九寨溝7.0級地震甲蕃古城震害特征研究

洪海春 李曙光 彭小波 鄢兆倫

江蘇省地震局，南京市衛(wèi)崗3號 210014

0 引言

2017年8月 8日 21時 19分，四川省九寨溝縣（33.20°N，103.82°E）發(fā)生 7.0級地震，震源深度20km。截至8月13日20時，此次地震共造成25人遇難，525人受傷，6人失聯(lián)。同時，還造成山體滑坡、崩塌及建（構(gòu)）筑物不同程度受損，災(zāi)情涉及四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣、若爾蓋縣、紅原縣、松潘縣及綿陽市平武縣和甘肅省隴南市文縣及甘南藏族自治州舟曲縣、迭部縣。筆者在震后奔赴九寨溝地震災(zāi)區(qū)開展地震現(xiàn)場的烈度調(diào)查和震災(zāi)評估等工作。

甲蕃古城（33.244°N，103.741°E）坐落在九寨天堂甘海子風(fēng)景區(qū)，為原生態(tài)藏羌建筑，其充分保留了藏羌建筑自然主義的樸素思想，以藏羌文化為底蘊，人文風(fēng)情為主題，融合了藏羌?xì)v史、人文、宗教等多種特色民俗文化元素。當(dāng)?shù)卣畬邹懦堑谋Ｗo(hù)秉持發(fā)掘、整理、收藏的理念，努力全面恢復(fù)當(dāng)年松贊干布在甘海子駐軍的古城原貌，現(xiàn)有的建筑形式為遺址整理，保護(hù)工作力求在“殘破”中設(shè)置現(xiàn)代實用功能。甲蕃古城的建筑物主要由3大部分組成，即藏寨群落、大劇院、博物館群等。建筑物外墻裝飾全部采用當(dāng)?shù)仄?，重現(xiàn)當(dāng)年街景、建筑、店鋪、寺廟、宗教活動等的盛況。游客可從中領(lǐng)略到藏羌人民高超的建筑藝術(shù)和深厚的文化底蘊。九寨溝7.0級地震使甲蕃古城的部分房屋建筑遭到破壞，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。

本文基于地震現(xiàn)場震害調(diào)查，研究甲蕃古城及其周邊出現(xiàn)的崩塌和滑坡、玻璃窗墻體的破損和局部倒塌、片石砌體結(jié)構(gòu)房屋倒塌、房屋開裂破壞等典型震害特征，分析了鞭梢效應(yīng)等，探討了房屋建筑抗震設(shè)計的加固方法及改善抗震性能的構(gòu)造措施和Ⅷ度區(qū)的烈度評定方法及依據(jù)等，以期為農(nóng)村民居的抗震設(shè)防、減輕震害損失以及烈度評定等提供參考。

1 地震現(xiàn)場震害調(diào)查

中國地震局現(xiàn)場工作隊依照《地震現(xiàn)場工作：調(diào)查規(guī)范》（GB/T 18208.3-2011）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2011）、《中國地震烈度表》（GB/T 17742-2008）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2008），通過災(zāi)區(qū)震害調(diào)查、強(qiáng)震動觀測記錄分析、遙感航空影像震害解譯等工作，確定了此次地震的烈度分布。此次地震的最大烈度為Ⅸ度，等震線長軸總體呈 NNW走向（http：//www.cea.gov.cn/publish/dizhenj/464/478/20170812-211337414565961/index.html）。九寨溝7.0級地震主要震害特點為：震中區(qū)破壞強(qiáng)烈，影響范圍較大，極震區(qū)相對集中，主要分布于九寨溝縣漳扎鎮(zhèn)，面積139km2。根據(jù)九寨溝7.0級地震烈度圖可知，極震區(qū)呈橢圓形，長軸約 18km，短軸約 10km，宏觀震中（33.24°N，103.86°E）位于微觀震中（33.20°N，103.82°E）的東北側(cè)約 40°方向，與微觀震中的直線距離約為6km。甲蕃古城則位于宏觀震中的正西約10km處，地震現(xiàn)場災(zāi)評小組評定及專家鑒定認(rèn)為，甲蕃古城總體的損失相對嚴(yán)重。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）（中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2015），九寨溝縣漳扎鎮(zhèn)的抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計基本地震動峰值加速度為0.20g，設(shè)計地震分組為第3組。工程地質(zhì)資料顯示，此次地震受災(zāi)區(qū)域的覆蓋土層很薄，其場地卓越周期接近于片石砌體結(jié)構(gòu)和2～3層磚混結(jié)構(gòu)房屋建筑的自振周期，這致使房屋晃動很劇烈，出現(xiàn)倒塌開裂、錯位和大量貫穿型“X”形裂縫（洪海春等，2013b），大多數(shù)片石砌體結(jié)構(gòu)房屋建筑的破損程度屬于毀壞，經(jīng)濟(jì)損失較大。周邊山體多處出現(xiàn)崩塌和滑坡，但地震裂縫、地震塌陷（形成陷坑、溶洞陷落）、砂土液化等地表變形或破壞現(xiàn)象均未明顯出現(xiàn)。

1.1 崩塌和滑坡

甲蕃古城所處地區(qū)發(fā)育有砂巖、板巖、碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖、火山巖、凝灰?guī)r等組成的地層，巖性比較復(fù)雜。在地震力觸發(fā)作用下，硬巖地層中通常發(fā)生的是崩塌類型的災(zāi)害，而軟巖地層中通常以滑坡居多。當(dāng)斷裂兩側(cè)的巖石力學(xué)性質(zhì)差別較大，地形、地貌差異顯著時，地震觸發(fā)產(chǎn)生的大量山體滑坡、基巖崩塌以及滾石崩落等是造成地震地質(zhì)災(zāi)害比較嚴(yán)重的主要原因（洪海春等，2013a）。崩塌和滑坡會造成道路損毀阻塞、植被破壞、汽車被砸壞等，是典型的地震地質(zhì)災(zāi)害。

因此，巖石在地表受到風(fēng)化、降雨等外力作用，會產(chǎn)生裂隙或變得松軟，地震則是產(chǎn)生崩塌和滑坡的誘因。地震地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的前提條件是需要有長期地質(zhì)變化的積累。當(dāng)山體、巖層情況穩(wěn)定，而地震的能量又不足以影響地質(zhì)情況發(fā)生變化時，地震后也可能不會發(fā)生大規(guī)模的崩塌和滑坡等。

滑坡和崩塌導(dǎo)致自然山體破碎斑駁，圖1為甲蕃古城周邊的新鮮滑坡體。當(dāng)余震發(fā)生時，仍然不斷有塊石滑落，植被遭到破壞，直徑10cm左右的樹木被砸斷；同時，滑坡和崩塌也改變了山河的面貌，圖2為甲蕃古城的北側(cè)道路被滑坡和崩塌中斷交通的情況，最大崩石的體積約50m3。

1.2 玻璃固定窗破損和局部倒塌

玻璃幕墻通常承受重力荷載、風(fēng)荷載、地震作用及環(huán)境等的影響。一般情況下，玻璃幕墻的設(shè)計和施工會考慮永久荷載（風(fēng)荷載）、地震作用、溫度作用等。因此，地震后大多數(shù)保存完好，鮮有相關(guān)的震害報告。然而，以往地震中常規(guī)玻璃固定窗和砌體填充墻體卻出現(xiàn)大量破壞。震害調(diào)查表明，玻璃固定窗破損與主體結(jié)構(gòu)破壞間具有明顯的相關(guān)性。

汶川8.0級大地震中，汶川、北川、德陽、綿陽等經(jīng)歷強(qiáng)震的城市，玻璃固定窗和玻璃幕墻的抗震性能表現(xiàn)出與歷次大地震相同的規(guī)律性。玻璃窗的破壞都比較普遍，安裝在墻體嚴(yán)重開裂、破損或框架明顯側(cè)傾建筑中的固定窗往往窗框扭曲、玻璃破碎飛散；在相同狀態(tài)建筑中的幕墻則震害很少，常常完好無損。因此，玻璃幕墻的位移耐受性能遠(yuǎn)大于玻璃固定窗。地震中只要主體結(jié)構(gòu)尚未倒塌，幕墻一般都能保持完好。汶川地震中建筑幕墻的表現(xiàn)充分反映出只要按照規(guī)范的要求，做好設(shè)計和施工，就可使幕墻達(dá)到小震完好、中震可修、大震不掉的要求（趙西安，2008）。

甲蕃古城九寨天堂大劇院的主體為鋼結(jié)構(gòu)，其玻璃固定窗在地震時出現(xiàn)大面積的破損，尤其是高度在3m以下的部位，鋼化玻璃完全破碎和飛散，只留下窗洞口（圖3）。由此可知，地震的破壞作用非常強(qiáng)烈。同時，片石結(jié)構(gòu)的餐館墻體出現(xiàn)大量裂縫和局部倒塌，周邊的磚混結(jié)構(gòu)房屋存在貫穿性的交叉斜裂縫，表明建筑物在地震中遭受反復(fù)水平運動，且位移較大，這種情況下窗玻璃會大量破碎（圖4）。因此，玻璃幕墻比玻璃固定窗的平面內(nèi)變形能力大得多，可在地震的較高烈度區(qū)內(nèi)免受震害。

圖1 新鮮的滑坡體

圖2 滑坡體阻塞道路交通

1.3 片石結(jié)構(gòu)房屋倒塌毀壞

片石結(jié)構(gòu)房屋通常無正規(guī)設(shè)計，基本無抗震設(shè)防構(gòu)造措施，施工工藝不規(guī)范，其缺點包括整體性與穩(wěn)定性較差、材料本身抗拉性能較差、連接性能較差等，存在著眾多不利于抗震的缺陷，在中強(qiáng)地震作用下容易發(fā)生石墻外閃、承重墻體局部倒塌或者嚴(yán)重破壞等。

甲蕃古城周邊的甘海子跑馬場有藏羌建筑幾十棟，為2005年左右使用的拆遷安置房，現(xiàn)今無人居住，均屬于片石砌體結(jié)構(gòu)（圖5）。甲蕃古城假日酒店餐廳的主體為框架結(jié)構(gòu)，但連廊裝飾部分墻體采用片石砌體結(jié)構(gòu)，因而出現(xiàn)局部垮塌的情況，造成室內(nèi)物品被砸毀等（圖6）。因此，建筑材料、結(jié)構(gòu)形式和施工質(zhì)量等是保證房屋建筑抗震性能的主要因素。

圖3 九寨天堂大劇院的玻璃固定窗破損

圖4 餐館墻體出現(xiàn)局部倒塌

圖5 片石結(jié)構(gòu)房屋倒塌毀壞

圖6 假日酒店餐廳墻體局部破壞

藏羌建筑的施工過程中，砌筑時的灰漿多采用石灰漿、黃土泥漿或二者混合使用，水泥等膠結(jié)材料較少，這導(dǎo)致片石間的粘結(jié)力較低。同時，片石本身比較破碎、不規(guī)則、不平整，缺乏抵抗水平地震作用的拉結(jié)構(gòu)件，耗散變形能量的能力較低，其整體結(jié)構(gòu)性較差，砌體及砂漿存在腐蝕、剝蝕和風(fēng)化等現(xiàn)象。同時，未設(shè)置配筋砂漿帶等，不符合《鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）村建筑抗震技術(shù)規(guī)程》（JGJ161-2008）（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2008）的施工要求。因此，片石砌體結(jié)構(gòu)房屋建筑的抗震性能較差，以致在震后出現(xiàn)嚴(yán)重破壞、局部垮塌和整體毀壞的情況。

1.4 墻體開裂破壞

甲蕃古城假日酒店近20萬m2的建筑均為原生態(tài)藏羌風(fēng)格，不論官寨酒樓、大劇院、碉樓，還是小酒吧，外墻或采用當(dāng)?shù)仄b飾或用石塊砌成。假日酒店為6層的多層建筑，屬于框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)基本完好，但墻體出現(xiàn)大量“一”字形裂縫，窗間墻也出現(xiàn)長約1m的裂縫（圖7）。假日酒店的外墻裝飾層整體出現(xiàn)不同程度的龜裂，部分外墻裝飾層掉落（圖 8）。

圖7 假日酒店墻體開裂和墻皮掉落

圖8 假日酒店外墻裝飾層龜裂掉落

圖9 墻體“X”形剪切裂縫

圖10 墻體貫通裂縫

周邊房屋建筑的墻體大量出現(xiàn)“X”形交叉斜裂縫，長度約1.5m，個別甚至出現(xiàn)墻體大型貫通裂縫等，其裂縫最寬處約3cm（圖9、10）。嫩恩桑錯派出所的地面出現(xiàn)不均勻沉降，高差約10cm。窗間墻周邊的砌體墻容易發(fā)生開裂和破壞，窗戶玻璃振裂甚至振碎，有一扇房門的下部被振落掉下。部分墻體產(chǎn)生垂直于墻面方向的錯動，其錯距在水平方向最寬處約5cm。

“一”字形裂縫主要產(chǎn)生在填充墻與框架結(jié)構(gòu)的結(jié)合部位，相對而言比較容易修復(fù)。磚混結(jié)構(gòu)墻體“X”形交叉斜裂縫是典型的剪切裂縫。墻體抗剪承載力不夠，地震發(fā)生時在承受水平荷載狀況下，墻體受到的剪力超過墻體的抗剪強(qiáng)度，就容易產(chǎn)生“X”形交叉斜裂縫。裂縫交叉點基本上在墻體中心位置，在地震荷載作用下，裂縫交叉位置出現(xiàn)貫穿情況，屬于破壞相對比較嚴(yán)重的部位（周云等，2009）。墻體“X”形剪切裂縫對墻體內(nèi)部和整體損傷較大，開裂處的磚塊被剪斷，有的磚塊劈裂、剪壓破碎，通常這類房屋可采用高標(biāo)號水泥砂漿灌縫，在墻體外表面裂縫處（剔除裝飾層）鋪一層鋼板網(wǎng)或鋼絲網(wǎng)并抹高標(biāo)號水泥砂漿修復(fù)和加固。

2 地震鞭梢效應(yīng)

甲蕃古城共有6座碉樓，其中，最高的10層，高度約30m，由下至上截面尺寸逐漸減小，屬于框架結(jié)構(gòu)，填充墻和外墻均采用片石，填充墻墻體在水平方向上有起伏，中間部分突出，靠近柱體部分凹陷（圖11）。地震發(fā)生后，主體結(jié)構(gòu)基本完好，外墻片石在框架墻體處崩落較多，填充墻局部崩落。碉樓自下而上的震害程度基本相同，鞭梢效應(yīng)并不明顯（洪海春等，2014）。盡管鞭鞘效應(yīng)存在，但最上層碉樓本身也基本完好。假日酒店是6層的多層建筑，屬于框架結(jié)構(gòu)，自下而上的震害程度也基本相同，其破壞程度為中等破壞。

圖11 石室碉樓局部破損

圖12 房頂?shù)奶炀€傾斜

在地震破壞作用下，1棟3層藏寨店鋪的樓頂天線出現(xiàn)略微傾斜（估算小于10°），該店鋪屬于框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)基本完好，外墻片石局部崩落，玻璃窗的玻璃基本破碎（圖12），這是鞭梢效應(yīng)產(chǎn)生震害的典型案例。國內(nèi)外多次較為嚴(yán)重的破壞性地震的震害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，突出屋面的部分震害普遍嚴(yán)重。總體而言，按照相關(guān)規(guī)范和要求進(jìn)行建筑抗震設(shè)計，通過適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度或質(zhì)量分布使突出物的基本自振頻率與整體結(jié)構(gòu)的低階頻率差值增大，可減少鞭梢效應(yīng)的影響，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和建筑物安全提供更可靠的依據(jù)（洪海春等，2013b）。同時，框架多層結(jié)構(gòu)房屋建筑的鞭梢效應(yīng)不明顯，其上部和下部的震害基本一致，建議推廣使用。

3 地震烈度評定探討

3.1 近場大震強(qiáng)地震動作用

九寨溝百河強(qiáng)震臺距甲蕃古城約35km（其余臺站均距離更遠(yuǎn)且加速度峰值更?。?，獲取的主震三分量加速度記錄（未校正）如表1所示。由表1可見，加速度峰值分別為－129.5、－185.0、－124.7cm/s2，而九寨溝縣漳扎鎮(zhèn)的抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計基本地震動峰值加速度為0.20g，設(shè)計地震分組為第3組（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2015）。

由此可見，九寨溝地震對甲蕃古城的地震動作用略低于房屋建筑50年設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)預(yù)計可能遭遇到的地震動作用。因此，在強(qiáng)地震動作用下，甲蕃古城相當(dāng)于多數(shù)正規(guī)設(shè)計的房屋建筑遭到了中等破壞，接近于其抗震設(shè)防烈度，且處于九寨溝7.0級地震的重災(zāi)區(qū)，故判定甲蕃古城的地震烈度為Ⅷ度。

表1 九寨溝百河強(qiáng)震臺記錄

3.2 綜合判斷分析

重災(zāi)區(qū)甲蕃古城的地震地質(zhì)災(zāi)害主要是崩塌和滑坡，規(guī)模較大，植被破壞較重。由于重災(zāi)區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，山高坡陡，雨水充沛，而且?guī)r性脆弱，風(fēng)化嚴(yán)重，巖體破碎，地質(zhì)環(huán)境比較脆弱，使得崩塌和滑坡這2種形式的地震地質(zhì)災(zāi)害比較嚴(yán)重，為地震破壞作用的外在表現(xiàn)形式。

2008年汶川MS8.0、2013年蘆山MS7.0地震后，磚混結(jié)構(gòu)的圈梁、構(gòu)造柱及框架結(jié)構(gòu)的使用比較普遍，大多數(shù)房屋建筑的抗震性能普遍提高。因此，筆者建議九寨溝地震對于烈度的評定不能單純以某類房屋震害程度的評定為主，而應(yīng)綜合考慮地震地質(zhì)災(zāi)害和不同類型房屋的平均震害指數(shù)。

4 結(jié)論

（1）在中國地震局發(fā)布的九寨溝7.0級地震烈度圖中，甲蕃古城實際地震烈度為Ⅷ度，震害現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果與烈度圖一致，依據(jù)充分，符合國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

（2）崩塌和滑坡可以較好地快速輔助判定地震烈度，尤其是對于大多數(shù)房屋建筑抗震性能較好的地區(qū)。

（3）建議減少玻璃固定窗的使用，而盡可能采用耐受性能較好的玻璃幕墻。

（4）當(dāng)?shù)夭厍嫁r(nóng)村居民應(yīng)盡可能改變使用片石結(jié)構(gòu)的建筑習(xí)慣，保證磚混結(jié)構(gòu)的圈梁和構(gòu)造柱等構(gòu)造措施，推廣框架結(jié)構(gòu)的使用。

（5）震害現(xiàn)場調(diào)查表明，宣傳防震減災(zāi)科普知識和推廣抗震設(shè)防技術(shù)方法，提高廣大民眾的防震減災(zāi)意識，可以盡可能避免人員傷亡和減少地震災(zāi)害損失。

致謝：感謝中國地震局九寨溝7.0級地震現(xiàn)場工作隊的領(lǐng)導(dǎo)和專家等提供的幫助。