地震和场地条件对城市破坏的分析及减灾途径

赵鑫龙，薄景山,，李琪，齐文浩

1.防灾科技学院，河北 三河 065201；2.中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室，河北 三河 065201；3.中国地震局工程力学研究所/中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080

0 引言

地震是地球释放能量的一种方式[1]。地震发生时会产生地面的振动，强烈的振动会造成水库溃坝、山体垮塌、地表破裂、砂土液化、软土震陷以及地面沉降等，由此形成地震灾害。地震灾害具有突发性强、破坏性大、成灾范围广、社会影响深、防御难度大、次生灾害严重等特点，为群灾之首[2]。

中国城市面临地震灾害的潜在危险十分严重。城市由于具有人口密集、建筑林立、基础设施遍布、财富集中和功能多元的特点，地震一旦发生往往产生巨大灾难，损失极为惨重。对此，相关学者分析了地震对城市造成的影响及应对措施[3-12]，吴新燕[13]基于“地震风险分析评价”理论提出了城市地震应急评价框架，孙海[14]提出了基于模式识别的城市自然灾害界定方法，王亚伟[7]建立了城市重大基础设施抗震评价体系。在城市现代化建设和可持续发展战略的制定和实施中，必须考虑地震的影响。由于城市坐落在不同的地貌单元上，因此，城市所遭受的地震灾害和地质灾害的形成与城市所在的场地条件密切相关。为了减轻地震灾害对城市的影响，本文在前人研究的基础上分析了我国城市面临的地震风险，利用城市震害资料总结了地震对城市的破坏作用和场地条件对城市震害的影响，提出了减轻城市地震灾害的途径。

1 中国城市面临的地震风险

从全球地震分布特征来看，我国位于欧亚地震带和环太平洋地震带的交汇部位，是世界上地震灾害最严重的国家之一[15]。地震会造成巨大的人员伤亡和经济损失，对人民生命财产安全和经济社会发展构成了严重地威胁。

由于特殊的地理分布、地质条件和经济发展的原因，中国不是世界上地震最多的国家，但却是世界上地震灾害最严重的国家之一[16]。据1900年的以来的统计资料[17]，中国平均每年地震死亡和失踪的人数约占自然灾害死亡和失踪人数的一半以上；地震灾害每年造成的直接经济损失约占各种自然灾害造成经济损失的15%左右。近百年来地震资料的统计[17]表明：中国平均每年发生20次5级以上的地震，平均每5年左右就会发生1次7.5级以上的地震，平均每10年左右就会发生1次8级以上的地震。中国地震动参数区划图[18]显示，中国地震动峰值加速度为0.1g(相当于地震5级)及以上的地区占国土面积的58%；地震动峰值加速度为0.2g(相当于地震震级6级)及以上地区占国土面积的18%。我国50%以上的城市和70%百万人口以上的城市位于地震动峰值加速度0.1g及以上的高烈度区[19]；在包括台北、香港和澳门在内的34个省会级大城市中，位于地震动峰值加速度0.1g及以上的城市有28座，约占城市总数的82%，位于0.2g及以上的城市有12座，约占城市总数的35%[18]。我国的城市也屡遭地震的严重破坏，例如，1976年7月28日在我国河北唐山发生了震级为7.8级的大地震，震中烈度为Ⅺ度[19]。人口稠密的唐山市是经济发达的工业城市，地震造成的损失极为惨重。这次地震有242 769人遇难，重伤16.46万人，截瘫者3 817人，孤儿4 204人，轻伤需治疗者达36万之多，经济损失约100亿人民币，举世震惊[19]。地震有感范围波及辽、晋、豫、鲁、内蒙等14个省、市、自治区，破坏范围半径约250 km，天津市也遭到Ⅷ至Ⅸ度的破坏[19]。震后吸取设防、预报、抗震、救灾诸多方面的经验教训，我国全面加强抗震设防，城市防震减灾工作进入了新阶段。2008年5月12日发生在我国四川汶川的8.0级特大地震，产生大规模严重地质灾害和城镇破坏，北川县造成69 227人遇难，失踪17 923人，受伤374 643人[20]。这次地震是中华人民共和国成立以来破坏力最大、受灾最严重、波及面最广、救灾难度最大的地震，也是继唐山大地震后伤亡最严重的一次地震[20]。汶川地震是对我国防震减灾工作的全面检验，相较于唐山地震，采取了许多积极应对的有效措施，表明我国具备了一定的抗御地震灾害能力。但我们仍要重视应对极罕见的特大地震，需要进一步提高抗御大震的综合实力。国务院批准自2009年起，以汶川地震5月12日为全国“防灾减灾日”[20]。

我国58%以上国土面积处在基本烈度7度及以上的地震高风险区[19]，许多大城市、重大生命线工程位于潜在强震区域[21]，人、财、物高度集中，地震灾害风险不断加大；一些城市的地震高风险、农村不设防的状况依然存在，城市和乡村“小震致灾、中震大灾、大震巨灾”的状况仍没有根本改变[22]，全面提高城市地震灾害综合防范能力任重道远，做好城市防震减灾工作的挑战前所未有。

2 地震对城市的破坏作用和影响

分析和总结全球历次破坏性地震的震害[23]，本文将破坏性地震对城市的破坏作用和影响主要归纳为7个方面。

(1)强烈的地面运动产生的惯性力毁坏建筑和基础设施。城市地震灾害的重要特征之一是大量损毁未达到抗震设防要求的建筑物和基础设施,使城市陷于瘫痪。1906年，美国旧金山特大地震将一座以钢筋混凝土建造为主的城市毁于一旦[23]。1923年，日本关东大地震造成了东京都30余万栋建筑被毁坏，港口、码头和道路几乎全部因震损而停用[23]。在1976年中国的唐山大地震中，唐山市的民用建筑和公用建筑遭到严重破坏和倒塌的分别占95.53%和81.08%，基础设施几乎全部瘫痪[23]。2008年中国四川汶川特大地震中，极重灾区城镇居民住房倒塌和严重破坏的房屋达2 064.83×104m2，其中北川县城曲山镇老城区80%、新城区60%以上的建筑物被震毁，县城内的交通、电力、通讯、供水、供气、广播电视等基础设施全部受损，整个城市几乎全部陷入瘫痪状态,360余家中小企业资产损失严重[20]。地震甚至毁掉了古代文明，如：埃及的大金字塔、巴比伦的空中花园、亚历山大灯塔、阿特米斯庙、土耳其里亚王陵、阿波罗青铜巨像、奥林匹亚宙斯雕像等古代的建筑奇迹都毁于地震灾害[1]。

(2)强震可使城市建筑物和基础设施的地基失效而丧失使用功能。强烈的地震有时会产生地面倾斜、砂土液化、软土震陷、地面沉降和地表破裂等地震地质现象，这些现象使其丧失使用功能或被毁坏，造成重大损失。

(3)地震造成重大的人员伤亡和经济损失。根据公元前2222年至公元2019年全球著名破坏性地震资料[11]的统计，全球因地震死亡的人数高达500余万，1900年来因地震死亡人数近240万。尽管历史地震人员死亡的估计存在较大的误差，但这些数字也足以令人震惊；经济损失的粗略估计也高达数千亿美元[24]。迄今为止，1556年中国陕西华县特大地震以死亡83万人而成为世界有史以来的地震死亡人数之最[25]；2008年中国四川汶川特大地震以8 523.09亿元人民币的经济损失而无可争议地列为全球地震经济损失之首[20]。

(4)严重破坏城市的生态环境和自然资源。强烈地震会引发地面喷砂冒水、山体滑坡，对生态环境和自然资源造成严重破坏。汶川特大地震使四川灾区17个县(市)的地表覆盖植被毁坏高达1 356.63 km2，造成了严重的水土流失和资源破坏[20]。震后的9月23日北川老县城遭受泥石流，汹涌的泥石流狂泻而下，将大半个县城吞没，造成了无法挽回的损失[20]。

(5)破坏性地震使城市社会管理面临巨大的压力和挑战。强烈的破坏性地震会使一座城市在短时间内处于混乱无序状态，交通和通讯暂时中断，服务业暂时瘫痪，商品供应短缺，居民生活面临困难，社会处于不稳定状态。破坏性地震发生后，短时间内需要救治伤员、安置灾民、调配救灾物资、调集救灾力量。城市各级政府面临着地震应急和社会管理的巨大压力和挑战[26]。

(6)对居民造成严重的心理创伤。地震给人类造成的伤害不仅是物质的，还有精神上的伤害[27]，破坏性地震使灾民在短时间内改变了正常的生活状态，家庭破散、骨肉分离，对人民心理伤害巨大，同时，震后的家庭重组、财产处置、伤残者的抚恤和地震孤儿的抚养教育等都构成了地震之后特殊的城市社会问题，对城市的发展都会产生重要的影响。

(7)地震对城市的可持续发展影响巨大。地震对城市的影响表现在政治、经济、社会、环境和人文等多个方面。恢复重建需要时间、人力、物力和财力，如果不能有效地抗御地震的冲击和干扰，对城市的可持续发展会带来致命的影响。地震毁灭城市的事例不胜枚举，也可造成城市的发展长期萎靡不振[28]。

可以看出，地震对城市的破坏作用是来自于地震惯性力和地基失效，破坏性地震产生的惯性力会直接摧毁城市，其次是地基失效所造成上部建筑的破坏。除此之外，地震引发的次生灾害也会对城市建筑物造成严重威胁,由此产生一系列的影响是十分严重的，对此，我们需要提高城市的建筑物和基础设施的抗震能力，要满足设防烈度的要求，尽可能减少地震带来的影响。

3 地震对场地条件的影响

城市的场地条件通常指城市范围内场地的工程地质条件，主要包括地形地貌条件、岩土类型及工程地质性质、地质构造和区域地壳稳定性、水文地质条件、物理地质条件以及天然建筑材料等。从防灾的角度看，城市场地条件对城市安全的影响主要体现在包括地震地质灾害对城市的影响。城市地震地质灾害主要包括滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降、海水倒灌、场地砂土液化和软土震陷、地表破裂等现象。这些现象对城市的安全往往都造成严重的威胁，地震引起的滑坡、崩塌、砂土液化、软土震陷和地表破裂等灾害对城市的危害更大，这些灾害的形成与场地条件密切相关。场地条件在城市规划选址和城市防灾减灾能力评价中受到高度的关注。

19世纪末至20世纪初全球一系列特大地震的发生，推动了结构抗震理论的发展和场地条件对震害影响的研究[29]。尽管早在1891年日本浓尾8.0级地震中，日本学者就已注意到了地震滑坡和地表破坏对震害的影响，但场地条件对地震动和震害影响的系统研究始于美国学者Wood[30]对1906年旧金山特大地震的震害调查，他开启了这方面的研究工作，给出了震害的差别与场地条件相关的重要结论。中国学者翁文灏[31]等在考察1920年海原特大地震时，也注意到了黄土的厚度、地形和地质构造等场地条件对震害的影响，这是中国在场地条件对震害影响最早的调查研究成果。一百多年来，这一领域取得了丰富的研究成果，极大地推动了工程抗震研究的发展。周锡元[32]、胡聿贤等[33]、薄景山等[34]先后开展这一领域的研究工作，取得了一些成果。工程地质条件对城市震害的影响主要表现在以下5个方面：

(1)地形地貌的影响。关于地形地貌对城市震害的影响比较统一的认识是，局部不规则地形的顶部较底部对地震动的放大效应强烈、地震动强度大、震害严重；形态变化急剧的部位较缓慢渐变的地震动大，震害严重，这些部位在场地选择时，应尽量避开。强震资料[19]显示，局部地形的影响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获得的强震资料[35-37]的分析也证实了山顶对地震动有放大作用；理论分析给出的结果与震害调查和强震观测的结果基本一致[38-39]。

(2)岩土类型及工程地质性质的影响。岩土类型和工程地质性质对城市震害有显著的影响，震害调查和强震观测资料[40-41]表明，土层场地较基岩场地的放大作用明显，通常覆盖土层地表峰值加速度是其之下基岩的1～10倍，多数在2～4倍；建在坚硬地基上的建筑物一般震害较轻，建在软弱地基上的建筑物一般震害较重，据统计，唐山大地震14个多层砖房小区的平均倒塌率为60%，但大城山小区为坚硬的基岩地基，其倒塌率仅为10%[40-41]，软弱土层反应谱的特征周期较坚硬土层的大，在不同类型的岩土之上的地基对不同的结构会产生选择性的破坏。覆盖层厚度对场地的地震动和震害的影响可以概括为:覆盖土层越厚，地表反应谱长周期的成分愈显著，反应谱曲线及其峰值愈向后移，标准反应谱的特征周期越大[42]，土体的自振周期也随之增大[43]。也就是说，覆盖层厚度对城市建筑物和基础设施的选择性破坏作用显著，建在厚土层上的中、长周期的建筑物破坏严重。软弱夹层对地震动的影响备受学术界关注，学者们从不同的角度对其开展了深入的研究工作[44-52]。目前总体的认识可归纳为：相同地震动输入下，软弱夹层埋藏越深，厚度越大，计算得到的地表峰值加速度越小，规准后的反应谱的特征周期越大；当软弱夹层厚度小于0.1 m时，对地表地震动的影响几乎可以忽略。当一定厚度的软弱夹层位于土层剖面底部时，通常起到隔震作用；位于顶部时一般对地震动的放大效应显著，同时，软弱夹层对地震动的输入比较敏感，非线性反应强烈[44-52]。不过这些理论上的认识还有待实验和强震观测的进一步证实。

(3)地质构造的影响。城市震害调查资料[53]显示，地表断裂带结构上的建筑破坏无一幸免，断层的地表错动可谓无坚不摧。断层上盘的震害通常重于下盘的震害，震害严重的区域常分布在断层两侧数十米范围内，远离这一区域的震害逐步减轻。此外，发震断层还可能诱发滑坡、崩塌等物理地质现象并产生次生灾害。薄景山等[54]利用震级、震源深度、断层性质和覆盖层厚度等参数，采用逻辑回归分析，给出了强震地表破坏的预测方法，该方法经随机检验成功率可大于87%。覆盖层的厚度是决定地表破坏的重要因素，王钟琦等[55]根据通海、炉霍、海城地震的调查认为，产生地表破裂的覆盖层最大厚度不超过50 m，基岩的错动位移为2～3 m。由断层蠕动而产生地表破裂的覆盖层的临界厚度为30～50 m[56]。这说明当基岩的错位量不超过3 m时，覆盖厚度深度在50 m以上的场地不易出现地表破裂。

(4)地下水的影响。关于地下水对震害的影响，震害调查资料[57]显示的结果是，地下水位埋藏越浅，震害越重。在早期的烈度评定中，需要利用场地条件对烈度进行调整，地下水埋深是一个重要指标。

(5)地质灾害的影响。强烈地震常触发大量的滑坡和崩塌，我国1920年的海原特大地震[58]、2008年的汶川特大地震[59]都触发了大量的山体滑坡和崩塌，他们常掩埋或冲毁房屋和其他工程设施，堵塞或毁坏公路，壅堵河道形成堰塞湖，造成严重的灾难。砂土液化和软土震陷是城市常见的地震地质灾害，他们常使地基失效，地面沉降。流滑、侧移、液化伴生的喷砂冒水常毁坏农田和公路等基础设施，王亮[60]对砂土液化的研究现状进行了较为全面的总结。廖振鹏[61]在分析我国震害调查结果的基础上认为，在地震破坏数以万计的建筑物中，因地基失效而招致上部结构破坏的比例较小；地基失效主要造成经济损失，一般不造成严重的人员伤亡。砂土液化、软土震陷以及地基永久变形的工程评价方法比较成熟，并且这些现象多发生在地面以下20 m以内，采取适当的工程措施和地基处理方法完全可以避免，不影响工程建设。

综上所述，城市的场地条件对城市震害影响较大，通常山区城市地形复杂，地质灾害发育，地震亦触发大量的地质灾害，除崩塌、滑坡和地表破裂外，还易产生泥石流的灾害，对城市的威胁较大；平原城市一般地形比较平坦，通常覆盖层的厚度较大，不易出现地表破裂，但砂土液化和软土震陷等地震地质灾害比较常见，易造成地基失效等灾害。因此，在城市选址和建设时要考虑场地条件对城市震害的影响，尽量选择对抗震有利的地段，避开不利的地段。可能对城市构成威胁的地质灾害要开展风险排查，加强治理，降低城市风险，保证城市安全。

4 城市地震灾害的成因分析

大量震例表明，城市的地震灾害主要源于建筑物和各类基础设施的破坏、地震次生灾害以及震时和震后的社会管理薄弱等方面。除了地球震动这一无法抗拒的客观原因外，产生地震灾害的主要原因可简要归纳为以下3个方面：

(1)城市的建筑物和各类基础设施的抗震防设防标准过低或设计不合理，抗震能力不强。郭迅等[62]将其概括为建筑结构上的“散、脆、偏、单”，并称其为设计上的“人为失当”。消除这类问题的工程措施是开展既有建筑的抗震性能排查与鉴定，又有对未达到现行规范规定的抗震设防标准的房屋进行抗震加固。同时，要进一步加强抗震设计及其有关领域的科学研究，汲取震害教训，不断提高建筑物的抗震设计水平。

(2)城市选址和建设的场地选择不利，没有避开断裂活动带、崩塌、滑坡、泥石流、砂土液化、软土震陷等地震地质灾害发育的抗震不利地段，场地抗震的适宜性评价不够充分或被忽略，场地和地基的处理不到位。这可以称为场地选择的“人为失误”[23]。

(3)城市抵御地震灾害的准备不足，政府和公众防震减灾的意识不强，资金投入不足，防震减灾知识宣传不够[63]。

分析地震资料不难看出，中国不是世界上发生地震次数最多的国家，但地震灾害最为严重。究其主要原因，一是全球的地震大多发生在海洋[64]，对人类构成灾害的主要是发生在大陆的地震，中国的陆地面积仅为全球的1/14，但中国大陆发生的地震却占全球大陆地震的1/4到1/3，并且强度较大[65]；二是建筑质量和发达国家相比，普遍较差，在20世纪90年代以前的城市建筑抗震设防标准低，由于经济的原因，建筑质量普遍偏低，农村建筑基本无抗震设防，这是造成灾害严重的重要原因[66]；三是防震减灾的意识不强，灾害的防御意识和发达国家相比，普遍较差，防震减灾知识宣传不够[67]。

综上所述，减轻城市地震灾害需要选择合理的城市建设场地，尽可能避开抗震不利地段，建筑物和各类基础设施的抗震防设防标准要合理，建筑结构上的“散、脆、偏、单”要尽可能克服，在此基础上要做好对地震灾害的应对措施，只有这样才能尽可能减少地震对城市造成的影响。

5 减轻城市地震灾害的途径

日本作为地震频发的国家，在地震防御方面处于世界先进水平，为了借鉴日本的经验，笔者搜集了日本近几年来地震防御措施，见表1。

表1 中国和日本地震防御数据统计

城市的地震安全对社会的经济发展和保护人民生命财产安全至关重要。在总结城市震害经验的基础上，本文提出了7条减轻城市地震灾害的途径。

(1)在城市规划和建设时，建筑物和基础设施应尽量选择对抗震有利的场地，避开对抗震不利和危险地段以及地震高危区域。严格执行我国建筑抗震设计规范[72]，场地的选择对减轻城市地震灾害有重要作用，选择对抗震有利的场地是减轻城市地震灾害的途径。

(2)要确定合理的城市抗震防灾标准，确保工程质量，提高建筑物和基础设施的抗震能力以及城市的综合防灾能力。严格执行我国城市综合防灾规划标准[73]，防御目标和设防标准是城市防灾的最低要求，它受社会经济发展水平的制约，在社会经济不断发展的城市可适度提高防御目标和设防标准。同时要采取有力措施保证工程质量，这是提高建筑物和基础设施抗震能力的重要措施。

(3)对尚未达到抗震设防要求的既有建筑物和基础设施进行抗震加固。在结构抗震鉴定的基础上，筛选出未达到抗震设防要求的既有建筑物和基础设施，对其采取加固措施，认真落实国家自然灾害防治九大重点工程中的 “地震易发区房屋设施加固工程”。对进一步提高城市和建筑物的抗震防灾能力有重要作用。

(4)开展城市地震地质灾害风险排查，采取措施管控风险，减低城市的地震风险。对城市所在区域可能存在的崩塌、滑坡、泥石流、砂土液化、软土震陷和地面沉降的地质灾害按国家有关要求进行全面调查和评估，对可能威胁城市安全的地质灾害开展防治工作，防治消除隐患。

(5)采用先进的城市规划和建设理念，加强韧性城市建设，提高城市的防灾能力和可持续发展的潜力。韧性城市的理念源于联合国倡导的国际减灾行动计划，是全球政治、经济、社会、防灾减灾以及城市规划发展的产物。其产生的背景主要有全球经济发展和社会变化的挑战，气候、地震灾害、地质灾害和生态恶化导致城市突发事件增多等因素的影响。城市发展的不确定性突出，已成为世界各国普遍关注的问题，由这种不确定引发的城市问题迫切需要通过科学的城市规划和建设来规避。韧性城市理念的孕育和产生是城市在漫长的发展历史中逐步产生和形成的城市公共安全治理和防灾减灾的重要途径和全新的理念。

(6)加强城市的综合防灾规划，通过合理的城市规划来规避城市的地震灾害。城市综合防灾规划是为了建立健全城市防灾体系，开展城市综合防灾部署所编制的城市规划中的防灾规划和城市综合防灾专项规划。其中，关于防震减灾规划的内容也是我国防震减灾法要求的内容。这一规划的核心是确定城市灾害综合防御目标和防御标准，通过建筑物和基础设施的合理布局来减轻城市面临自然灾害的风险，综合防灾规划是减轻城市地震灾害风险的一条重要途径。

(7)加强防灾减灾知识宣传，使广大市民掌握一定的防灾减灾知识，充分认识防灾减灾的重大意义，提高公众的防灾减灾意识，并积极主动地参与城市的防灾减灾工作，在灾害发生时通过广大市民的努力，达到尽量控制灾害的范围、规模和影响的效果。同时倡导社会组织和公众参与地震保险，转移和分散地震风险，减轻城市地震灾害给政府带来的巨大财政压力。

6 结语

城市是人类活动的重要空间和人类文明的重要载体，也是经济和社会发展的核心支柱和社会集体成就的最终体现，是人类社会发展的产物。城市具有人口密集、经济发达、基础设施集中的特点，安全和宜居是人类对城市建设的最低要求。在自然灾害中地震对城市的威胁最大。在城市震害中总结经验，分析城市地震灾害的特点和形成的机理，提出减轻城市地震灾害的措施和途径，对城市防灾减灾能力的提升和可持续发展有重要作用。本文分析了城市面临的地震风险，总结了地震对城市和场地条件的影响，主要结论如下：

(1)破坏性地震会直接摧毁城市，需要提高城市的抗震设防能力。

(2)场地条件比较复杂，城市建设需要选择合理的场地，尽量选择对抗震有利的地段，避开不利的地段。可能对城市构成威胁的地质灾害要开展风险排查，加强治理，降低城市风险，保证城市安全。

(3)提出的7条减轻城市地震灾害的途径可以有效地减轻地震对城市的影响。