青海玛多MS7.4地震震害特点分析

殷 翔,李 鑫,马 震,姚生海,盖海龙,徐玮阳

(1.青海省地震局,青海 西宁 810001;2.青海格尔木青藏高原内部地球动力学野外科学观测站,青海 西宁 810001)

0 引言

北京时间2021年5月22日2时4分,在青海省果洛藏族自治州玛多县发生MS7.4地震,震源深度约17 km,极震区烈度为Ⅹ度。地震发生后,青海省地震局迅速成立烈度调查组对本次地震的震害进行了调查。调查结果初步显示,断层错动效应和振动破坏是引起此次地震震害的主要因素。

截至2021年5月28日8时0分,共记录到M3.0以上余震50次,其中5.0～5.9级地震1次,4.0～4.9级地震14次,3.0～3.9级地震35次,最大余震为5月22日10时29分发生的5.1级地震。余震主要呈NWW向分布,震源深度集中在5～17 km。

玛多县地处青海省南部、果洛藏族自治州西北部,属高平原地区,全县平均海拔4 500 m以上,年均气温-4 ℃,全年无四季之分,只有冷暖两季之别,是人类生存环境较恶劣的地区之一。玛多县全县总面积2.53万 km2,下辖2乡2镇,全县总人口1.6万,人口密度为1人/2 km2,是青海省人口最少的县。

此次地震的发震断裂为昆仑山口—江错断裂,断层运动方式主要为左旋走滑,兼具正断分量。该破裂带总体走向NW230°～270°,连续性好,由2条NWW向的剪切破裂左阶羽列组成。破裂带由一系列的挤压鼓包和张裂隙相间排列,张裂隙从十几cm到2～3 m不等,裂缝呈右阶雁列状排列,并显示明显的垂直位错,垂直位错可达约30 cm,并可看到清晰的水平擦痕。断层的活动特性导致跨越断层的建筑物出现了倾斜变形或局部倒塌。

此次地震造成18人受伤,无人员死亡,这主要是由于玛多县地广人稀,村落比较分散。同时地震还造成部分房屋受损毁坏,桥梁倒塌,多条道路被错断。

本文主要介绍此次烈度调查中6个调查点房屋的典型震害及其特点,同时对地震次生灾害进行划分,最后对灾后重建和抗震设防提出建议,以期为今后该地区建筑抗震性能的提高和改善做出贡献。

1 调查点地震加速度和烈度分布

青海玛多7.4级地震发生后,青海省地震局迅速组织人员,在实地调查的基础上编绘了地震烈度图(图1)。此次地震造成地表破裂(已探查)约100 km,最高烈度为Ⅹ度,宏观震中位于玛多县玛查里镇,微观震中位于玛多县黄河乡。Ⅵ度区及以上面积约53 704 km2,烈度圈长轴呈NWW向走向,长轴约381 km,短轴约165 km,共涉及青海省3个市州,7个县,32个乡镇;四川省1个市州,1个县,4个乡。

图1 玛多MS7.4地震烈度分布图Fig.1 Intensity distribution of Maduo MS7.4 earthquake

由图1可见,本文拟重点考察的扎陵湖乡处于Ⅷ度区,黄河乡唐格玛村处于Ⅶ度区,花石峡镇、下大武乡、雪山乡及麻多乡均处于Ⅵ度区。表1列出了这6个考察点在第五代区划图中的烈度值与此次地震中实际烈度的对比。

表1 6个考察点地震烈度对比Table 1 Comparison of seismic intensity at six observation points

通过调查可知,本次地震的一个突出特点就是震级高、伤亡轻,原因是该地区在实施脱贫攻坚、农牧区定居点建设后房屋抗震能力显著提高。由表1可以看出,除扎陵湖乡外,此次地震的实际烈度均未突破第五代区划图的烈度范围。

2 地震断层灾害

2.1 断层错动效应[1]

此次地震中断层错动引发了较大规模的地表破裂和变形,主要表现为拉张裂缝和挤压鼓包;同时对道路、桥梁等公共交通设施产生了巨大影响,特别是野马滩一号、二号桥在此次地震中遭到破坏,造成交通中断,影响了当地后续的抗震救灾任务。图2为此次地震中主断裂错动造成的破坏,主要包括:

图2 主断裂错动造成的破坏Fig.2 Damage caused by main fault dislocation

(1)断裂通过黄河乡境内的道路时,断层错动导致水泥路面发生连续左旋位移,位移量约80 cm[图2(a)];

(2)断层在玛多县内的乡道上形成地震鼓包,高约40 cm[图2(b)];

(3)断裂错动形成拉张裂缝,裂缝宽度约为5 cm[图2(c)];

(4)在黄河乡以西,断裂左旋走滑形成挤压鼓包,鼓包高度约60 cm[图2(d)]。

2.2 断层振动效应[2]

此次地震震中区平均海拔为4 200 m,人口稀少,建筑结构的震害并不突出。相反,由于断层距离几座桥梁桥址特别近,断层振动效应引发的桥梁结构震害非常突出,包括位于G0613西丽高速共玉路段的野马滩大桥上行线落梁17孔,下行线落梁18孔,上下行完全中断;野马滩2号桥下行线落梁7孔,交通中断。此外,昌马河大桥也发生多跨坍塌并导致花久线(花石峡至久治省道)中断。图3为此次地震中断裂振动造成的大桥破坏,主要包括:

图3 断裂振动造成的大桥破坏Fig.3 Bridge damage caused by main fracture

(1)野马滩一号大桥由于断裂振动效应导致桥面整体破坏掉落,所有落梁跨均为南侧落于地面,北侧支撑于桥墩,立面呈斜置状态,部分桥墩产生局部断裂破坏,最南端主梁向北位移导致南侧桥台与主梁伸缩缝张开约0.8 m[图3(a)][3]。

(2)昌马河大桥因振动效应导致部分落梁垮塌,落梁4孔,部分桥墩受损,这也是烈度图中Ⅸ度异常区划分的重要依据[图3(b)]。

3 建筑物震害情况

本次震害调查中6个调查点村镇的房屋结构形式主要有:土木结构、砖木结构、砖混结构和框架建筑,其中砖木结构和砖混结构占房屋总数的80%以上(图4)。本次地震中各结构类型房屋均遭到一定的破坏,下面分别介绍各类建筑的主要震害情况[4]。

图4 房屋结构类型占比图Fig.4 Proportion of house structure types

3.1 土木结构房屋主要震害

土木结构房屋主要为20世纪70年代建造的牧区老旧房屋。此类结构房屋主要为土墙支撑屋盖,其结构破坏主要表现为:Ⅷ度区墙体出现部分倒塌[图5(a)],Ⅶ度区内出现墙体裂缝[图5(b)],门窗洞口角部墙体开裂,纵横墙交接处开裂等。

图5 土木结构房屋破坏情况Fig.5 Damage of civil structure buildings

在调查过程中发现,部分土木结构的房屋虽为20世纪70年代建造,但其建筑结构独特,在传统的土墙与地基中间添加了一层厚度约80～100 cm的片石结构[图5(c)、(d)],该片石结构在地震中可有效减少地震波向上传递,起到隔震垫的作用。同时,该类型的土木结构房屋的墙体底部厚约80 cm,上部约50 cm,因此震害较轻,仅表现为墙体有裂缝、外墙皮掉落等。

3.2 砖木结构房屋的主要震害

砖木结构房屋主要为玉树地震后当地政府统一设计建造的牧民安置点及异地搬迁点房屋。在此次地震中,砖木结构房屋主要震害形式表现为:部分房屋木梁发生断裂,墙体产生斜裂缝[图6(a)],Ⅶ度区内部分墙体酥裂,隔墙局部外闪[图6(b)],Ⅷ度区内有部分房屋倒塌[图6(c)、(d)]。

图6 砖木结构房屋破坏情况Fig.6 Damage of brick and wood structure buildings

3.3 砖混结构房屋的主要震害

砖混结构房屋纵墙、横墙、楼梯间墙体开裂普遍,主要原因是房屋结构基础薄弱,结构整体性不好。在此次地震中,砖混结构房屋的震害在Ⅶ度区表现为墙体轻微开裂[图7(a)],门窗之间及窗间墙均沿灰缝出现水平或竖向裂缝;在Ⅵ度区表现为部分围墙外闪[图7(b)]。

图7 砖混结构房屋破坏情况Fig.7 Damage of brick concrete structure building

3.4 框架结构房屋的主要震害

框架结构房屋的损害主要是填充墙出现大量开裂和破坏[图8(a)],主要原因为:框架填充墙不对称的平面布置造成结构刚心与质心不重合,产生剧烈扭转位移;填充墙沿房屋竖向布置不均匀,导致竖向刚度不连续形成薄弱层,产生过大相对侧移。因此嵌砌于框架中的填充墙平面布置应均匀对称,竖向应连续贯通[5]。

框架结构的砌体填充墙刚度大,但承载能力低,变形能力差,在Ⅶ度区主要表现为框架结构填充墙与主体结构出现竖向裂缝、墙皮掉落等[图8(b)]。

图8 框架结构房屋破坏情况Fig.8 Damage of frame structure buildings

4 地震次生地质灾害

受玛多地震影响,震后6个调查点的次生灾害主要表现为滑坡、地面裂缝、塌陷及喷砂冒水,其中喷砂冒水发育最为广泛,遍布在Ⅶ烈度区内。同时发现了上千条地表裂缝,这些地表破裂的总体走向为280°,连续性较好,表明其是由此次地震引起的,而非滑坡、冻土开裂等其他原因引起[6]。

4.1 山体滑坡

在灾害损失调查的过程中发现雪山乡西北有一处滑坡灾害隐患点,距离此次震中约123 km。本次地震产生的强烈振动导致此潜在滑坡体的后缘发生多处开裂[图9(a)],最大裂缝长约10 m,宽18 cm,深20 cm[图9(b)]。初步测量后认为该潜在滑坡体长约450 m,宽247 m,滑坡面约47°,属于陡倾坡。

图9 雪山乡滑坡裂缝Fig.9 Landslide cracks in Xueshan Town

4.2 地表裂缝

野外调查中发现多处塌陷坑群,主要是由于此次地震产生的强烈震动导致地层崩塌陷落所致[图10(a)]。在塌陷开裂向下约1 m处可见冻土层发育,本次地震导致冻土层之上的地层发生整体滑移,并在地层后缘形成高约40 cm的陡坎[图10(b)]。

图10 地面裂缝Fig.10 Ground fissures

同时在沿断层方向发现了大量地裂缝,主要发育在河漫滩或阶地上。这些地裂缝的走向多样,形状均以平直为主,但也有不少弯曲发育,并且有部分沿河岸斜坡或公路路肩发育,说明地裂缝有多种成因。这些地裂缝有部分可能是由于冻土作用产生的,但大多数是本次地震造成的。据现场调查,地裂缝的最小宽度约1～3 cm,最大宽度可达20～30 cm。

4.3 地震砂土液化

此次调查中发现砂土液化主要分布于滩涂与河谷地区,其中昌马河大桥附近液化点距离震中约100 km。砂土液化主要表现为喷砂冒水孔,此次地震后发现液化喷砂孔密集分布[图11(a)],多为圆形或椭圆形,包括串珠状喷砂冒水孔[图11(b)]、孤立的喷砂冒水孔、散布的喷砂冒水孔、层叠喷砂冒水孔等形式。该地区最大喷砂冒水沙坑的直径约1.8 m,喷砂影响区域地下水位高,地下水接近地表。值得注意的是,本次地震液化区域海拔在4 000 m以上,属罕见的高原区液化,震区内主要工程破坏与区域震害皆伴生大范围地震液化现象,是有研究记录以来平均海拔最高的地震液化致灾事件。

图11 喷砂冒水(Ⅹ度区)Fig.11 Water gushing and sand blasting (Ⅹ-degree area)

5 结论及建议

此次地震造成的房屋损失主要是因为牧区老旧建筑大多未经过抗震设计。2010年玉树地震后当地牧民的异地安置房均由政府统一设计施工,质量良好,且本次地震造成的最高烈度区比设防烈度只高出一度,因此震害情况相对较轻。通过对震区震害的调查及原因分析,可以得出以下几点结论和建议:

(1)建筑抗震设计是保证房屋抗震能力的基础;调查表明本次震害调查点设防烈度与实际烈度相近或略高,因此严格保证抗震设计和施工质量的建筑,基本都能达到”小震不坏,中震可修,大震不倒”的目标。

(2)断裂的错动效应是建筑物震害最主要的原因,跨越断裂带的建筑物几乎完全倒塌毁坏,因此做好活动断层的排查工作是重中之重;

(3)地震引发的崩塌、滑坡等次生灾害造成的破坏远大于地震直接造成的损失,而山区地形对地震作用的放大效应也加剧了震灾,因此要高度重视次生灾害带来的影响,加强地震地质灾害的排查与防治;

(4)本次地震震区内主要桥梁破坏均伴生显著的砂土液化现象,因此查明液化致灾机理,提出防治措施,可以进一步防范此类次生灾害所产生的建筑结构失稳等破坏形式。

(5)建议对高烈度区新建房屋的抗震设计进行严格审查,同时取消某些结构类型的自用房。此次调查中发现砖木结构、砖混结构在灾区内较为常见,而采用这两种结构的房屋在Ⅵ度、Ⅶ度甚至Ⅷ度区范围内的墙体倒塌现象较少,房屋整体结构较完整,仅局部产生裂缝,因此对于这种抗震性能较好的结构体系应大力宣传普及。