2023年甘肅積石山6.2級(jí)地震中川鄉(xiāng)液化流滑災(zāi)害調(diào)查及誘因初析

陳龍偉,汪云龍,袁曉銘,李兆焱,王永志,聶桂波,張昊宇

(1. 中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150080; 2. 地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

震害考察是地震工程發(fā)展的支柱之一。人們對(duì)于如何抗御地震災(zāi)害的認(rèn)識(shí),在很大程度上來(lái)自大地震的經(jīng)驗(yàn)。地震震害調(diào)查是獲取工程震害資料和經(jīng)驗(yàn)最直接、最有效的手段,也是工程抗震理論和分析方法發(fā)展最重要的基礎(chǔ)[1-2]。同時(shí),震害現(xiàn)象調(diào)查也是檢驗(yàn)現(xiàn)有抗震設(shè)計(jì)理論和方法的最有效手段。深入的震害調(diào)查工作,為我國(guó)乃至世界工程抗震技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用[3]。

2023年12月18日23時(shí)59分,甘肅省臨夏州積石山縣發(fā)生6.2級(jí)地震。此次地震導(dǎo)致大量房屋損毀甚至倒塌,統(tǒng)計(jì)至2023年12月31日已造成151人死亡、近千人受傷。除房屋倒塌外,此次地震在青海省海東市民和縣中川鄉(xiāng)金田村和草灘村引發(fā)了被稱之為“泥流”的罕見特殊現(xiàn)象,房屋被厚達(dá)數(shù)米的“泥流”掩埋,直接導(dǎo)致多名群眾失聯(lián)。災(zāi)害發(fā)生后,其成因引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。針對(duì)此次震害的特殊性對(duì)震害進(jìn)行了考察,發(fā)現(xiàn)此次災(zāi)害本質(zhì)上是由于“泥流”觸發(fā)區(qū)地下土層地震液化所導(dǎo)致的流滑事件。流滑破壞是地震液化的典型震害現(xiàn)象之一。然而如此大規(guī)模且嚴(yán)重致災(zāi)的流滑現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)外歷史地震調(diào)查中實(shí)不多見。類似案例在歷史地震中確曾發(fā)生,如1989年塔吉克斯坦杜尚別地區(qū)5.5級(jí)地震引發(fā)的黃土沉積物液化,導(dǎo)致滑坡并伴有大規(guī)模的“泥流”[4];2018年印尼Sulawesi地震(Mw7.5)中Palu地區(qū)發(fā)生了大規(guī)模液化流滑[5-6],導(dǎo)致數(shù)千人喪生。已有的研究表明,Palu地區(qū)的大規(guī)模流滑災(zāi)害是由于該地區(qū)地下砂土地震液化所致。此次積石山6.2級(jí)地震中川鄉(xiāng)流滑事件是我國(guó)近70 a震害調(diào)查中,首次發(fā)現(xiàn)的具有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)證性質(zhì)的液化流滑型地震災(zāi)害。

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,給出此次液化流滑的震害現(xiàn)象,初步分析液化流滑災(zāi)害的誘因、觸發(fā)機(jī)制以及流滑過(guò)程,分析結(jié)果可為認(rèn)識(shí)此次特殊的、罕見的液化流滑災(zāi)害。研究防御手段提供參考。

1 液化流滑的概念

首先厘清幾個(gè)專業(yè)名詞,即泥流、泥石流和滑坡等。參考《地球科學(xué)大辭典》[7]中詞條和描述。泥流是以細(xì)粒土為主的流動(dòng)體,由流動(dòng)體中所含的水、黏土和巖屑的比例不同而有不同的流動(dòng)特征;泥流中所含的水可以達(dá)到60%,水聯(lián)結(jié)的程度取決于黏土礦物的含量、母質(zhì)黏滯性、流動(dòng)速度和地形的影響。其流動(dòng)性可以從監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)速率得知,也可以根據(jù)其沉積的分布和地形得知。泥石流災(zāi)害是發(fā)生在山區(qū)溝谷中,由暴雨、大量冰雪融水或江湖、水庫(kù)潰決后的急速地表徑流激發(fā)的含有大量泥砂、石塊等固體碎屑物質(zhì),并具有強(qiáng)大沖擊力和破壞作用的特殊洪流造成的災(zāi)害?；聻?zāi)害指巖體或土體在重力作用下整體順坡下滑造成的災(zāi)害。區(qū)別于這些災(zāi)害,液化流滑災(zāi)害是一種由于地震土壤液化引發(fā)的一種次生災(zāi)害。

根據(jù)以往震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),地震土壤液化的后果包括噴水冒砂、流滑、地基承載力喪失、地基沉降以及橫向側(cè)移或擴(kuò)展等。地震液化流滑[8-9]是一種由地震土壤液化引發(fā)的災(zāi)害現(xiàn)象之一,其破壞力極強(qiáng),多發(fā)生在具有一定坡度、地表下存在可液化沉積砂層的斜坡場(chǎng)地或壩體筑堤。液化流滑的特征表現(xiàn)在土體發(fā)生顯著的橫向流動(dòng)(或位移),流動(dòng)距離可達(dá)數(shù)米、數(shù)十米甚至更長(zhǎng),且場(chǎng)地土體被嚴(yán)重地?cái)_亂、崩裂(塌)和遷移破壞。就物理機(jī)制而言,場(chǎng)地地下可液化土層在地震等動(dòng)力荷載作用下,孔隙水壓力升高過(guò)程使得土體抗剪強(qiáng)度逐漸降低,當(dāng)抗剪強(qiáng)度降低至小于土體自重產(chǎn)生的剪應(yīng)力時(shí),土體發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng),即液化流滑。液化流滑的距離與液化的范圍和規(guī)模有關(guān),可以發(fā)生局部范圍的流滑,亦可以出現(xiàn)大范圍的流滑,如1906年舊金山地震中即發(fā)生過(guò)局部的流滑,土體流動(dòng)一段距離后終止[10]。

2 中川鄉(xiāng)液化流滑分區(qū)特征及震害現(xiàn)象

據(jù)報(bào)道,積石山地震震后不久,高達(dá)3 m的濃稠“泥漿”翻滾著漫入青海省民和縣中川鄉(xiāng)的金田村和草灘村(圖1),導(dǎo)致大量房屋被“泥漿”包圍、沖毀,多名群眾失聯(lián)。此次事件成因引起了廣泛關(guān)注。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),流滑區(qū)坡度較小,較難發(fā)生滑坡。由于震前沒(méi)有降雨,與泥石流的基本內(nèi)涵不符。泥石流又分為泥石流、泥流和水石流3種,因此采用“泥流”嚴(yán)格來(lái)說(shuō)會(huì)與泥石流混淆,也容易掩蓋此次災(zāi)害的特征。“砂涌”一詞指的是地震液化噴冒[6],但該名稱在巖土地震工程領(lǐng)域不常用。而且,此次泥漿沖淤導(dǎo)致的災(zāi)害不是因砂土“噴冒”所致,使用“砂涌”一詞不符合事實(shí)。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果以及歷史震害經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,此次事件實(shí)質(zhì)上就是地震土壤液化導(dǎo)致的大規(guī)模液化流滑現(xiàn)象,符合液化流滑的基本特征。

圖1 中川鄉(xiāng)流滑堆積區(qū)泥流混合物及清理情況Fig.1 Mud debris brought by the liquefaction-induced flowslide in Zhongchuan Town

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查來(lái)看,此次流滑涉及的區(qū)域如圖2(a)所示。方便起見,這里將流滑區(qū)域分為流滑滑源區(qū)(上游)(圖2(a)中紅色和黃色部分)、流滑流通區(qū)(中游)(圖2(a)中綠色和藍(lán)色部分)和流滑堆積區(qū)(下游)(圖2(a)中灰色部分和藍(lán)綠色部分)。通過(guò)無(wú)人機(jī)成像建模,初步估計(jì)流滑上游區(qū)面積約為0.13 km2、流滑損失土方量約為55萬(wàn)m2。流滑啟動(dòng)后,流滑體沿著東西兩個(gè)方向流動(dòng),如圖2(b)所示。由圖2(b)中箭頭指向所示,其中一部分流滑體向右(即向東)流滑了300～400 m后終止,流滑體堆積在圖2(a)中黃色部分。另一方向滑源區(qū)的流滑體沿著原有的“干溝”沖瀉而下(圖2(a)中綠色部分),沿途沖走原有“干溝”兩側(cè)和底部土體,至堆積區(qū)(圖2(a)中灰色部分)。這一部分堆積體產(chǎn)生的后果最嚴(yán)重,直接造成屋毀人亡。

圖2 液化流滑區(qū)域以及土體流滑方向Fig.2 Area affected by the flowslide and the flowing direction of the mud debris

此次液化流滑上游滑源區(qū)的地表塌陷如圖3所示。從現(xiàn)場(chǎng)土體的來(lái)源分析來(lái)看,滑源區(qū)頂部地表土體多處于塌陷狀態(tài),由于地下土層液化發(fā)生滑移,部分土體被流走,尚有部分地表土體沒(méi)有隨著滑體流動(dòng)到下游,但表現(xiàn)出往下游滑動(dòng)的趨勢(shì),發(fā)生了有限的橫向位移。在中游的流滑流通區(qū),土體流失嚴(yán)重。流通通道兩側(cè)和底部土體破壞嚴(yán)重,土體多被沖走,如圖4所示。從下游堆積區(qū)的規(guī)模來(lái)看(圖5(b)),被流滑沖走的土體體量非常大。

圖3 液化流滑滑源區(qū)因地下土層液化導(dǎo)致的地表塌陷Fig.3 Disruption of the soil mass at the origin area where the flowslide started

圖4 液化流滑的流通區(qū)土壤被沖走Fig.4 Soi mass was carried away by the flowslide in the channel

圖5 流滑堆積區(qū)被沖下來(lái)的土壤混合物Fig.5 Soil debris accumulated at the end of the flowslide

圖5(a)顯示圖2(a)中往右側(cè)流滑的土體堆積的邊緣(圖2(a)中黃色部分)。這一部分土體在流滑一段距離后終止。據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窠榻B,此部分堆積區(qū)下面是農(nóng)田,震前沒(méi)有被灌溉。從這一部分流滑的調(diào)查結(jié)果推斷,流滑區(qū)的流通區(qū)(圖2(a)中綠色部分)可能存在多點(diǎn)液化的現(xiàn)象,加劇了流滑災(zāi)害的發(fā)展,或者流通區(qū)水文地質(zhì)條件使得土體處于富水條件且處于臨界狀態(tài),否則這一部分流滑的土體可能也會(huì)類似圖2(a)中黃色部分,即流滑一段距離后停止。

此外,圖2(a)中藍(lán)色部分是此次流滑流通區(qū)的一個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn),如圖6所示。據(jù)村民介紹,該處原有擋水壩,其上修筑水泥路,地震后擋水壩以及水泥路被上游沖下來(lái)的“泥流”沖垮(圖6(a))。據(jù)村民描述,地震發(fā)生后,從上游沖瀉下來(lái)的“泥流”由于擋水壩的阻擋,噴濺到該處房屋四周,隨后沖垮擋水壩向下游流滑(圖6(b))。還有村民介紹,該處地震后也發(fā)生了噴冒,且伴有巨響。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)走訪,一方面說(shuō)明了上游流滑下來(lái)的土體流速快,另一方面流滑土體體量大、規(guī)模大。但是,由于地震發(fā)生在深夜,村民對(duì)震后景象的表述尚需進(jìn)一步證實(shí)。

圖6 液化流滑流通區(qū)轉(zhuǎn)折點(diǎn)Fig.6 Turning spot of the flowslide that came from the origin of sliding and flowed downward

3 中川鄉(xiāng)液化流滑災(zāi)害誘因分析

3.1 地震動(dòng)強(qiáng)度

此次地震由中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)中心共收取距震中100 km范圍內(nèi)實(shí)時(shí)強(qiáng)震儀記錄57組、烈度儀記錄182組(https://www.iem.cn/detail.html?id=2965)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析,強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)中心初步給出的峰值加速度(peak ground acceleration, PGA)分布圖。此次流滑區(qū)位于地震烈度7度和8度交界附近,距離震中約20 km。通過(guò)PGA分布圖,初步估計(jì)流滑區(qū)的PGA值約為0.4g。由于流滑區(qū)域附近沒(méi)有安裝相應(yīng)的強(qiáng)震觀測(cè)儀器設(shè)備,可以從附近其他地區(qū)的強(qiáng)震臺(tái)站記錄對(duì)流滑區(qū)的PGA值進(jìn)一步校核。距離流滑區(qū)最近強(qiáng)震臺(tái)(JSNGJ)的震中距為17.8 km,與流滑區(qū)的震中距相當(dāng)。強(qiáng)震臺(tái)記錄到的水平向峰值加速度分別為0.396g和0.340g,該臺(tái)站距離流滑區(qū)約15 km。所以,流滑區(qū)地震動(dòng)PGA值可達(dá)到0.4g水平。然而,流滑所在區(qū)域地形復(fù)雜,溝壑、山坡等分布廣泛,局部地形可能會(huì)導(dǎo)致地震動(dòng)PGA值變化較大,所以在PGA值估計(jì)時(shí)初步建議0.1g的誤差范圍。

3.2 流滑區(qū)上游區(qū)域液化噴冒現(xiàn)象

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,調(diào)查組在流滑區(qū)上游發(fā)現(xiàn)顯著的液化冒砂現(xiàn)象如圖7所示,證實(shí)了土壤液化的發(fā)生,而土壤液化降低土層的抗剪強(qiáng)度,誘發(fā)了土層流滑,引發(fā)了后續(xù)的災(zāi)害鏈。根據(jù)以往地震震害調(diào)查經(jīng)驗(yàn),噴水冒砂是地震中場(chǎng)地液化的直觀后果,也是震后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查識(shí)別液化的主要參考物。通過(guò)地表噴冒現(xiàn)象判定場(chǎng)地液化。雖然這一方法存在漏掉實(shí)際液化,但沒(méi)有地表噴出物的液化場(chǎng)地,在實(shí)際震害調(diào)查中,地表噴砂依然是地震現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別液化的主要標(biāo)志。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn),流滑區(qū)上游液化噴冒現(xiàn)象典型,而且至調(diào)查階段,流通區(qū)底部的土壤依然處于局部松軟流塑狀態(tài)。

圖7 調(diào)查組現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)液化噴冒和地表噴出物Fig.7 Sand boil and the ejecta that observed in origin area of the flowslide

3.3 液化流滑過(guò)程初步分析

就機(jī)理而言,液化流滑就是飽和的松散土層在地震荷載作用下孔隙水壓力升高、且短時(shí)間內(nèi)難以消散,導(dǎo)致土層中超孔隙水壓力達(dá)到土層的有效應(yīng)力,土層抗剪切強(qiáng)度降低甚至消失,同時(shí)在動(dòng)荷載以及自重等荷載作用下,土層及上覆土層發(fā)生從高處往低處滑動(dòng)的現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查土層剖面發(fā)現(xiàn),地表2～3 m以下存在深厚的松散土層,初步確定該土層為液化土層(圖8中紅線以下土層)。此外,該地區(qū)時(shí)值冬季農(nóng)田漫灌期,地表水通過(guò)滲流進(jìn)入下方松散土層,長(zhǎng)期漫灌可能使松散土層達(dá)到飽和狀態(tài),這也是此次事件中普遍認(rèn)為的松散土層飽和的重要原因之一。同樣,在2018年印尼地震Palu地區(qū)液化流滑中,地表灌溉系統(tǒng)也是土體飽和的重要原因[11]。然而,這個(gè)地區(qū)僅發(fā)生了一處流滑現(xiàn)象,而其它即使相似的地形地貌條件也沒(méi)有發(fā)生流滑,農(nóng)業(yè)灌溉與該處流滑的相關(guān)性仍需進(jìn)一步調(diào)查。

圖8 流滑區(qū)的土層剖面以及初步確定的液化土層Fig.8 Soil cross-section in the flowslide area and the suspected liquefied soil layer

地震時(shí)土層發(fā)生液化,由于地形坡度,引發(fā)大規(guī)模流滑。流滑區(qū)始于上游物源區(qū)。流滑啟動(dòng)后沿東、西兩側(cè)沖瀉而下。東側(cè)流滑體沖出300～400 m后停止,而西側(cè)流滑體沿著原有的“干溝”沖至下游的堆積區(qū),流通距離約3 km,導(dǎo)致了沿途房屋沖毀、人員傷亡。針對(duì)東西側(cè)流滑距離的不同,推斷西側(cè)中游的流通區(qū)可能發(fā)生了多區(qū)、多源液化的現(xiàn)象,流通區(qū)多點(diǎn)發(fā)生液化,加劇了流滑的發(fā)展。但至現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí),沖溝中泥流沖刷嚴(yán)重,溝中難以接近,尚未找到直接證據(jù)論證這一推論。

3.4 附近其他地區(qū)

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以及新聞報(bào)道來(lái)看,本次地震觸發(fā)的流滑事件是一個(gè)孤立的案例。調(diào)查組在流滑附近區(qū)域調(diào)查了相似的地形,如圖9(a)中區(qū)域A和區(qū)域B,均未發(fā)生流滑現(xiàn)象,其中原因尚需進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)確定。圖9(b)所示區(qū)域A,該處位于滑源區(qū)頂部附近,為一處斜坡,地震前后未出現(xiàn)明顯異常。據(jù)當(dāng)?shù)鼐用窠榻B,區(qū)域B是一條“干溝”,如圖9(b)所示。該“干溝”與流滑的流通通道(震前也是一條“干溝”)相鄰,基本處于平行狀態(tài),且二者在震前基本一樣,溝中均沒(méi)有水,長(zhǎng)滿樹木。地震后,流通區(qū)的“干溝”被沖毀,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查該段的流通區(qū)如圖10所示。而區(qū)域B的“干溝”未出現(xiàn)流滑現(xiàn)象,依然保持震前狀態(tài)。

圖9 流滑區(qū)附近地形地貌相似但未發(fā)生液化流滑的場(chǎng)地Fig.9 Areas close to the flowslide but not slide

4 結(jié)論和展望

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察,對(duì)中川鄉(xiāng)地震液化流滑災(zāi)害原因進(jìn)行了調(diào)查分析,得出如下主要結(jié)論:

1)此次災(zāi)害為土壤液化誘發(fā)的流滑所致。調(diào)查小組在流滑滑源區(qū)發(fā)現(xiàn)了液化噴冒現(xiàn)象,確認(rèn)了土壤液化的事實(shí),即流滑起源區(qū)(上游)地下土層在地震動(dòng)作用下發(fā)生液化,觸發(fā)了流滑,導(dǎo)致了后續(xù)的災(zāi)害鏈。

2)根據(jù)強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù),指出流滑區(qū)地震動(dòng)強(qiáng)度較大,初步估計(jì)流滑區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.4(±0.1)g。

3)對(duì)液化流滑過(guò)程進(jìn)行了初步探討,推斷滑源區(qū)流滑啟動(dòng)后,沿東、西兩側(cè)滑動(dòng)。東側(cè)流滑體滑移了300～400 m后停止,而西側(cè)流滑體沿著原有的一條“干溝”沖瀉而下,流通區(qū)中游可能存在多點(diǎn)個(gè)液化點(diǎn),加劇了流滑的發(fā)展,形成規(guī)模宏大的含有黏土、砂、水以及樹木雜物等可流動(dòng)的混合體,在下游堆積區(qū)淹沒(méi)民房、溝渠等。

4)土壤液化一個(gè)重要條件是土體要處于飽和狀態(tài),也就是土層中水的問(wèn)題。地震時(shí),發(fā)生流滑的地區(qū)正處于冬灌時(shí)期,所以普遍認(rèn)為冬灌是此次土壤液化的重要外部因素之一。此外,這個(gè)地區(qū)僅發(fā)生了一處流滑現(xiàn)象,而其它即使相似的地形地貌條件也沒(méi)有發(fā)生流滑,其原因尚需進(jìn)一步調(diào)查。

針對(duì)此類災(zāi)害的特殊性和罕見性,未來(lái)需要深入研究:①地表灌溉致地下土層飽和的物理機(jī)制和影響深度;②地區(qū)的水文地質(zhì)條件空間分布特征和規(guī)律,查明地區(qū)水文地質(zhì)條件與災(zāi)害的相關(guān)性,剖析此次液化流滑災(zāi)害是孤立事件還是潛在具有普遍性,為恢復(fù)重建規(guī)劃提供依據(jù);③液化土體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)特性以及與流滑的相關(guān)性;④采用多手段監(jiān)測(cè)來(lái)識(shí)別危險(xiǎn)源,同時(shí)開展災(zāi)害治理方法研究。

致謝:感謝中國(guó)地震局“甘肅積石山6.2級(jí)地震科考隊(duì)”、青海省地震局和甘肅省地震局對(duì)現(xiàn)場(chǎng)科考工作的大力支持。