青海門源MS6.9 地震極震區震害調查與防災建議1

李 鑫 李智敏 蓋海龍 殷 翔 姚生海 劉 強

1）青海省地震局, 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, 青海格爾木 816000

3）中國地質大學, 地球科學學院, 武漢 430074

引言

2022 年1 月8 日1 時45 分（北京時間），青海省海北藏族自治州門源縣（37.77°N，101.26°E）發生MS6.9 地震，震源深度10 km，此次地震震中距蘭新高鐵硫磺溝大橋4 km，距門源縣城53 km，距甘肅民樂縣83 km，距海北藏族自治州政府駐地96 km，距西寧市136 km。震中5 km 范圍內平均海拔約3 674 m。青海、甘肅、寧夏等省份震感強烈，未造成人員死亡，少量人員受傷，災區橋梁、道路、房屋等發生不同程度的破壞。

據中國地震臺網測定，至2022 年1 月13 日8 時0 分，共記錄到此次地震M3.0 以上余震20 次，包括2次5.0～5.9 級地震、5 次4.0～4.9 級地震、13 次3.0～3.9 級地震。最大余震為2022 年1 月12 日18 時20 分發生的5.2 級地震（37.69°N，101.49°E）。本次地震處于青藏高原北緣板塊祁連山麓內部，其附近斷層縱橫發育，主要有民樂-永昌斷裂、皇城-雙塔斷裂、肅南-祁連斷裂、托來山斷裂、冷龍嶺斷裂、日月山斷裂等。歷史記載及儀器記錄，震中周邊200 km 范圍內近5 年發生3 級以上地震共18 次。

通過野外現場調查工作，分析認為此次地震為高原的高地形與印度及歐亞板塊之間的斜切運動，發震斷層為冷龍嶺斷裂西段（長約17 km）與托來山斷裂東段（長約5 km），表現為強烈的左旋走滑性質，造成長約22 km 地表破裂帶。

1 震區概況

海北藏族自治州門源縣處于青海省東北部，其東部和北部與甘肅省相鄰。該地區屬高原大陸性氣候，海拔高度為2 388～5 254 m，年平均氣溫0.8 ℃。區域內地形復雜，主要類型為山地和河湖盆地，地勢西北高、東南低。大地構造單元屬祁連山褶皺系的次級構造單元-北祁連山構造帶中段。區域內構造線以NW、NNW 向為主。門源縣土地面積約6 400 km2，全縣13 830 人，人口密度為203 人/10 km2。根據中國地震局發布的青海門源MS6.9 地震烈度圖（圖1），極震區（地震烈度Ⅸ度區）面積約157 km2，自西向東包括大西溝、道溝、硫磺溝區域，距門源縣政府所在地約53 km。

圖1 青海門源MS6.9 地震烈度Fig. 1 Map of seismic intensity for MS6.9 earthquake in Menyuan county, Qinghai province

受此次地震影響，青海省海北藏族自治州門源縣、祁連縣、剛察縣震感明顯，共1 662 戶5 831 人受災，9 人受傷（均為避險不當所致），無人員死亡；共4 052 間房屋破壞，217 間房屋嚴重破壞，3 835 間房屋一般破壞；151 座畜棚破壞，其中倒塌6 座，一般破壞145 座；15 km 長供排水管網破壞，3.96 km 長供熱管網破壞，3.3 km 長省道破壞，8 km 長鄉村道路破壞，3 座橋梁破壞，17 處涵洞破壞；地質災害隱患點成災1 處，祁連山國家公園管護站均不同程度受損。

2 極震區震害調查

基于震源參數（表1）、強震動儀器觀測結果（表2）及InSAR 反演結果（李振洪等，2022），開展震前、震后高分辨率遙感衛星影像解譯、極震區野外踏勘和無人機拍攝測量，在門源縣大西溝、道溝、硫磺溝附近發現長約22 km 的地表破裂帶、1 座破壞橋梁（蘭新高鐵硫磺溝大橋）和6 個破壞房屋調查點（圖2）。

圖2 青海省門源縣極震區調查示意Fig. 2 Schematic diagram of the investigation scope of the extreme survey in Menyuan county, Qinghai province

表1 2022 年門源MS6.9 地震震源參數Table 1 Source parameters for the 2022 Menyuan MS6.9 earthquakes

表2 2022 年門源MS6.9 地震強震動記錄分析Table 2 Analysis of strong vibration records for the 2022 Menyuan MS 6.9 earthquakes

2.1 地表破裂帶

極震區內破裂帶總長約22 km，總體走向近EW 向，呈南北分叉狀，該地表破裂帶主要由一系列的張剪裂縫、張裂縫和斜列的擠壓鼓包、地震陷坑、砂土液化等多種構造標志組成（圖3）。其中，張裂縫、剪裂縫整體走向為190°～220°，部分為325°～350°，表現為雁列式、共軛式或不規則式排列，最大寬度＞1.5 m，最大深度＞3 m，最大左旋位錯＞1.5 m。擠壓鼓包整體走向為180°～225°，最大高度達1.6 m，左旋位錯＞1 m。噴砂冒水最大直徑＞2 m，主要表現為圓形或橢圓形，少數為扇形，主要包括孤立的噴砂冒水孔、串珠狀噴砂冒水孔、層疊噴砂冒水孔等形式。

圖3 地表破裂帶變形特征Fig. 3 Deformation characteristics of surface rupture zone

2.2 蘭新高鐵硫磺溝大橋

硫磺溝大橋位于門源縣祁連山系冷龍嶺山脈南側硫磺溝溝內（37.791°N，101.308°E），大橋全長272.77 m，為8 跨32 m 雙線簡支梁橋，橋面寬約12.6 m，橋墩結構采用單柱式，與橋臺間采用高阻尼橡膠支座，過渡墩和橋臺處采用四氟乙烯滑板支座。大橋南側與大梁隧道相接，北側與祁連山隧道相接。

橋址區地貌單元屬于硫磺溝河谷區，河谷為不規則倒梯形，河谷兩側為山前坡積扇，地形高差相對較大，高程3 563～3 595 m。北側山前坡積扇坡角相對較緩，一般為20°～25°，邊坡穩定性好；南側坡積扇地形相對陡峭，坡角為25°～30°，邊坡穩定性差，現場可見硫磺溝大橋左側邊坡滑塌現象（圖4）。橋址場地地表基巖處于強風化狀態，第四系覆蓋層厚度大，松散未膠結或膠結程度差，大橋場地等效剪切波速度為250～500 m/s，場地覆蓋層厚度＞5 m（表3、圖4），場地類別為Ⅱ類，地震動反應譜周期為0.45 s，地震動峰值加速度為0.20g，抗震設防烈度為Ⅷ度，橋梁抗震措施等級為4 級。

圖4 硫磺溝大橋梁板傾斜移位Fig. 4 Slant displacement of beams and slabs of Liuhuanggou bridge

表3 硫磺溝大橋場地等效剪切波速Table 3 Equivalent shear wave velocity of Liuhuanggou bridge site

本次調查顯示，處于極震區東段的硫磺溝大橋破壞嚴重。橋上鋼軌（CRTSI 型雙塊式無砟軌道）發生扭曲，部分折斷，最大位移量約1.2 m。鋼軌固定扣件（福斯羅300-1a 型）彈條崩脫，螺栓部分破壞，道床板移位及錯臺。橋梁梁板傾斜移位，最大傾角約18°，混凝土支塊擋塊及護欄部分破壞，相鄰梁板最大位移量約0.8 m，累計位移量1.4 m。高阻尼球形橡膠支座中夾層薄鋼板及橡膠片部分破壞脫落。橋臺受損，混凝土保護層嚴重破壞，發育多條縱、橫向裂縫及細微斜裂縫，橋臺多處內部鋼筋出露。橋墩結構完整（王青橋等，2009），橋墩與地面接觸處出現寬2～15 cm 裂縫。橋下地面發育多條貫穿型裂縫，整體走向為190°～210°與310°～340°，裂縫寬度2～25 cm（圖5）。

圖5 硫磺溝大橋不同程度破壞Fig. 5 Different damage degrees of the Liuhuanggou bridge

2.3 破壞房屋

極震區沿溝谷展布，山勢陡峻，平均海拔3 500 m 以上，附近居民生活點較少，共6 個調查點，總面積約3 285 m2。1 間磚混結構房屋輕微破壞，面積占比約0.6%；2 間磚木結構房屋毀壞，面積占比約1.1%；2間土石結構房屋毀壞，面積占比約6.1%；60 間輕鋼結構房屋基本完好，面積占比約78%；12 間輕鋼結構房屋輕微破壞，面積占比約12%；2 間輕鋼結構房屋中等破壞，面積占比約2.2%（表4、圖6）。

圖6 不同結構房屋類型破壞調查Fig. 6 Damage investigation of houses with different structures

表4 極震區不同結構類型房屋震害調查表Table 4 Investigation on earthquake disaster of buildings with different structures in the extreme areas

1 號調查點共調查房屋1 間，為磚混結構，面積約20 m2，輕微破壞，房屋側面出現細小裂縫，長約1.3 m。頂部及構造柱為鋼筋混凝土結構，墻體主要由磚塊砌筑。外部圍墻嚴重毀壞，主要由混凝土空心磚砌筑，墻厚24 cm，長39 cm，寬24 cm，鋪漿面厚約1 cm。

2 號調查點共調查房屋26 間，均為輕鋼結構，總面積約1 000 m2。16 間基本完好，面積約640 m2。8間輕微破壞，面積約288 m2，輕鋼墻體發生輕微變形。2 間中等破壞，面積約72 m2，輕鋼墻體部分扭曲變形。

3 號調查點共調查房屋46 間，均為輕鋼結構，總面積約2 000 m2。42 間基本完好，面積約1 890 m2。4間輕微破壞，面積約110 m2，輕鋼墻體發生輕微變形。

4 號調查點共調查房屋2 間、羊圈2 間，總面積約230 m2。2 間輕鋼結構房屋面積約30 m2，基本完好，未發現門窗變形。2 間土石結構羊圈，面積約200 m2，毀壞，圍墻主要由石塊及黃土堆積而成，未鋪漿，外部通過鐵絲固定。

5 號調查點共調查房屋1 間，為磚木結構，面積約15 m2，完全毀壞，房屋倒塌，未見圈梁和構造柱。頂部由簡易木質結構搭建，墻體下部主要為空心磚砌筑，墻體厚24 cm，上部由紅磚砌筑，未鋪漿。

6 號調查點共調查房屋1 間，為磚木結構，面積約20 m2，毀壞，房屋頂部破損，外墻部分傾斜倒塌，墻體發育多處貫穿型裂縫，未見圈梁和構造柱。頂部由簡易木質結構架預制板構成，墻體主要由紅磚、空心磚砌筑，墻體厚24 cm，鋪漿面厚約1 cm。

3 震害特征分析

3.1 橋梁、房屋、道路等破壞情況

本次發震斷裂呈NWW 向展布，在地表形成長約22 km 的分叉狀破裂帶，均以左旋走滑性質為主，形成了典型的斷錯地貌，如河心灘、道路車轍印等被明顯錯斷（圖7），一系列張剪裂縫、擠壓陡坎等（圖3）。橋梁、房屋、道路均處于近斷層區域，受地震動作用和場地破壞效應強烈，破壞嚴重。

蘭新高鐵硫磺溝大橋位于極震區東段，在大橋山前及東、西側可觀察到明顯的地表破裂帶，破裂帶寬約150 m，長約30 m，與大橋呈50°～75°夾角展布。結合大橋整體破壞程度及兩側地表特征，初步推測斷層破裂的強震動作用（Ⅸ度）超過了橋梁設定的抗震設防烈度（Ⅷ度），導致大橋整體傾斜破壞。高應力下的強震釋放大量能量，形成了規模巨大的地表破裂帶，對大橋地面造成了不可逆的位移及變形。此外，由于大橋橫穿斷層線方向（圖7），地震形成的沖擊波在斷層與地表之間多次反射，放大了地震差動效應（羅全波等，2018；李鑫等，2021a；蔣一然等，2022），高能、短時脈沖運動周期為1～3 s，接近硫磺溝大橋自振周期，在地震動空間差動及斷層效應的作用下，高阻尼球形支座及橋臺連接固件嚴重破壞，超出理論破壞值（劉佳，2013），限位及減隔震裝置部分功能喪失，導致大橋不同跨變形存在差異。此外，橋墩易沿基巖面滑動，土體位移增大了橋墩承受的附加靜應力和動應力，運動使橋墩與上部梁板及連接件失去穩定性能（黃勇等，2010），進而導致橋梁梁板與斷層上盤表現為一致的運動趨勢，整體向東傾斜移位（圖4），大橋橋墩與地面形成2～15 cm 寬裂縫（圖5）。

圖7 硫磺溝大橋及道路破壞Fig. 7 Damage of the Liuhuanggou bridge and road

房屋、道路整體沿極震區長軸分布，約120°～140°。受斷層效應作用明顯，發生不同程度的破壞。房屋破壞程度整體較輕，多為基本完好或輕微破壞。因2016 年青海門源MS6.4 地震發生后，政府對海北藏族自治州房屋進行了全面加固，加固方式包括固磚補縫、鋼筋圍固、增加壁柱、砂漿充填等（圖8），使原有房屋抗震性能得到顯著提升。此外，極震區房屋多為輕鋼結構，具有良好的柔性和自復性，在強烈地震動作用下，未出現較大變形。道路破壞嚴重，因大部分道路被斷裂帶直接橫穿，造成道路抬升及錯斷，可見道路車轍印被左旋錯斷，位錯約0.8 m。此外部分道路位于山前，因地震作用產生邊坡效應，出現大量地表裂縫，其走向與堆積體滑落方向基本一致，寬2～20 cm。

圖8 房屋加固措施Fig. 8 House strengthening measures

3.2 人員受傷情況

地震于凌晨發生，硫磺溝大橋未有高鐵通過，故無人員傷亡。震中附近山高溝深，居民點分布較少，僅有6 個調查點，人口密度較低（圖2），人員傷亡性小。毀壞房屋結構類型基本為磚木結構（居民點）及土石結構（牛羊圈），其設計、修建質量等均不滿足要求，如未設置圈梁和構造柱，頂部由簡易木質結構搭建，相鄰結構無固定連接措施（羅春燕，2011），墻體主要由燒結普通磚砌筑，強度低、自重小，未鋪漿，砌體整體抗剪強度低（李紅，2011），在極震區范圍全部毀壞。因冬季放牧期結束，無人居住，故無人員傷亡。此外，調查點輕鋼結構房屋為主體，屬柔性結構連接，其修建通過嚴格抗震設計及相關質量檢驗，抗震能力較強，在極震區內多表現為基本完好或輕微破壞，無人員傷亡。

4 意見建議

基于此次地震現場實際調查工作，通過對極震區蘭新高鐵硫磺溝大橋及周邊居住點進行詳細調查與震害分析，提出門源地震災后重建及震害防御建議。

（1）對于災區房屋建筑，組織專業技術人員進行詳細調查及安全鑒定。建議輕微破壞或中等破壞的框架、磚混結構建筑在原基礎進行抗震設防加固，拆除嚴重破壞及毀壞的磚木、土石結構建筑，嚴格按照國家抗震設防標準重建，建議建造輕鋼結構房屋（李鑫等，2021b）。

（2）定期開展房屋建筑隱患排查及加固工作。此次門源地震房屋整體破壞程度較輕，人員傷亡較少，其主要原因是2016 年門源地震發生后，政府已對縣城及周邊所有房屋進行了排查及加固工作，整體增強了轄區抗震設防能力。

（3）建議原地修建蘭新高鐵硫磺溝大橋。大橋梁板雖發生側傾，橋臺多處內部鋼筋出露，但橋墩結構完好，整體表現為輕微破壞。此外大橋所屬場地附近發育多條活動性斷裂（何文貴等，2000；胡朝忠等，2016），其周邊區域基巖風化破壞嚴重，第四系覆蓋層厚度大，松散未膠結或膠結程度差，可供選擇及利用區域較少，選址難度較大，故建議原地修建。

（4）硫磺溝大橋破壞為我國真正意義上的高鐵震害，建議根據高烈度地區高鐵橋梁特殊性，修建橋梁時加設減隔震裝置、連梁及柔性限位裝置，使橋梁穩固性及自復性得到提升。

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