2003年甘肃民乐—山丹6．1、5．8级地震震害特点及启示

2003年甘肃民乐—山丹6．1、5．8级地震震害特点及启示 2003年甘肃民乐—山丹6(1、5(8级地震 震害特点及启示 22卷3期 2006年9月 世界地震工程 WORLDEARTHQUAKEENGINEE~NG 文章编号:1007-6069(2006)03—0095—07 2003年甘肃民乐一山 震害特腕jIlJ占,IlI V01.22.No.3 Sept.,2006 丹6.1,5.8级地震 及启示 石玉成马尔曼何文贵陈永.明 (1.中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地,中国地震局兰州地震研究,_斤,tf肃兰州730000; 2.甘肃省地震局,"肃兰州730000) 摘要:通过对2003年民乐一山丹6.1,5.8级地震震害调查资料的综合分析,阐述了本次地震震区环 境背景情况,揭示了宏观地震烈度分布特征,较为全面地分析了地震的震害特点,讨论了与其相关的 工程地震问题,归纳总结了防御与减轻地震灾害的经验与启示.对西部村镇二[程抗震,施工和管 理以及农村地震安居工程的规划实施等具有一定的参考价值. 关键词:民乐一山丹地震;地震烈度;震害特点;启示 中图分类号:P315.8文献标识码:A ThefeaturesandlessonslearnedfromtheMinle.Shandan 6.1,5.8twinearthquakesin2003 SHIYu.chengMAEr.manHEWenguiCHENYong.Jming (1.LanzhouBaseofInstituteofEarthquakePrediction,LanzhouInstituteofseismology,CEA,Lanzhou730000,China) (2.SeismologicalBureauofGansuprovince,Lanzhou,730000,China) Abstract:BasedoncomprehensiveanalysisonearthquakeinvestigationofMinle— Shandan6.1,5.8twinearth— quakes,theearthquakebackgroundisexplainedandthedistributionofintensityisgiven.Inthispapertheearth— quakedamageandrelatedengineeringseismologyproblemsarealsoanalyzed,andtheexperiencesandlessons learnedfromthetwinearthquakesforearthquakedisasterpreventionandreductionaresummarized.Thecontentof thispaperwillavailtheruralbuildingdesign,construction,managementandplanningofruralearthquake—resistant projectsaswel1. Keywords:Minle— Shandanearthquake;earthquakeintensity;featureofearthquakedamage;lessonslearned 1引言 2003年lO月25日20点41分和48分在我省民乐县和山丹县交界地区相继发生 了6.1级和5.8级地 震.宏观震中位于民乐县永固镇和山丹县霍城镇交界一带,震中区烈度为?度.本 次地震是近lO年来发生 在甘肃省的震级最大的一次地震,也是建国以来甘肃省发生的破坏最严重的地震 之一.直接经济损失逾5 亿元.基于宏观震害经验,该次地震的发生进一步表明,处于青藏高原北部的我省 河西走廊地区地震活动有 所增强. 收稿日期:2006—04—19;修订日期:2006—07—26 基金项目:科技部社会公益研究专项(2004DIB3J130) 作者简介:石玉成(1966一),男,研究员,主要从事地震工程研究工作 96世界地震工程22卷 本次地震造成村镇民用房屋和水利,交通,通信等公共设施严重破坏,也造成大量牲畜伤亡,其中民乐县 和山丹县受灾最为严重,共有l0人死亡(其中直接死亡8人),47371户,190101人受灾,倒塌房屋23504间, 严重破坏52811间.受灾范围波及张掖市的民乐县,山丹县,肃南裕固族自治县3县11个乡镇,以及中牧集 团山丹马场的总场,二场和三场,有感半径约370km. 在地震发生的5天内,共记录到2级以上余震128次,其中40—4.9级9次,3.0—3.9级18次,2.0 — 2.9级101次.最大余震4.8级. 本次地震基本参数见表1. 表1民乐一山丹6.1,5.8级地震基本参数一览表 发震时刻震中位置震级震源深度主震记录(最大加速度)宏观震中备注 2oo3 叫 ~loj . q 分 25日N38 .4~,ElO1.2~一m删 2..日N38 .4~,EIO1.1~.s-smz. 民乐县永固镇极震区 和山丹县霍城烈度:? 镇交界一带度 2震区地形地貌特征及构造背景 灾区位于河西走廊中段的民乐盆地及其周缘地带,地貌上呈两侧高山挟持一山问盆地的地貌景观.在 大地构造位置上属于祁连山加里东地槽褶皱系东部,处于该褶皱系中次级构造单元走廊过渡带中段.民乐 盆地处于祁连山地槽褶皱系的次级构造单元走廊强烈断陷区内. 民乐盆地是北祁连地槽褶皱系山前的一个断陷盆地.该盆地西以榆木山为界,南靠北祁连山,北连龙首 山,东部则以山丹以西沿大马营河至西大河水库西侧一线为界.中生代以来,伴随区域性北西向断裂活动, 持续接受沉积而形成盆地雏形.燕山运动使本地区产生强烈的构造变形,不仅使发育较早的北西向断裂再 次强烈活动,同时也产生了另一组较新的北北西向断裂.新生代以来,这两组断裂进一步发展,形成盆地,接 受厚达1000多米的上第三,第四系沉积. 本区属青藏高原断块区,新构造运动十分强烈,以断裂和断块活动为基本特征.区内的北西西及北北两 一 北西向断裂晚第四纪以来有强烈的逆冲和走滑运动,是主要强震的构造带.在隆起区内部或边缘地带发 生过6—7级地震.附近存在多条区域性的深大断裂,以北西一北西西向断裂为主导,规模大,数量多,是区 内主要孕震和发震构造.灾区邻近区域历史上共记录到5.0级以上地震40多次. 震区自公元前780年以来,除本次发生于民乐一山丹的6.1级和5.8级地震以外,只记录到Ms4.75级 以上地震1次,即1978年民乐东南5.1级地震,说明了震区在历史上地震活动强度小,频度较低.民乐一山 丹震区历史上曾多次遭到外来地震的袭击,影响烈度以?一?度居多.除本次地震造成?度的破坏影响外, 1927年古浪8级大震对民乐地区的影响烈度为?度,1954年山丹7.25级地震对山丹地区的影响烈度达? 度. 本次地震发生在河西走廊中部民乐盆地东南缘,大黄山隆起的西南侧,与本区民乐一永昌隐伏断裂及其 它发震构造有密切关系.这是自1986年门源Ms6.4级地震后,祁连山构造及河西走廊地区发生的首次6 级以上地震;也是昆仑山Ms8.1级地震发生近两年来,青藏块体北边界第一个6级以上地震. 此次地震的发震构造主要为民乐一永昌隐伏断裂(F),该断裂西起民乐县城以东,向东经永固,大马 营,红山窑,止于永昌县城以北,断裂全长约lOOkm,总体走向近东西,最西端走向为北西西(图1).在航卫 片上,断裂线性特征较为显着.该断裂全线被第四系松散沉积物所覆盖,沿断裂地形上虽无明显断坎标志, 但沿断层有多处上升泉水线性出露,也证实了断层的存在. 3地震烈度与震害分布 本次地震极震区明显,范围较大;地震波及面和有感范围大.以极震区为中心,沿不同方向开展调查工 作,调查区域涉及民乐,山丹,肃南等地,调查面积约5000km,完成约95个抽样点,150个调查点,调查建 3期石玉成等:2003年甘肃民乐一山丹6.1,5.8级地震震害特点及启示 (构)筑物,生命线工程,地表破坏3000余处,掌握了大量的第一手基础资料. 在依照《中国地震烈度表(GB/T17742—1999)》的基础上,根据区内地形地貌条件,地震时房屋和生 命线工程破坏特点,地面和山坡破坏情况及人的感觉强弱和器物的反应等,制定了 民乐一山丹6.1级,5.8 级地震区烈度划分标志;编制了地震烈度图(图1). FI民乐一永晶隐伏断裂;F2童子坝隐伏断裂 . 图1民乐一山丹M.6.1,5.8级地震烈度分布图 地震烈度的分布如图1所示.极震区烈度为?度,长轴总体走向300.,长轴长18.5kin,短轴长7km,呈 弯豆状,面积约197km.VII度区长轴总体走向303.,长轴长39kin,短轴长25kin,面积1094km.VI度区特 征:?度区长轴总体走向290.,长轴长69kin,短轴长49km,面积约2594km.在民乐县城西南方向,有一? 度异常区特征:位于极震区西部,长轴总体走向310.,长轴长16kin,短轴长5kin,面积约86km. 根据国家标准《地震现场工作第3部分:调查规范(GB/T18208.3—2000)》给出的震害等级划分标准, 震区砖混平房,砖木结构房屋,土木结构以及简易房在不同烈度区的破坏情况见图2. 4震害特点 4.1震害累积效应明显.人员伤亡较少 6.1级和5.8级两次主震,发震时间间隔仅7分钟,震中位置相距较近,存在明显的震害累积和叠加效 应.这是本次地震损失惨重的一个重要原因.同巨大的经济损失相比较,本次地震人员伤亡数相对较低,其 主要原因与地震发生的时间,两次地震的破坏后果以及房屋的破坏形式有直接关系.本次地震发生的时间 20点41分,当时大部分农民在户外打场碾麦,因而大大减轻了伤亡人数.6.1级地震发生时,围墙,偏房和 棚圈倒塌比较多,但大部分房屋虽然破坏严重,但整体倒塌的情况不多,因而没有因为房倒而造成人员死亡, 但不少人受伤.5.8级地震发生时,在第一次地震中已震损的房屋震害加重,造成大量房屋倒塌,但由于两 次地震仅相隔7分钟,惊慌失措的人们还没敢进屋,所以伤亡人数较少. 人员死亡除少数为房屋倒塌造成的外,大部分为黄土窑洞坍塌所致,而且窑洞离村庄较远,来不及抢救. 受伤人员主要是房屋破坏砸伤,内墙倒塌压伤或逃离时摔伤,碰伤等原因造成的. 4.2农村民房震害严重 本次地震再次暴露了农村房屋的脆弱性.震区广大村镇以生土建筑为主,黄土土坯墙或土筑墙承重的 房屋占有相当大的比重.这类房屋延性差,抗剪抗弯强度均较低_3】.加之整体结构设计不合理,场址选择 不当,地基处理不善,砌筑质量较差以及农民建房受传统观念的影响随意性大等不利因素,震害非常严重. 对于土木结构房屋而言,土坯房和砖柱土坯房抗震能力极差,在极震区(?区)大部分全部倒塌或局部 98世界地震工程22卷 图2震区不同类型在不同烈度区的破坏情况 倒塌(图3).在?度和?度区,其主要震害形式表现为倒塌,屋盖坠落,墙体破裂,酥碎,倾斜,房屋吊顶掉 落,山墙与横墙分开,砖柱与墙体脱离,墙体与屋盖系统搭接处以及纵横墙的咬合处震害也较严重,常常造成 梁檩拔出,甚至落架等震害.在?度区木构架房屋的主要震害是墙体倒塌,山墙外闪,屋顶塌落,拔榫或榫头 折断而引起屋架塌落,柱脚移动而引发的屋架倾斜,倾倒,在?度或?度以下地区,其主要震害表现为墙体产 生水平裂缝,斜裂缝及断裂,酥裂,隔墙局部倒塌等震害. 对于砖木或砖混结构房屋(平房)而言,砖木或砖混结构房屋抗震能力明显较土木结构强.在极震区该 类型房屋整体倒塌现象较为少见,主要的震害形式是墙体破裂,房檐塌落,屋盖局部坍塌,砖墙体产生较宽的 裂缝等形式,少数墙体发生错位,门框产生严重变形,有的混凝土地面也出现较宽的裂缝,纵墙与横墙拉开, 弯曲现象较为常见,个别较长的房屋屋顶呈现波浪状的变形.少数双坡屋面房屋出现檩子折断,梁檩拔出或 梁檩扭动错位现象.一些学校教室屋檐与前墙结合部位产生较宽的裂缝,溜瓦,吊顶变形或塌落现象较为常 见.全砖墙承重房屋在?度区震害较轻.在?度区的砖木结构和在?度或?度以上地区的土木结构房屋, 3期石玉成等:2003年甘肃民乐一山丹6.1,5.8级地震震害特点及启示 图3极震区的大部分土木结构房屋倒塌或严重受损 内隔墙倒塌现象较为常见. 此外,主要分布于民乐县城或城乡结合部的多层砖混结构,其主要的震害表现为承重墙体产生斜裂缝, 八字形裂缝和垂直裂缝,局部贯通墙体,有时上下楼层贯通,框架结构所占比例很小,地震破坏现象主要表现 为梁,柱与填充墙开裂,脱开;部分填充墙由于面积较大产生剪刀形开裂;个别梁的中间部位出现裂缝,其主 要原因是由于设计不合理和施工质量差造成的. 4.3断层效应和场地地震效应显着 本次地震的发震断裂为民乐一永昌隐伏断裂,断裂面倾向北,为逆断层.本次地震的震害分布在垂直于 东西向民乐一永昌断裂的方向衰减较快,而平行于其走向的方向上衰减相对较慢,这与该断裂的展布特征是 一 致的.从震害分布情况看,震害较为严重的极灾区分布于东西向民乐一永昌隐伏断裂的以北和北北西向 童子坝河隐伏断裂以东,且向北和向东衰减速度明显比向南和向西衰减速速度慢.可以看出,发震断层两侧 震害存在明显差别,上盘(北盘)震害明显较大,而下盘(南盘)震害稍轻,断层上盘效应明显.从烈度区的分 布范围看,沿断层带震害明显加重,地震动向东边的衰减要比西边慢,尤其是?度区.在山区地貌条件下,震 害的差异远大于平原区,这也是造成震区灾害波及范围较大的原因. 地形高差和局部地貌条件(高山山梁及孤突山梁)对地震动的放大效应非常明显,直接影响到地震灾害 程度的分布.许多居民点依山而建,是造成震害严重的重要原因.破坏严重的生地洼山,东山,杨家湾,磨 湾,九个窑等村以及烈度异常区的b里沟,石家沟等村与场地条件有明显的对应关系.在炒面庄,b里沟等 地所形成的震害异常区或异常点主要与此有关. 不同场地条件对地震的响应差别很大,地基土的种类,覆盖层厚度,地下水的埋深对震害均有较大程度 的影响.民乐县城一带场地主要由较为坚硬的砾石层组成,震害相对较轻.极震区的姚寨子村震害非常重 与地下水较浅有一定关系. 建设场地选择不当和地基处理不善是造成房屋破坏的一个重要原因.许多房屋位于地震时发生滑坡, 崩塌等部位,或者位于软弱土,条状突出的山咀,河岸和边坡边缘等场地上,加之地基处理失当或未作处理, 容易产生地基失效,房屋震害通常很重,如东沟,东坡等村庄. 4.4黄土地震灾害突出 黄土滑坡和崩塌主要集中于?度和?度区,地震直接造成死亡的8人中有6人是因为黄土滑坡诱发窑 洞坍塌所致,且压埋了大量牲畜.震区内还出现了不同规模的震陷坑,在东山村等地,黄土震陷导致房屋破 坏严重.非构造裂缝在震区比较发育,一般分布于黄土山坡,滑坡体的后缘及道路旁,对农田和交通造成了 一 定的破坏.黄土窑洞在震区常见的震害类型有窑脸塌落,土体坍塌,洞顶坍塌以及滑坡引起窑洞整体破坏 等(图4),本次地震中窑洞的破坏主要集中于震中区的郭家村以南一带.震区死亡人员主要是窑洞坍塌所 致,其中窑洞结构不合理是导致洞顶土体坍塌的主要原因,个别窑洞位于不稳定的边坡上,地震诱发滑坡而 引起窑洞整体塌毁,压埋人员与牲畜. 黄土地区特有的地震灾害现象,黄土震陷,滑坡与崩塌加剧了震害.在新墩等村庄,河流阶地上含水量 10o世界地震工程22卷 相对较高的黄土产生震陷导致房屋破坏严重. 图4震区黄土地震滑坡和黄土路基塌陷 4.5地震动的方向性特征明显 根据房屋破坏的特点,围墙倒塌情况,滑坡和窑洞坍塌情况,黄土山坡上裂缝的发育特点等因素综合分 析,地震动的方向性特征较为明显,近东西方向占优,这可能与发震断裂的破裂方向有关. 4.6生命线工程震害比较突出 水利设施:民乐县双树寺水库大坝,翟寨子水库大坝,坝顶均出现一条通长纵向裂缝长约401,560m,最 大宽度达2cm左右,防浪墙局部产生错动.大坝右侧围水山体产生滑坡.瓦房城水库围水山体的混凝土护 坡有小块滑动,破坏.李桥水库坝顶有纵向裂缝多处,缝宽在2,5mm,其中一条长约lOOm左右,出现横向 贯通裂缝.瓦房城水库输水锥形阀门设备失灵,}肖能箱错位,无法关闭造成泄水.翟 寨子水库分洪闸开启失 灵,竖井闸室产生破坏.输水干渠,溢洪道,防洪渠等产生不同程度裂缝,局部产生滑塌. 交通系统:地震发生后由于水库紧急泄洪而造成路面侵蚀及冲毁.路面产生裂缝或坍塌,边坡崩塌阻塞 道路.桥梁震害主要表现为拱顶,隔板,桥墩,桥台等产生裂缝,个别桥基下沉.涵洞盖板,台身,墙身等出现 裂缝,严重者断裂. 供排水和供暖系统:供水管道出现不同程度的爆裂,错位及漏水,取水井房震毁断裂,水塔塔身倾斜,开 裂.高位水池,清水池,雨污井出现破坏,部分供暖管道出现裂缝. 电力系统:部分变电所设备构架基础损坏,变压器烧毁,冷却油箱裂缝,外鼓.部分电杆倾倒或出现环形 裂缝,线路损坏. 通信系统:部分广播设施,城乡有线广播电视网,广播电视设备,电信和移动通信设施在地震中遭到破 坏,主要表现为杆架倾斜或震倒,线路受损拉断,交换机站,铁塔,光缆,入户线,电源受损,设备移位或震落摔 坏等. 4.7文物地震灾害较为明显 本次地震张掖市辖区范围内多处全国重点文物受损,马蹄寺石窟群的金塔寺东窟,马蹄北寺3号窟,千 佛洞1号窟的壁画,窟檐,窟体,造像等受到损坏或病害加重;张掖大佛寺的大佛殿墙体和民乐元通寺塔塔顶 等也出现裂缝.尤其是马蹄寺石窟群距离震中区较远,暴露了文物抗震防护中存在着许多隐患. 被称为"露天博物馆"的山丹长城是全国保存最为完整的土夯长城,在山丹境内长达98.3km,汉,明长 城并行更为一大奇观.本次地震中,汉长城基本无损,而明长城有5处损坏,汉明长 城交汇处的烽火台倒塌 lm,作为省级文物保护单位的揣庄烽火台基本全部倒塌. 4.8农田灾害较重 地震发生后,由于水库采取紧急泄洪措施,导致童子坝河和洪水河中,下游河谷地带部分农田被淹或冲 毁.在极震区,地震诱发了大量滑坡,农田遭受破坏.高河岸地带在地震及重力作用下,加之受洪水侵蚀,造 成两岸农田产生裂缝或崩塌.沟谷深切地带,高阶地边缘黄土崩塌现象较突出,破坏了农田.在发震断层附 近和极震区内的一些黄土梁,峁上,裂缝纵横交错,农田受到一定程度的破坏.同时,崩塌或滑坡造成部分农 田被掩埋. 3期石玉成等:2003年甘肃民乐一山丹6.1,5.8级地震震害特点及启示101 4震害经验与启示 (1)重视对近源地震动强度分布特征和发震断层引起的地面变形以及断层的上盘效应等问题的深入研 究,注意对隐伏断裂地震活动性的研究以及地形地貌条件对地震灾害影响程度的定量分析研究. (2)重视居民点建设的场地选择和地基处理,本次震害经验表明,地震时建筑物的破坏与建筑场地的环 境关系极大.为了提高房屋抗震性能,对群居及散居点在建房前均应对诸如地质,地形地貌,土质条件,地下 水埋深,以及地震时可能引发次生灾害的场地环境,要进行严格的全面考察.选取对抗震有利,生活方便,交 通便利,便于习作的场区或场点,尽量避开危险区或不利区.依山而建的房屋,山梁上的房屋或半挖半填地 基上的房屋,其震害较重,一定要做好地基处理工作. (3)震区的民房中,土木结构房屋占多数.该类型房屋具有就地取材,因地制宜,施工 简便的优点,且经 济实用,因此在我国西部广大村镇,尤其是经济尚不宽裕的地区的建设中仍大量采用,但其抗震能力差,建议 今后加强该类房屋的抗震性能研究. (4)本次地震震害经验表明,由于农村建房大都未进行抗震设防和设计,农民缺乏对房屋抗震知识的了 解和对房屋抗震经验的总结与推广,只是根据传统方式和房主的爱好随意建造,严重影响了房屋的抗震稳定 性,从而导致震害严重.同时,政府开展防震减灾宣传教育不够,有关部门特别是城建部门和乡镇部门对农 村房屋建设的管理比较薄弱,从而造成了农村房屋建设中的盲目性.城镇建筑房屋虽进行了抗震设防,但由 于抗震设计未严格按照规范执行,加之施工质量得不到充分保证,部分建筑也产生了较为严重的震害.城乡 结合部的房屋大都未进行抗震设防和正规设计,房主的主观随意很大,房屋的抗震可靠性较差. (5)本次地震的经验教训表明,只要在宅地选择,地基处理,结构设计,施工工艺和质量等方面采取合理 的对策和必要的抗震措施,就可以有效减轻地震造成的损失.同时,随着经济建设的发展,要依靠科技进步, 大力开展抗震技术推广活动,接受科学的建房观念,逐步提高乡镇和农村住宅的抗震防灾能力. (6)要加强对生命线工程抗震设计施工和维修管理,震区地形复杂,高差悬殊,地层结构变化大,电力和 通讯系统处于边坡或坡脚地带的架空线路电杆,受到边坡稳定性的影响很大,应加强线路的巡察和检修工 作,对不利地段线路可加杆或移杆,对杆塔基础采取加固措施.对架空线路的薄弱地方,如终端杆,飞线杆, 跨越杆,角杆等,应增设拉线,撑杆,帮桩等进行加固.对于生命线工程中的重要设备, 尤其是高柔设备(如 隔离开关,避雷器,电流互感器,开关柜,配电屏,交接箱等)要注意与地面连接处的加固;蓄电池要加设支 撑,位于支架上的变压器要注意采取固定措施. (7)要加强规划管理及防震减灾科普宣传教育.大量震害经验表明,许多震害是与人们缺乏地震及防 震减灾科普知识有关.因此加强地震及防震减灾科普知识的宣传教育,是减轻地震伤亡和损失极为重要的 问题.特别是广大农村,要加强对民用房屋结构在地震中存在的主要隐患及震害表现和改进,提高其抗震性 能的方法,措施的宣传与教育,并进行推广及普及. (8)震后恢复重建要科学决策,对于地震区房屋的修复与重建工作,要认真总结经验,教训,实行科学决 策,统一规划,一定要考虑抗震设防要求,因地制宜地采取必要的抗震措施. 5结语 本次地震所呈现出的清晰的地震破坏现象和特点值得深思,特别是强震对农村社会经济的冲击和影响, 给人们留下了深刻的印象.目前农村地区民房建设没有相关的国家技术规范的指导和相关的法律法规的保 障,通过这次地震我们再次看到农村地区防震减灾工作仍十分薄弱,农民普遍抗震意识淡薄.农村民居基本 不设防,农民建房未纳入规范管理,村镇规划未考虑地震安全问题等,已成为全面建设小康社会的制约因素. 新时期农村建设对防震减灾事业提出了新的要求,各级政府应把广大农村的地震安全问题提到议事日程,大 力推进地震安全农居工程的规划实施. 参考文献: [1]CB/T17742—1999,中国地震烈度表[s].北京:中国标准出版社,1999. [2]CB/T18208.3—2000,地震现场工作第3部分:调查规范[s].北京:中国标准出版 社,2001. [3]石玉成,林学文,王兰民.黄土地区生土建筑震害特征及防灾对策研究[J].自然灾 害,2003,12(3):87—92.