈度區[19]；在包括臺北、香港和澳門在內的34個省會級大城市中，位于地震動峰值加速度0.1g及以上的城市有28座，約占城市總數的82%，位于0.2g及以上的城市有12座，約占城市總數的35%[18]。我國的城市也屢遭地震的嚴重破壞，例如，1976年7月28日在我國河北唐山發生了震級為7.8級的大地震，震中烈度為Ⅺ度[19]。人口稠密的唐山市是經濟發達的工業城市，地震造成的損失極為慘重。這次地震有242 769人遇難，重傷16.46萬人，截癱者3 817人，孤兒4 204人，輕傷需治療者達36萬之多，經濟損失約100億人民幣，舉世震驚[19]。地震有感范圍波及遼、晉、豫、魯、內蒙等14個省、市、自治區，破壞范圍半徑約250 km，天津市也遭到Ⅷ至Ⅸ度的破壞[19]。震后吸取設防、預報、抗震、救災諸多方面的經驗教訓，我國全面加強抗震設防，城市防震減災工作進入了新階段。2008年5月12日發生在我國四川汶川的8.0級特大地震，產生大規模嚴重地質災害和城鎮破壞，北川縣造成69 227人遇難，失蹤17 923人，受傷374 643人[20]。這次地震是中華人民共和國成立以來破壞力最大、受災最嚴重、波及面最廣、救災難度最大的地震，也是繼唐山大地震后傷亡最嚴重的一次地震[20]。汶川地震是對我國防震減災工作的全面檢驗，相較于唐山地震，采取了許多積極應對的有效措施，表明我國具備了一定的抗御地震災害能力。但我們仍要重視應對極罕見的特大地震，需要進一步提高抗御大震的綜合實力。國務院批準自2009年起，以汶川地震5月12日為全國“防災減災日”[20]。

我國58%以上國土面積處在基本烈度7度及以上的地震高風險區[19]，許多大城市、重大生命線工程位于潛在強震區域[21]，人、財、物高度集中，地震災害風險不斷加大；一些城市的地震高風險、農村不設防的狀況依然存在，城市和鄉村“小震致災、中震大災、大震巨災”的狀況仍沒有根本改變[22]，全面提高城市地震災害綜合防范能力任重道遠，做好城市防震減災工作的挑戰前所未有。

2 地震對城市的破壞作用和影響

分析和總結全球歷次破壞性地震的震害[23]，本文將破壞性地震對城市的破壞作用和影響主要歸納為7個方面。

(1)強烈的地面運動產生的慣性力毀壞建筑和基礎設施。城市地震災害的重要特征之一是大量損毀未達到抗震設防要求的建筑物和基礎設施,使城市陷于癱瘓。1906年，美國舊金山特大地震將一座以鋼筋混凝土建造為主的城市毀于一旦[23]。1923年，日本關東大地震造成了東京都30余萬棟建筑被毀壞，港口、碼頭和道路幾乎全部因震損而停用[23]。在1976年中國的唐山大地震中，唐山市的民用建筑和公用建筑遭到嚴重破壞和倒塌的分別占95.53%和81.08%，基礎設施幾乎全部癱瘓[23]。2008年中國四川汶川特大地震中，極重災區城鎮居民住房倒塌和嚴重破壞的房屋達2 064.83×104m2，其中北川縣城曲山鎮老城區80%、新城區60%以上的建筑物被震毀，縣城內的交通、電力、通訊、供水、供氣、廣播電視等基礎設施全部受損，整個城市幾乎全部陷入癱瘓狀態,360余家中小企業資產損失嚴重[20]。地震甚至毀掉了古代文明，如：埃及的大金字塔、巴比倫的空中花園、亞歷山大燈塔、阿特米斯廟、土耳其里亞王陵、阿波羅青銅巨像、奧林匹亞宙斯雕像等古代的建筑奇跡都毀于地震災害[1]。

(2)強震可使城市建筑物和基礎設施的地基失效而喪失使用功能。強烈的地震有時會產生地面傾斜、砂土液化、軟土震陷、地面沉降和地表破裂等地震地質現象，這些現象使其喪失使用功能或被毀壞，造成重大損失。

(3)地震造成重大的人員傷亡和經濟損失。根據公元前2222年至公元2019年全球著名破壞性地震資料[11]的統計，全球因地震死亡的人數高達500余萬，1900年來因地震死亡人數近240萬。盡管歷史地震人員死亡的估計存在較大的誤差，但這些數字也足以令人震驚；經濟損失的粗略估計也高達數千億美元[24]。迄今為止，1556年中國陜西華縣特大地震以死亡83萬人而成為世界有史以來的地震死亡人數之最[25]；2008年中國四川汶川特大地震以8 523.09億元人民幣的經濟損失而無可爭議地列為全球地震經濟損失之首[20]。

(4)嚴重破壞城市的生態環境和自然資源。強烈地震會引發地面噴砂冒水、山體滑坡，對生態環境和自然資源造成嚴重破壞。汶川特大地震使四川災區17個縣(市)的地表覆蓋植被毀壞高達1 356.63 km2，造成了嚴重的水土流失和資源破壞[20]。震后的9月23日北川老縣城遭受泥石流，洶涌的泥石流狂瀉而下，將大半個縣城吞沒，造成了無法挽回的損失[20]。

(5)破壞性地震使城市社會管理面臨巨大的壓力和挑戰。強烈的破壞性地震會使一座城市在短時間內處于混亂無序狀態，交通和通訊暫時中斷，服務業暫時癱瘓，商品供應短缺，居民生活面臨困難，社會處于不穩定狀態。破壞性地震發生后，短時間內需要救治傷員、安置災民、調配救災物資、調集救災力量。城市各級政府面臨著地震應急和社會管理的巨大壓力和挑戰[26]。

(6)對居民造成嚴重的心理創傷。地震給人類造成的傷害不僅是物質的，還有精神上的傷害[27]，破壞性地震使災民在短時間內改變了正常的生活狀態，家庭破散、骨肉分離，對人民心理傷害巨大，同時，震后的家庭重組、財產處置、傷殘者的撫恤和地震孤兒的撫養教育等都構成了地震之后特殊的城市社會問題，對城市的發展都會產生重要的影響。

(7)地震對城市的可持續發展影響巨大。地震對城市的影響表現在政治、經濟、社會、環境和人文等多個方面。恢復重建需要時間、人力、物力和財力，如果不能有效地抗御地震的沖擊和干擾，對城市的可持續發展會帶來致命的影響。地震毀滅城市的事例不勝枚舉，也可造成城市的發展長期萎靡不振[28]。

可以看出，地震對城市的破壞作用是來自于地震慣性力和地基失效，破壞性地震產生的慣性力會直接摧毀城市，其次是地基失效所造成上部建筑的破壞。除此之外，地震引發的次生災害也會對城市建筑物造成嚴重威脅,由此產生一系列的影響是十分嚴重的，對此，我們需要提高城市的建筑物和基礎設施的抗震能力，要滿足設防烈度的要求，盡可能減少地震帶來的影響。

3 地震對場地條件的影響

城市的場地條件通常指城市范圍內場地的工程地質條件，主要包括地形地貌條件、巖土類型及工程地質性質、地質構造和區域地殼穩定性、水文地質條件、物理地質條件以及天然建筑材料等。從防災的角度看，城市場地條件對城市安全的影響主要體現在包括地震地質災害對城市的影響。城市地震地質災害主要包括滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降、海水倒灌、場地砂土液化和軟土震陷、地表破裂等現象。這些現象對城市的安全往往都造成嚴重的威脅，地震引起的滑坡、崩塌、砂土液化、軟土震陷和地表破裂等災害對城市的危害更大，這些災害的形成與場地條件密切相關。場地條件在城市規劃選址和城市防災減災能力評價中受到高度的關注。

19世紀末至20世紀初全球一系列特大地震的發生，推動了結構抗震理論的發展和場地條件對震害影響的研究[29]。盡管早在1891年日本濃尾8.0級地震中，日本學者就已注意到了地震滑坡和地表破壞對震害的影響，但場地條件對地震動和震害影響的系統研究始于美國學者Wood[30]對1906年舊金山特大地震的震害調查，他開啟了這方面的研究工作，給出了震害的差別與場地條件相關的重要結論。中國學者翁文灝[31]等在考察1920年海原特大地震時，也注意到了黃土的厚度、地形和地質構造等場地條件對震害的影響，這是中國在場地條件對震害影響最早的調查研究成果。一百多年來，這一領域取得了豐富的研究成果，極大地推動了工程抗震研究的發展。周錫元[32]、胡聿賢等[33]、薄景山等[34]先后開展這一領域的研究工作，取得了一些成果。工程地質條件對城市震害的影響主要表現在以下5個方面：

(1)地形地貌的影響。關于地形地貌對城市震害的影響比較統一的認識是，局部不規則地形的頂部較底部對地震動的放大效應強烈、地震動強度大、震害嚴重；形態變化急劇的部位較緩慢漸變的地震動大，震害嚴重，這些部位在場地選擇時，應盡量避開。強震資料[19]顯示，局部地形的影響可使地表峰值加速度增大30%～50%，汶川特大地震在不同地形上獲得的強震資料[35-37]的分析也證實了山頂對地震動有放大作用；理論分析給出的結果與震害調查和強震觀測的結果基本一致[38-39]。

(2)巖土類型及工程地質性質的影響。巖土類型和工程地質性質對城市震害有顯著的影響，震害調查和強震觀測資料[40-41]表明，土層場地較基巖場地的放大作用明顯，通常覆蓋土層地表峰值加速度是其之下基巖的1～10倍，多數在2～4倍；建在堅硬地基上的建筑物一般震害較輕，建在軟弱地基上的建筑物一般震害較重，據統計，唐山大地震14個多層磚房小區的平均倒塌率為60%，但大城山小區為堅硬的基巖地基，其倒塌率僅為10%[40-41]，軟弱土層反應譜的特征周期較堅硬土層的大，在不同類型的巖土之上的地基對不同的結構會產生選擇性的破壞。覆蓋層厚度對場地的地震動和震害的影響可以概括為:覆蓋土層越厚，地表反應譜長周期的成分愈顯著，反應譜曲線及其峰值愈向后移，標準反應譜的特征周期越大[42]，土體的自振周期也隨之增大[43]。也就是說，覆蓋層厚度對城市建筑物和基礎設施的選擇性破壞作用顯著，建在厚土層上的中、長周期的建筑物破壞嚴重。軟弱夾層對地震動的影響備受學術界關注，學者們從不同的角度對其開展了深入的研究工作[44-52]。目前總體的認識可歸納為：相同地震動輸入下，軟弱夾層埋藏越深，厚度越大，計算得到的地表峰值加速度越小，規準后的反應譜的特征周期越大；當軟弱夾層厚度小于0.1 m時，對地表地震動的影響幾乎可以忽略。當一定厚度的軟弱夾層位于土層剖面底部時，通常起到隔震作用；位于頂部時一般對地震動的放大效應顯著，同時，軟弱夾層對地震動的輸入比較敏感，非線性反應強烈[44-52]。不過這些理論上的認識還有待實驗和強震觀測的進一步證實。

(3)地質構造的影響。城市震害調查資料[53]顯示，地表斷裂帶結構上的建筑破壞無一幸免，斷層的地表錯動可謂無堅不摧。斷層上盤的震害通常重于下盤的震害，震害嚴重的區域常分布在斷層兩側數十米范圍內，遠離這一區域的震害逐步減輕。此外，發震斷層還可能誘發滑坡、崩塌等物理地質現象并產生次生災害。薄景山等[54]利用震級、震源深度、斷層性質和覆蓋層厚度等參數，采用邏輯回歸分析，給出了強震地表破壞的預測方法，該方法經隨機檢驗成功率可大于87%。覆蓋層的厚度是決定地表破壞的重要因素，王鐘琦等[55]根據通海、爐霍、海城地震的調查認為，產生地表破裂的覆蓋層最大厚度不超過50 m，基巖的錯動位移為2～3 m。由斷層蠕動而產生地表破裂的覆蓋層的臨界厚度為30～50 m[56]。這說明當基巖的錯位量不超過3 m時，覆蓋厚度深度在50 m以上的場地不易出現地表破裂。

(4)地下水的影響。關于地下水對震害的影響，震害調查資料[57]顯示的結果是，地下水位埋藏越淺，震害越重。在早期的烈度評定中，需要利用場地條件對烈度進行調整，地下水埋深是一個重要指標。

(5)地質災害的影響。強烈地震常觸發大量的滑坡和崩塌，我國1920年的海原特大地震[58]、2008年的汶川特大地震[59]都觸發了大量的山體滑坡和崩塌，他們常掩埋或沖毀房屋和其他工程設施，堵塞或毀壞公路，壅堵河道形成堰塞湖，造成嚴重的災難。砂土液化和軟土震陷是城市常見的地震地質災害，他們常使地基失效，地面沉降。流滑、側移、液化伴生的噴砂冒水常毀壞農田和公路等基礎設施，王亮[60]對砂土液化的研究現狀進行了較為全面的總結。廖振鵬[61]在分析我國震害調查結果的基礎上認為，在地震破壞數以萬計的建筑物中，因地基失效而招致上部結構破壞的比例較小；地基失效主要造成經濟損失，一般不造成嚴重的人員傷亡。砂土液化、軟土震陷以及地基永久變形的工程評價方法比較成熟，并且這些現象多發生在地面以下20 m以內，采取適當的工程措施和地基處理方法完全可以避免，不影響工程建設。

綜上所述，城市的場地條件對城市震害影響較大，通常山區城市地形復雜，地質災害發育，地震亦觸發大量的地質災害，除崩塌、滑坡和地表破裂外，還易產生泥石流的災害，對城市的威脅較大；平原城市一般地形比較平坦，通常覆蓋層的厚度較大，不易出現地表破裂，但砂土液化和軟土震陷等地震地質災害比較常見，易造成地基失效等災害。因此，在城市選址和建設時要考慮場地條件對城市震害的影響，盡量選擇對抗震有利的地段，避開不利的地段。可能對城市構成威脅的地質災害要開展風險排查，加強治理，降低城市風險，保證城市安全。

4 城市地震災害的成因分析

大量震例表明，城市的地震災害主要源于建筑物和各類基礎設施的破壞、地震次生災害以及震時和震后的社會管理薄弱等方面。除了地球震動這一無法抗拒的客觀原因外，產生地震災害的主要原因可簡要歸納為以下3個方面：

(1)城市的建筑物和各類基礎設施的抗震防設防標準過低或設計不合理，抗震能力不強。郭迅等[62]將其概括為建筑結構上的“散、脆、偏、單”，并稱其為設計上的“人為失當”。消除這類問題的工程措施是開展既有建筑的抗震性能排查與鑒定，又有對未達到現行規范規定的抗震設防標準的房屋進行抗震加固。同時，要進一步加強抗震設計及其有關領域的科學研究，汲取震害教訓，不斷提高建筑物的抗震設計水平。

(2)城市選址和建設的場地選擇不利，沒有避開斷裂活動帶、崩塌、滑坡、泥石流、砂土液化、軟土震陷等地震地質災害發育的抗震不利地段，場地抗震的適宜性評價不夠充分或被忽略，場地和地基的處理不到位。這可以稱為場地選擇的“人為失誤”[23]。

(3)城市抵御地震災害的準備不足，政府和公眾防震減災的意識不強，資金投入不足，防震減災知識宣傳不夠[63]。

分析地震資料不難看出，中國不是世界上發生地震次數最多的國家，但地震災害最為嚴重。究其主要原因，一是全球的地震大多發生在海洋[64]，對人類構成災害的主要是發生在大陸的地震，中國的陸地面積僅為全球的1/14，但中國大陸發生的地震卻占全球大陸地震的1/4到1/3，并且強度較大[65]；二是建筑質量和發達國家相比，普遍較差，在20世紀90年代以前的城市建筑抗震設防標準低，由于經濟的原因，建筑質量普遍偏低，農村建筑基本無抗震設防，這是造成災害嚴重的重要原因[66]；三是防震減災的意識不強，災害的防御意識和發達國家相比，普遍較差，防震減災知識宣傳不夠[67]。

綜上所述，減輕城市地震災害需要選擇合理的城市建設場地，盡可能避開抗震不利地段，建筑物和各類基礎設施的抗震防設防標準要合理，建筑結構上的“散、脆、偏、單”要盡可能克服，在此基礎上要做好對地震災害的應對措施，只有這樣才能盡可能減少地震對城市造成的影響。

5 減輕城市地震災害的途徑

日本作為地震頻發的國家，在地震防御方面處于世界先進水平，為了借鑒日本的經驗，筆者搜集了日本近幾年來地震防御措施，見表1。

表1 中國和日本地震防御數據統計

城市的地震安全對社會的經濟發展和保護人民生命財產安全至關重要。在總結城市震害經驗的基礎上，本文提出了7條減輕城市地震災害的途徑。

(1)在城市規劃和建設時，建筑物和基礎設施應盡量選擇對抗震有利的場地，避開對抗震不利和危險地段以及地震高危區域。嚴格執行我國建筑抗震設計規范[72]，場地的選擇對減輕城市地震災害有重要作用，選擇對抗震有利的場地是減輕城市地震災害的途徑。

(2)要確定合理的城市抗震防災標準，確保工程質量，提高建筑物和基礎設施的抗震能力以及城市的綜合防災能力。嚴格執行我國城市綜合防災規劃標準[73]，防御目標和設防標準是城市防災的最低要求，它受社會經濟發展水平的制約，在社會經濟不斷發展的城市可適度提高防御目標和設防標準。同時要采取有力措施保證工程質量，這是提高建筑物和基礎設施抗震能力的重要措施。

(3)對尚未達到抗震設防要求的既有建筑物和基礎設施進行抗震加固。在結構抗震鑒定的基礎上，篩選出未達到抗震設防要求的既有建筑物和基礎設施，對其采取加固措施，認真落實國家自然災害防治九大重點工程中的 “地震易發區房屋設施加固工程”。對進一步提高城市和建筑物的抗震防災能力有重要作用。

(4)開展城市地震地質災害風險排查，采取措施管控風險，減低城市的地震風險。對城市所在區域可能存在的崩塌、滑坡、泥石流、砂土液化、軟土震陷和地面沉降的地質災害按國家有關要求進行全面調查和評估，對可能威脅城市安全的地質災害開展防治工作，防治消除隱患。

(5)采用先進的城市規劃和建設理念，加強韌性城市建設，提高城市的防災能力和可持續發展的潛力。韌性城市的理念源于聯合國倡導的國際減災行動計劃，是全球政治、經濟、社會、防災減災以及城市規劃發展的產物。其產生的背景主要有全球經濟發展和社會變化的挑戰，氣候、地震災害、地質災害和生態惡化導致城市突發事件增多等因素的影響。城市發展的不確定性突出，已成為世界各國普遍關注的問題，由這種不確定引發的城市問題迫切需要通過科學的城市規劃和建設來規避。韌性城市理念的孕育和產生是城市在漫長的發展歷史中逐步產生和形成的城市公共安全治理和防災減災的重要途徑和全新的理念。

(6)加強城市的綜合防災規劃，通過合理的城市規劃來規避城市的地震災害。城市綜合防災規劃是為了建立健全城市防災體系，開展城市綜合防災部署所編制的城市規劃中的防災規劃和城市綜合防災專項規劃。其中，關于防震減災規劃的內容也是我國防震減災法要求的內容。這一規劃的核心是確定城市災害綜合防御目標和防御標準，通過建筑物和基礎設施的合理布局來減輕城市面臨自然災害的風險，綜合防災規劃是減輕城市地震災害風險的一條重要途徑。

(7)加強防災減災知識宣傳，使廣大市民掌握一定的防災減災知識，充分認識防災減災的重大意義，提高公眾的防災減災意識，并積極主動地參與城市的防災減災工作，在災害發生時通過廣大市民的努力，達到盡量控制災害的范圍、規模和影響的效果。同時倡導社會組織和公眾參與地震保險，轉移和分散地震風險，減輕城市地震災害給政府帶來的巨大財政壓力。

6 結語

城市是人類活動的重要空間和人類文明的重要載體，也是經濟和社會發展的核心支柱和社會集體成就的最終體現，是人類社會發展的產物。城市具有人口密集、經濟發達、基礎設施集中的特點，安全和宜居是人類對城市建設的最低要求。在自然災害中地震對城市的威脅最大。在城市震害中總結經驗，分析城市地震災害的特點和形成的機理，提出減輕城市地震災害的措施和途徑，對城市防災減災能力的提升和可持續發展有重要作用。本文分析了城市面臨的地震風險，總結了地震對城市和場地條件的影響，主要結論如下：

(1)破壞性地震會直接摧毀城市，需要提高城市的抗震設防能力。

(2)場地條件比較復雜，城市建設需要選擇合理的場地，盡量選擇對抗震有利的地段，避開不利的地段。可能對城市構成威脅的地質災害要開展風險排查，加強治理，降低城市風險，保證城市安全。

(3)提出的7條減輕城市地震災害的途徑可以有效地減輕地震對城市的影響。