日本北海道6.7级地震灾害特点与启示

王兰民 车爱兰 王林

王兰民，中国地震局黄土地震工程重点实验室主任，研究员，博士生导师，国务院政府特殊津贴专家，中国地震局科技委员会委员，中国地震学会、中国地球物理学会和中国土力学与岩土工程学会的常务理事，国际岩土地震工程技术委员会委员，亚洲岩土自然灾害技术委员会委员，《地震工程学报》主编，《岩土工程学报》等多个刊物编委，曾任甘肃省地震局局长、中国地震局兰州地震研究所所长。长期致力于土动力学与岩土地震工程研究，作为第一完成人获国家科技进步奖二等奖1项（黄土地区地震灾害预测预防技术研究），省部级科技进步奖7项，发表论文100多篇，主编出版《黄土动力学》等3部专著。2007年和2017年分别被表彰为全国地震科技先进个人、全国地震科技创新突出贡献者，多次获“甘肃省先进工作者”“甘肃省科技领军人才”等荣誉称号。

前言

2018年9月6日当地时间3时8分，日本北海道发生6.7级地震，地震引发4000余处滑坡和局部地基液化沉陷，造成44人遇难。9月22日至28日，笔者应邀参加了亚洲岩土自然灾害委员会（ATC3）组织的现场震害科学考察，基于此次考察，本文简要回顾了地震基本情况，介绍了震害分布及其主要特征，对震害形成机理进行了分析，从灾害风险防控角度总结了其带给我们的启示。

地震概况

根据日本气象厅发布，2018年9月6日当地时间3时8分，在日本北海道发生了6.7级地震，震中位置为北纬42.671°，东经141.933°，震源深度35km，最大震度为7度（日本标准）（图1）。这是北海道地震观测史上震度最强的一次地震，记录到的地面最大峰值加速度（PGA）1796.4gal（三分量合成），1591.1gal（垂直向分量），1003.6gal（南北向分量）。根据极震区5个强震台记录的速度反应谱分析结果（图2），追分台和晃毛志台的震动强度不但大于2003年十胜冲8.0级地震强度，而且超过了当地极罕遇地震设防水准。札幌地区的震动强度也超过了当地罕遇地震设防水准，苫小牧和千岁两地的震动强度在0.2～2.0s之间，均超过了当地罕遇地震设防水准。

图1 北海道6.7级地震震度分布图（日本气象厅，2018）

图2 极震区5个强震台记录到的地面运动速度时程反应谱与当地地震设防水准和2003年十胜冲8.0级地震强度的对比 (Susumu Yasuda, 2018)。

本次地震造成44人遇难，32栋房屋完全损坏，18栋部分损坏。人员伤亡和房屋破坏主要由大规模滑坡和地基液化沉降、震陷所致。震后由于发电厂崩溃导致259万户断电，札幌市大面积停电，9月9日北海道地区电力供应基本恢复，但仍达不到震前用电高峰时的需求水平，直到一周后才完全恢复。截至9月10日仍有近8400户居民处于断水状态，2700多人在避难所生活。受地震停电影响，交通短时间暂停，北海道机场、JR铁路、札幌市地铁停运一天后陆续恢复。截至9月9日傍晚，北海道通往本州地区的货运列车恢复运行，当地铁路运营商开通了连接札幌和岛内其他城市的特快列车，距震中不远的新千岁机场国内航线恢复到震前90%水平，国际航线则完全恢复。地震发生后，日本政府组织警察、消防、自卫队及海上保安厅出动近4万人及65架直升机参与搜索及救援。

地震灾害特征与形成机理

在本次地震中，因地震动直接造成的建筑结构破坏和基础设施破坏很少。人员伤亡和房屋破坏主要由成群连片的大规模滑坡和局部场地液化、震陷所造成。因此，本文重点论述地震岩土灾害的特征与机理。

（一）地震滑坡特征与机理

通过现场调查，笔者将此次地震滑坡的特征归纳为七个方面：①滑坡数量和规模巨大。本次地震在相当于我国地震烈度Ⅷ度及以上地区引发了4000多处滑坡，不论是滑坡数量还是滑坡规模，都是日本相似震级地震最大的，主要原因是震前有持续降雨（包括震前一天台风“飞燕”强降雨）与强地震动的耦合作用（图3）。②掩埋村庄和房屋的绝大多数滑坡原始斜坡坡度在15～30°，极少数为30～39°（图4）。这种低角度斜坡在以往地震（如2003年北海道十胜冲8.0级地震）中未发生过成群连片的大规模滑坡。③滑动土体具有较高的含水量，滑坡床位于接近饱和状态的粘质粉砂层。④滑坡土体厚度一般为3～5m，连片滑坡的滑坡床有两种类型，一种滑坡床深度基本一致，另一种滑坡床呈冲沟状，深度起伏变化较大。后者深度较大的冲沟状滑坡床，存在地下水或地下泉水的作用。⑤绝大部分滑坡土体冲出滑坡床，从坡角向前滑动100～400m（图3），这种大规模、长滑距的滑坡在以往地震中较为少见。⑥滑坡没有方向性。虽然连片的滑坡具有一致的方向，但不同地点的滑坡和滑坡群任何方向都有（图3）。⑦滑坡地层岩性为不同时期形成的浮岩雨沉积和浮岩流沉积，从上到下依次为形成于公元1739年、公元1667年和距今2500年、9000年、2万年的浮岩雨沉积，以及其下的浮岩流沉积。浮岩雨沉积的密度很小，一般容重为1.4g/cm3左右，绝大多数滑坡发生在这一地层中。其中，在距今2500年和9000年、距今9000年和2万年的浮岩雨沉积地层之间，各有一层火山粘性土夹层（含有浮岩混合物），滑动面大多位于这两个粘性土夹层中（图5）。

图3 地震引发了4000多处滑坡

图4 富里连片滑坡导致36人遇难（坡高30～50m，坡度25～30°，滑体厚度3～5m，向南滑移距离50～100m）（中央开发株式会社，2018）

图5 北海道6.7级地震滑坡地区典型地层结构

从上述7个特征和震前一个月降雨量数据分析，此次地震发生大规模滑坡的机理为：一方面震前降雨渗入斜坡土体后，使土体抗剪切强度显著降低。另一方面火山粘性土夹层透水性较差，下渗水分在其上表面汇聚，使该夹层表面土体处于高含水状态或近于饱和状态，成为斜坡潜在滑动面。在强地震动的作用下，斜坡土体沿潜在滑动面失稳下滑。由于滑裂面阻抗较小，滑动土体含水量较高，残余强度显著降低，滑动土体在地震动惯性力和重力的联合作用下产生了长距离的滑移。因此，日本北海道大规模地震滑坡的主要影响因素为地震动强度、降雨量和斜坡地层岩性三个方面。

（二）液化、震陷特征及其机理

本次地震液化造成的房屋和道路破坏主要位于札幌市清田区，最严重的液化不均匀沉降发生在清田区一丁目，该街区地基、路基液化沉降区10～20m宽、200m长，最大沉降3m（图6），震前该街区地势自西向东有1.5%～3%的缓坡降，液化沉降严重区并没有喷砂冒水现象。根据冒水出现在街区自西向东150m处、喷砂出现在最东端200m处的现象，以及距该液化区8km的强震台记录-水平向最大峰值地面加速度为99gal，持时20～30s，我们推测，液化沉降严重区的地震动强度应该为200gal左右，相当于我国的Ⅷ度。液化的机理主要是该街区地基土为无粘性砂土，含有大量细砂，具有很高的液化风险。加之地下排水暗渠年久失修，管道接头处渗漏，使地基土处于饱和状态，在地震动作用下，发生液化的砂体沿缓坡降方向流动喷出（图7）。但也有个别日本学者对这一液化机理有不同看法，东京机电大学Susumu Yasuda教授认为，是地震造成地下水管破裂，水管喷漏水进一步冲击地下沙层，使沙层沿缓斜坡下冲流失，最终导致该街区沉降。值得一提的是，2003年北海道十胜冲8.0级地震也曾在该地区农田造成一条35m宽、150m长的液化带和3.5m的地面沉降。但距液化场地10km的强震台记录到的峰值地面加速度只有54gal，说明此类无粘性砂土的液化风险非常高（Takaji Kokusho，2018）。因此，此次液化沉降的主要影响因素为地基土成分、地下水渗漏和地震动强度等。

图6 札幌市清田区液化沉降造成房屋破坏（被鉴定为“危险”）

图7 札幌市清田区地下流沙喷出、堆积现象

震陷造成的房屋和道路破坏主要发生在札幌市清田区清天通街。该街区的地基和路基在2003年北海道十胜冲8.0级地震时曾经发生过液化，当时对地基、路基进行了加固维修处理，因此这次未发生显著液化现象，但是产生了最大30cm的震陷现象。这可能是当时的加固维修处理虽然在一定程度上提高了地基、路基的抗震性能，地基、路基不存在饱和砂层或可液化砂层，但由于此次地震动强度超出了上次加固处理的标准，土体密实度不足，因此地基、路基仍然产生了一定的震陷。其影响因素主要为地基土密实度、土体成分和地震动强度。

尽管本次地震引起的土壤液化和震陷仅限于札幌市的局部街区，但由于液化沉降和震陷造成了许多房屋倾斜、开裂等不同程度的破坏，札幌市“建筑应急危险度判定”实施本部在震后立即对房屋做了调查鉴定。有倒塌或局部塌落风险的房屋被鉴定为“危险（不安全）”房屋，贴红色告知书（图6）；有裂缝但无倒塌和塌落风险的房屋被鉴定为“要注意（有限使用）”房屋，贴黄色告知书；基本完好的房屋被贴绿色告知书“調查済”（已调查），可以继续使用。作者访问期间，被鉴定为“危险”的所有房屋和大部分“要注意”的房屋已无人居住，原居民通过投靠亲友或在避难所暂时生活；相关街区已由执勤警察管制，受损道路和地下管网正在进行应急抢修。

对灾害风险治理的启示

通过此次对北海道6.7级地震震害现场调查，笔者认为对于灾害风险治理，特别是抗震韧性城镇建设具有如下四点启示。

（一）对灾害风险认知不够

日本北海道历史上遭受过多次强震，如2003年十胜冲8.0级地震在北海道也造成了日本震度6度弱的影响，每年8—9月也是降雨较多的季节，但降雨和同级别地震单因素条件下都没有引起过如此大规模的成群连片滑坡。由于没有认识到强震与降雨耦合作用下该地区大规模滑坡的风险，使得这次地震滑坡灾害远远超出预期的防御能力，造成较大的损失。

目前我国也存在这方面的问题，例如，黄土塬和斜坡在大震作用下，由于水的耦合作用（地下水、降雨、农业灌溉和人类活动等造成土体高含水或饱和状态）曾经引发过大范围土体液化并形成1km以上的长距离滑移，造成村庄被掩埋，数百人遇难的悲剧（图8）。但目前对这种耦合作用的机理和风险尚不能完全掌握，更无此类风险的防控对策。灾难性事件一再给我们警示：必须充分认知和识别极端条件下的大规模地震岩土灾害风险，才能避免大规模滑坡、大范围液化滑移和震陷造成灾难。

（二）对相关灾害风险防范的水准不足

日本规范规定，对坡角大于30°的斜坡进行地震稳定性和滑坡危害性评价，且稳定性和滑距按照设防地震动水准判定和避让。而此次北海道地震滑坡造成破坏和伤亡的原始斜坡坡角大多在15～30°，在震前未能对其进行滑坡和滑距风险的评价和设防。

我国目前城镇化建设中，对滑坡风险防范的水准也存在不足。其一，地震地质灾害设防和建（构）筑物抗震设防在目标上不匹配。建（构）筑物设防目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。而斜坡地震稳定评价和滑坡防治大多按照中震设防（基本烈度及相应地震动参数设防），不能确保大震稳定。即使建（构）筑物大震不倒，若遇上大震滑坡失稳的情况后果将不堪设想。更何况目前我国已启动建设抗震韧性城市，设防目标将向“中震不坏、大震可修、极罕遇地震不倒”发展，这一不匹配问题将会更加突出。其二，我国还有大量的建筑物和村庄直接建在斜坡之下、大厚度填埋场之上，避让距离不足和地基震害设防不足问题普遍存在（图9）。特别是城镇扩张存在从灾害低风险区域向高风险区域发展的现象，如何加强此类灾害高风险的防范，也是急需研究解决的重大问题。

图8 2013年甘肃岷山漳县6.6级地震引发永光村黄土滑坡

图9 新建项目存在由灾害风险低的区域向高风险区域扩展的现象

（三）生命线工程应急预案应从可操作性出发强化实战演练

这次地震造成北海道电力短时间中断，显示出生命线工程对现代城市功能维持的极端重要性。北海道为强震多发区，北海道电力公司震前制订了地震造成供电中断情景下的应急调度方案。方案规定地震造成某地供电中断时，可调度周边发电厂应急供电。但这次地震仍然造成了295万户的大面积供电中断。据日媒报道，北海道电力公司总裁真弓明彦9月6日下午在札幌市总部一楼召开的记者会上称，“这是极其罕见的情况，我们一直认为所有发电站全面停止运转可能性是比较低的。”北海道电力公司认为，导致此次大规模停电的原因是发电量最大的苫东厚真火力发电站（发电能力为165万千瓦，占整个北海道发电量一半以上）在地震发生后停机，电力供需失衡造成连锁效应，致使北海道其他火力发电站也全部停止运转，从而出现电网瘫痪。全部电力恢复花费了一周的时间。这期间引发了一些列衍生问题，例如城市地铁、高速公路、JR铁路等交通暂停，很多加油站停止营业，当天部分人员无法回家，人们手机充电困难等等。日媒在评价此次北海道大停电时指出，如果这次大停电发生在对供暖设施需求量较大的冬季，危害会更大。

从建设抗震韧性城市要求出发，震后生命线工程的正常运转或快速恢复直接关系到城市功能的维持与恢复。因此，震前加强对生命线工程应急预案和快速恢复预案的实战性演练，是确保震后应急技术方案和调度方案能够有效实施的必要措施。

（四）日本抗震韧性城乡建设的经验值得借鉴

日本是一个自然灾害频发的国家，曾经遭受过地震、海啸、洪水、滑坡、泥石流、火山喷发、暴风雪等严重灾害的磨难，同时，也积累了防灾减灾的丰富经验和教训。长期以来日本建立了较为完善的防灾减灾体系，这个体系得到了日本《灾害对策基本法》和《国家全面发展法》《地震防灾对策特别措施法》《地震预知联络会设计法》《抗震对策特别法》《灾害救助法》《水害预防组合法》《治山治水紧急措施法》以及各地各级防灾计划、社区灾害风险图等法律法规和技术规范的全方位保障，特别是综合防灾减灾措施在各类工程建设和各级政府、企业、社区、单位灾害风险管理中得到了较好的贯彻落实，使日本全社会的灾害防御能力有了显著的提升。

上述防灾减灾能力在此次北海道6.7级地震中也再次得到了较好的检验。这次地震虽然是北海道历史上震度最强的一次地震，但不论是城市还是农村，除了极个别房屋外，基本上没有因地震动造成建筑物和工程结构严重破坏的情况。生命线工程和学校、医院、商业、酒店恢复较快，大面积供电在一周内陆续恢复，城市生产、生活受影响时间较短，震后社会秩序井然。公众应对灾害行为成熟，政府组织应急救援规范，部门发布和媒体报道信息及时、专业、权威。这都得益于日本对建筑物、构筑物和设施的高水准抗震设防、社会公众的防灾减灾教育与演练、灾后信息的及时专业权威发布和灾前、灾时、灾后依法有序规范的灾害风险管理机制。这些方面的经验值得我国在建设抗震韧性城市时借鉴。

在建筑物和一般工程抗震设防目标上，日本的抗震设计要求“中震不坏、大震不倒”，其建筑标准法规规定了两个设防水准，第一水准为中等强度地震，第二水准为强烈地震。日本规范要求在中等地震强度地震作用下建筑物几乎不发生破坏；强烈地震作用下结构不倒塌或不产生导致人员伤亡的破坏。这次地震中城乡建筑物的抗震能力得到了检验，调查仅发现在地震地面运动峰值加速度达到670gal，日本震度为6度强的震中区安平町，有一栋房子屋顶滑落，一栋建筑物的外墙局部塌落（图10）。因此，我国应研究将城镇建筑物抗震设防目标调整为“中震不坏、大震可修、极罕遇地震不倒”的可行性，为建设抗震韧性城市奠定必要的工程基础。

图10 北海道6.7级地震安平町因地震动破坏的房屋（PGA=670gal, 震中区）

结论

此次日本北海道6.7级地震，震中烈度达到了日本震度的最高值7度，是该地区历史上强度最大的一次地震。由于震前一个月持续降雨和震前一天台风暴雨，使强烈的地震动与降雨对斜坡土体强度削弱作用相耦合，从而引发了大规模滑坡，造成村庄房屋被埋，44人遇难。札幌市局部地区出现地基、路基液化和震陷，造成部分房屋倾斜、开裂破坏。地震造成了短时间大面积供电中断，衍生影响了地铁、铁路、高速公路等交通和城乡居民生产、生活，但所有影响随着供电较快恢复而消除。

对本次地震震害特征和机理的调查结果启示我们，我国建设抗震韧性城乡必须贯彻落实习近平总书记“坚持以人民为中心的发展思想，坚持以防为主、防抗救相结合”等一系列防灾减灾的指导方针，研究“中震不坏、大震可修、巨震不倒”的抗震设防目标实施的可行性和技术方案，显著提升我国建筑物和各类工程的抗震能力，大幅度降低地震造成的人员伤亡。在地震次生灾害与灾害链风险识别上应考虑大震（罕遇地震）和巨震 （极罕遇地震）作用的情景；在地震地质灾害风险防范水准上应考虑大震与多种致灾因素耦合作用的极端条件，使地震地质灾害防范水准和建设工程抗震设防水准相匹配。在生命线工程地震应急预案和社区防震减灾综合方案编制上应从实战出发，强化演练，不断完善，增强可操作性，确保地震发生前和发生时预案相关内容都能够得到有效实施。

致谢：本次赴日本北海道6.7级地震灾害现场应急考察，得到了中国地震局领导和国际合作司的大力支持，及时办理应急审批和协调加急签证，甘肃省地震局领导和外办高效协助办理相关手续，使笔者能按时参加国际组织邀请的联合震害考察，获取了珍贵的现场震害第一手资料。亚洲岩土自然灾害技术委员会（ATC3）主席Mitsu Okamura教授邀请笔者参加联合现场考察，国际地震岩土工程协会前主席Takaji Kokusho教授在东京专门召开交流会介绍前期现场震害调查结果，东京大学Ikuo Towhata教授、东京机电大学Susumu Yasuda教授为笔者提供了相关资料，日本中央开发株式会社为现场调查提供了大力协助，在此一并表示衷心的感谢！