青海門源MS6.9 地震極震區(qū)震害調(diào)查與防災(zāi)建議1

李 鑫 李智敏 蓋海龍 殷 翔 姚生海 劉 強(qiáng)

1）青海省地震局, 西寧 810001

2）青海格爾木青藏高原內(nèi)部地球動(dòng)力學(xué)野外科學(xué)觀測(cè)站, 青海格爾木 816000

3）中國(guó)地質(zhì)大學(xué), 地球科學(xué)學(xué)院, 武漢 430074

引言

2022 年1 月8 日1 時(shí)45 分（北京時(shí)間），青海省海北藏族自治州門源縣（37.77°N，101.26°E）發(fā)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(nèi)平均海拔約3 674 m。青海、甘肅、寧夏等省份震感強(qiáng)烈，未造成人員死亡，少量人員受傷，災(zāi)區(qū)橋梁、道路、房屋等發(fā)生不同程度的破壞。

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，至2022 年1 月13 日8 時(shí)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(jí)地震、5 次4.0～4.9 級(jí)地震、13 次3.0～3.9 級(jí)地震。最大余震為2022 年1 月12 日18 時(shí)20 分發(fā)生的5.2 級(jí)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(nèi)部，其附近斷層縱橫發(fā)育，主要有民樂-永昌斷裂、皇城-雙塔斷裂、肅南-祁連斷裂、托來(lái)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(nèi)近5 年發(fā)生3 級(jí)以上地震共18 次。

通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作，分析認(rèn)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(yùn)動(dòng)，發(fā)震斷層為冷龍嶺斷裂西段（長(zhǎng)約17 km）與托來(lái)山斷裂東段（長(zhǎng)約5 km），表現(xiàn)為強(qiáng)烈的左旋走滑性質(zhì)，造成長(zhǎng)約22 km 地表破裂帶。

1 震區(qū)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(qū)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(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜，主要類型為山地和河湖盆地，地勢(shì)西北高、東南低。大地構(gòu)造單元屬祁連山褶皺系的次級(jí)構(gòu)造單元-北祁連山構(gòu)造帶中段。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造線以NW、NNW 向?yàn)橹?。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(jù)中國(guó)地震局發(fā)布的青海門源MS6.9 地震烈度圖（圖1），極震區(qū)（地震烈度Ⅸ度區(qū)）面積約157 km2，自西向東包括大西溝、道溝、硫磺溝區(qū)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(zāi)，9 人受傷（均為避險(xiǎn)不當(dāng)所致），無(wú)人員死亡；共4 052 間房屋破壞，217 間房屋嚴(yán)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(zhǎng)供排水管網(wǎng)破壞，3.96 km 長(zhǎng)供熱管網(wǎng)破壞，3.3 km 長(zhǎng)省道破壞，8 km 長(zhǎng)鄉(xiāng)村道路破壞，3 座橋梁破壞，17 處涵洞破壞；地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)成災(zāi)1 處，祁連山國(guó)家公園管護(hù)站均不同程度受損。

2 極震區(qū)震害調(diào)查

基于震源參數(shù)（表1）、強(qiáng)震動(dòng)儀器觀測(cè)結(jié)果（表2）及InSAR 反演結(jié)果（李振洪等，2022），開展震前、震后高分辨率遙感衛(wèi)星影像解譯、極震區(qū)野外踏勘和無(wú)人機(jī)拍攝測(cè)量，在門源縣大西溝、道溝、硫磺溝附近發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)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(gè)破壞房屋調(diào)查點(diǎn)（圖2）。

圖2 青海省門源縣極震區(qū)調(diào)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(shù)Table 1 Source parameters for the 2022 Menyuan MS6.9 earthquakes

表2 2022 年門源MS6.9 地震強(qiáng)震動(dòng)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(qū)內(nèi)破裂帶總長(zhǎng)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(gòu)造標(biāo)志組成（圖3）。其中，張裂縫、剪裂縫整體走向?yàn)?90°～220°，部分為325°～350°，表現(xiàn)為雁列式、共軛式或不規(guī)則式排列，最大寬度＞1.5 m，最大深度＞3 m，最大左旋位錯(cuò)＞1.5 m。擠壓鼓包整體走向?yàn)?80°～225°，最大高度達(dá)1.6 m，左旋位錯(cuò)＞1 m。噴砂冒水最大直徑＞2 m，主要表現(xiàn)為圓形或橢圓形，少數(shù)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(cè)硫磺溝溝內(nèi)（37.791°N，101.308°E），大橋全長(zhǎng)272.77 m，為8 跨32 m 雙線簡(jiǎn)支梁橋，橋面寬約12.6 m，橋墩結(jié)構(gòu)采用單柱式，與橋臺(tái)間采用高阻尼橡膠支座，過(guò)渡墩和橋臺(tái)處采用四氟乙烯滑板支座。大橋南側(cè)與大梁隧道相接，北側(cè)與祁連山隧道相接。

橋址區(qū)地貌單元屬于硫磺溝河谷區(qū)，河谷為不規(guī)則倒梯形，河谷兩側(cè)為山前坡積扇，地形高差相對(duì)較大，高程3 563～3 595 m。北側(cè)山前坡積扇坡角相對(duì)較緩，一般為20°～25°，邊坡穩(wěn)定性好；南側(cè)坡積扇地形相對(duì)陡峭，坡角為25°～30°，邊坡穩(wěn)定性差，現(xiàn)場(chǎng)可見硫磺溝大橋左側(cè)邊坡滑塌現(xiàn)象（圖4）。橋址場(chǎng)地地表基巖處于強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，第四系覆蓋層厚度大，松散未膠結(jié)或膠結(jié)程度差，大橋場(chǎng)地等效剪切波速度為250～500 m/s，場(chǎng)地覆蓋層厚度＞5 m（表3、圖4），場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地震動(dòng)反應(yīng)譜周期為0.45 s，地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，橋梁抗震措施等級(jí)為4 級(jí)。

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(chǎng)地等效剪切波速Table 3 Equivalent shear wave velocity of Liuhuanggou bridge site

本次調(diào)查顯示，處于極震區(qū)東段的硫磺溝大橋破壞嚴(yán)重。橋上鋼軌（CRTSI 型雙塊式無(wú)砟軌道）發(fā)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(cuò)臺(tái)。橋梁梁板傾斜移位，最大傾角約18°，混凝土支塊擋塊及護(hù)欄部分破壞，相鄰梁板最大位移量約0.8 m，累計(jì)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(tái)受損，混凝土保護(hù)層嚴(yán)重破壞，發(fā)育多條縱、橫向裂縫及細(xì)微斜裂縫，橋臺(tái)多處內(nèi)部鋼筋出露。橋墩結(jié)構(gòu)完整（王青橋等，2009），橋墩與地面接觸處出現(xiàn)寬2～15 cm 裂縫。橋下地面發(fā)育多條貫穿型裂縫，整體走向?yàn)?90°～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(qū)沿溝谷展布，山勢(shì)陡峻，平均海拔3 500 m 以上，附近居民生活點(diǎn)較少，共6 個(gè)調(diào)查點(diǎn)，總面積約3 285 m2。1 間磚混結(jié)構(gòu)房屋輕微破壞，面積占比約0.6%；2 間磚木結(jié)構(gòu)房屋毀壞，面積占比約1.1%；2間土石結(jié)構(gòu)房屋毀壞，面積占比約6.1%；60 間輕鋼結(jié)構(gòu)房屋基本完好，面積占比約78%；12 間輕鋼結(jié)構(gòu)房屋輕微破壞，面積占比約12%；2 間輕鋼結(jié)構(gòu)房屋中等破壞，面積占比約2.2%（表4、圖6）。

圖6 不同結(jié)構(gòu)房屋類型破壞調(diào)查Fig. 6 Damage investigation of houses with different structures

表4 極震區(qū)不同結(jié)構(gòu)類型房屋震害調(diào)查表Table 4 Investigation on earthquake disaster of buildings with different structures in the extreme areas

1 號(hào)調(diào)查點(diǎn)共調(diào)查房屋1 間，為磚混結(jié)構(gòu)，面積約20 m2，輕微破壞，房屋側(cè)面出現(xiàn)細(xì)小裂縫，長(zhǎng)約1.3 m。頂部及構(gòu)造柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻體主要由磚塊砌筑。外部圍墻嚴(yán)重毀壞，主要由混凝土空心磚砌筑，墻厚24 cm，長(zhǎng)39 cm，寬24 cm，鋪漿面厚約1 cm。

2 號(hào)調(diào)查點(diǎn)共調(diào)查房屋26 間，均為輕鋼結(jié)構(gòu)，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(fā)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(hào)調(diào)查點(diǎn)共調(diào)查房屋46 間，均為輕鋼結(jié)構(gòu)，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(fā)生輕微變形。

4 號(hào)調(diào)查點(diǎn)共調(diào)查房屋2 間、羊圈2 間，總面積約230 m2。2 間輕鋼結(jié)構(gòu)房屋面積約30 m2，基本完好，未發(fā)現(xiàn)門窗變形。2 間土石結(jié)構(gòu)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(guò)鐵絲固定。

5 號(hào)調(diào)查點(diǎn)共調(diào)查房屋1 間，為磚木結(jié)構(gòu)，面積約15 m2，完全毀壞，房屋倒塌，未見圈梁和構(gòu)造柱。頂部由簡(jiǎn)易木質(zhì)結(jié)構(gòu)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(hào)調(diào)查點(diǎn)共調(diào)查房屋1 間，為磚木結(jié)構(gòu)，面積約20 m2，毀壞，房屋頂部破損，外墻部分傾斜倒塌，墻體發(fā)育多處貫穿型裂縫，未見圈梁和構(gòu)造柱。頂部由簡(jiǎn)易木質(zhì)結(jié)構(gòu)架預(yù)制板構(gòu)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(fā)震斷裂呈NWW 向展布，在地表形成長(zhǎng)約22 km 的分叉狀破裂帶，均以左旋走滑性質(zhì)為主，形成了典型的斷錯(cuò)地貌，如河心灘、道路車轍印等被明顯錯(cuò)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(qū)域，受地震動(dòng)作用和場(chǎng)地破壞效應(yīng)強(qiáng)烈，破壞嚴(yán)重。

蘭新高鐵硫磺溝大橋位于極震區(qū)東段，在大橋山前及東、西側(cè)可觀察到明顯的地表破裂帶，破裂帶寬約150 m，長(zhǎng)約30 m，與大橋呈50°～75°夾角展布。結(jié)合大橋整體破壞程度及兩側(cè)地表特征，初步推測(cè)斷層破裂的強(qiáng)震動(dòng)作用（Ⅸ度）超過(guò)了橋梁設(shè)定的抗震設(shè)防烈度（Ⅷ度），導(dǎo)致大橋整體傾斜破壞。高應(yīng)力下的強(qiáng)震釋放大量能量，形成了規(guī)模巨大的地表破裂帶，對(duì)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(dòng)效應(yīng)（羅全波等，2018；李鑫等，2021a；蔣一然等，2022），高能、短時(shí)脈沖運(yùn)動(dòng)周期為1～3 s，接近硫磺溝大橋自振周期，在地震動(dòng)空間差動(dòng)及斷層效應(yīng)的作用下，高阻尼球形支座及橋臺(tái)連接固件嚴(yán)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(dǎo)致大橋不同跨變形存在差異。此外，橋墩易沿基巖面滑動(dòng)，土體位移增大了橋墩承受的附加靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力，運(yùn)動(dòng)使橋墩與上部梁板及連接件失去穩(wěn)定性能（黃勇等，2010），進(jìn)而導(dǎo)致橋梁梁板與斷層上盤表現(xiàn)為一致的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，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(qū)長(zhǎng)軸分布，約120°～140°。受斷層效應(yīng)作用明顯，發(fā)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(fā)生后，政府對(duì)海北藏族自治州房屋進(jìn)行了全面加固，加固方式包括固磚補(bǔ)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(qū)房屋多為輕鋼結(jié)構(gòu)，具有良好的柔性和自復(fù)性，在強(qiáng)烈地震動(dòng)作用下，未出現(xiàn)較大變形。道路破壞嚴(yán)重，因大部分道路被斷裂帶直接橫穿，造成道路抬升及錯(cuò)斷，可見道路車轍印被左旋錯(cuò)斷，位錯(cuò)約0.8 m。此外部分道路位于山前，因地震作用產(chǎn)生邊坡效應(yīng)，出現(xiàn)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(fā)生，硫磺溝大橋未有高鐵通過(guò)，故無(wú)人員傷亡。震中附近山高溝深，居民點(diǎn)分布較少，僅有6 個(gè)調(diào)查點(diǎn)，人口密度較低（圖2），人員傷亡性小。毀壞房屋結(jié)構(gòu)類型基本為磚木結(jié)構(gòu)（居民點(diǎn)）及土石結(jié)構(gòu)（牛羊圈），其設(shè)計(jì)、修建質(zhì)量等均不滿足要求，如未設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱，頂部由簡(jiǎn)易木質(zhì)結(jié)構(gòu)搭建，相鄰結(jié)構(gòu)無(wú)固定連接措施（羅春燕，2011），墻體主要由燒結(jié)普通磚砌筑，強(qiáng)度低、自重小，未鋪漿，砌體整體抗剪強(qiáng)度低（李紅，2011），在極震區(qū)范圍全部毀壞。因冬季放牧期結(jié)束，無(wú)人居住，故無(wú)人員傷亡。此外，調(diào)查點(diǎn)輕鋼結(jié)構(gòu)房屋為主體，屬柔性結(jié)構(gòu)連接，其修建通過(guò)嚴(yán)格抗震設(shè)計(jì)及相關(guān)質(zhì)量檢驗(yàn)，抗震能力較強(qiáng)，在極震區(qū)內(nèi)多表現(xiàn)為基本完好或輕微破壞，無(wú)人員傷亡。

4 意見建議

基于此次地震現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查工作，通過(guò)對(duì)極震區(qū)蘭新高鐵硫磺溝大橋及周邊居住點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查與震害分析，提出門源地震災(zāi)后重建及震害防御建議。

（1）對(duì)于災(zāi)區(qū)房屋建筑，組織專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查及安全鑒定。建議輕微破壞或中等破壞的框架、磚混結(jié)構(gòu)建筑在原基礎(chǔ)進(jìn)行抗震設(shè)防加固，拆除嚴(yán)重破壞及毀壞的磚木、土石結(jié)構(gòu)建筑，嚴(yán)格按照國(guó)家抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)重建，建議建造輕鋼結(jié)構(gòu)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(fā)生后，政府已對(duì)縣城及周邊所有房屋進(jìn)行了排查及加固工作，整體增強(qiáng)了轄區(qū)抗震設(shè)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(fā)生側(cè)傾，橋臺(tái)多處內(nèi)部鋼筋出露，但橋墩結(jié)構(gòu)完好，整體表現(xiàn)為輕微破壞。此外大橋所屬場(chǎng)地附近發(fā)育多條活動(dòng)性斷裂（何文貴等，2000；胡朝忠等，2016），其周邊區(qū)域基巖風(fēng)化破壞嚴(yán)重，第四系覆蓋層厚度大，松散未膠結(jié)或膠結(jié)程度差，可供選擇及利用區(qū)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(guó)真正意義上的高鐵震害，建議根據(jù)高烈度地區(qū)高鐵橋梁特殊性，修建橋梁時(shí)加設(shè)減隔震裝置、連梁及柔性限位裝置，使橋梁穩(wěn)固性及自復(fù)性得到提升。

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