引言

2008年5月12日下午2点28分(北京时间),发生了汶川特大地震,其面波震级为Ms8.0,地震震中位于北纬31.021º,东经103.367º,震源深度14km。截止到2008年10月21日12时,共发生4.0级及以上余震270次,5.0级及以上余震40次,6.0级及以上余震8次,最大余震为6.4级。

汶川地震发生在龙门山断裂带上,控制本次强震发生的断裂是北川-映秀断裂,沿北川-映秀断裂展布的地表破裂带长约240km,以兼有右旋走滑分量的逆断层型破裂为主;沿灌县-江油断裂展布的地表破裂带长约72km,为典型的纯逆断层型地表破裂(徐锡伟等,2008)。

汶川地震是中国近50年来发生的破坏性最强、波及范围最大的地震,地震造成了十分巨大的工程破坏、人员伤亡和经济损失。四川、甘肃、陕西和云南等地区地震动强度均十分强烈,远则近千公里和上千公里外的山西、北京、河北、山东、上海和福建等地也具有一定程度的震感,国家强震动观测台网系统在这些地区获得了一些强震动观测记录(Li Xiaojun等,2008a;2008b)。从地震释放的能量、灾害波及区域面积、受灾人口和经济损失等方面来看,此次地震超过了1976年我国唐山大地震。基于地震灾害调查的结果给出了本次地震的烈度分布如图1所示(袁一凡等,2008)。地震震中烈度高达Ⅺ度,汶川县映秀镇、北川县城和陈家坝乡处于Ⅺ度区内,遭受了毁灭性破坏。Ⅺ度区面积约2419km2,以四川省汶川县映秀镇和北川县城为两个中心呈长条状分布,其中映秀Ⅺ度区沿汶川一都江堰一彭州方向分布,长轴约66km,短轴约20km;北川XI度区沿安县-北川-平武方向分布,长轴约82km,短轴约15km;X度区主面积约3144km2,沿北川-映秀断裂分布,呈北东向狭长展布,长轴约224km,短轴约28km,东北端达四川行青川县,西南端达汶川县。

汶川地震后,中国地震局组成汶川地震现场应急和科考工作队伍,开展了较为系统的震需调查和地震灾害损失评估以及初步科学考察工作。另外,各部委的研究单位和许多大学的研究人员也积极开展了震害调查工作。利用地震调查资料,一些学者对汶川地震灾害现象进行了初步分析,给出了一些分析结果(陈肇元等,2008;娄宇等,2008;孙景江等,2008;袁一凡等,2008;张敏政,2008;中国建筑科学研究院,2008)。作者在地震后赶赴灾区,开展了地震救援和灾害调查工作,特别是在极震区北川县城区对震害进行了详细的调查。本文基于调查得到的第一手资料,对极震区北川县城的震害现象进行具体分析。

1 震害调查与震害概况

北川县城位于汶川地震的极震区XI度区内(如图1所示),它是地震严重影响区内人口最为集中的城镇,也是工程破坏和人员伤亡最为严重的城镇。地震后作者对北川县城区开展了4天的地震救援和地震灾害调查工作。在唐家山堰塞湖泄洪后,作者又再次进入北川县城区进行了进一步的灾害补充调查。在这两次现场灾害调查中获得了丰富的地震灾 害第一手资料,并收集了一些震前和震后的照片资料,从而形成了涵盖北川县城区震前、震后、唐家山堰塞湖泄洪后及9月末泥石流冲袭后四个阶段的资料,为分析地震灾害现象提供了基础。

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图 1汶川地震烈度分布图(袁一凡,2008 Fig. 1Seismic iso-inteosity map ofWcochuan earthquakc (from Yuan Yifan,2008)

地面调查和收集到的航拍震害资料展示了此次地震的一些震害现象,包括房屋建筑和生命线工程的震害以及山坡和河岸滑坡现象。北川县城在本次地震中被彻底毁坏,成为一座废墟城被迫放弃迁址重建。龙门山断裂带的中央断裂从城区东侧通过(周庆等,2008),断层错动地表破裂和大变形以及强烈地震动导致城区多个大型滑坡产生以及跨河人行桥梁和主干公路桥梁——石蓑衣大桥毁坏、绝大多数房屋严重破坏或倒塌,而滑坡体掩埋了许多房屋建筑(也包括学校楼房),如图2所示。

对比图2A所示的震后与震前照片可以看到,城区内有2个大规模滑坡和若干较小规模滑坡。其中一个大规模滑坡是位于老城区西北部的王家岩滑坡,滑坡体向前推移了100多米,曲山镇小学(旧校区)、曲山镇幼儿园、北川县医院、县武装部、曲山镇派出所、北川地税局、县委、粮食局、文教局、商业局、医药公司、财政局、电力公司等场所被掩埋,而位于滑坡体前沿的房屋被滑坡土石冲击浪摧毁;另一个大规模滑坡是位于新城区东南部的景家山滑坡,茅坝中学(北川中学新区)、公安局、水利局和周围大片的居民楼等场所被掩埋和毁坏。由于近断层的强烈地震动导致老城区和新城区的绝大部分房屋建筑遭受严重破坏和毁坏,同时城区的跨湔江公路大桥——石蓑衣大桥严重破坏而且部分跨段坍塌,经湔江江心公园连接新老城区的两座悬索人行桥梁中的一座遭破坏(另一座基本完好)。

图2A和图2B所示的震后与震前照片对比进一步表明,老城区河岸和王家岩滑坡之间及附近区域是主要现代高层建筑密集区,这些房屋几乎全部倒塌形成废墟残丘,几栋尚存建筑亦是严重破坏和局部垮塌。图2C显示,老城区最南部的老式单层和多层房屋亦几乎完全坍塌或被荡为平地。虽然其它区域的建筑完全倒塌率较这两个区域的小,似乎仍有不少站立着,但实际上已没有几栋建筑没遭受毁坏和局部垮塌灾害。

从图2A和图2D所示的震后与震前照片还可以看到,新城区河岸及附近区域密集的现代高层建筑大部分倒塌形成废墟,残存建筑亦是严重破坏或局部垮塌。北川县城区最高建筑——青少年活动中心亦即农业银行大楼及附近的多栋五、六层的其它办公大楼在地震中遭破坏而坍塌。

图2E为跨湔江的石蓑衣大桥震后和震前照片,地震使桥梁龙尾隧道西侧段完全垮塌、隧道东侧段严重损坏。

地震使湔江北川上游段形成了唐家山大型堰塞湖,堰塞湖的泄洪导致北川县城区灾害的加重。图3展示的泄洪前后灾害状况的对比说明,泄洪引起了江心岛公园和其上建筑物的毁灭、河岸坍塌和山体滑坡、石蓑衣大桥隧道东侧段垮塌、经江心岛公园连接新老城区的两座悬索人行桥消失。从而形成了严重的地震次生灾害。

9月24日的暴雨,致使北川I县城附近多处山体产生滑坡和泥石流,特别是老城区背后的任家坪西坡发生的滑坡泥石流加之湔江洪水的冲刷,县城地震废墟大量被泥石冲毁和淹埋,地震遗迹遭到了严重破坏。图4展示了老城区南部几乎全部被泥石掩埋的现象,淹埋深度最深处超过10m。任家坪西坡滑坡和大规模泥石流的产生与地震导致山体松动及已有地震滑坡体的存在有着密切的关系。

2 震害特点分析

北川县城整体上遭到了毁灭性的破坏,90%以上建构筑物严重破坏或倒塌。但经详细震害调查,仍然可以总结出一些震害特点。

(1)滑坡和地基失效结构破坏

北川县城处于狭窄的山谷中,尤其是老城区,而且在新老城区中间有一条河流通过,老城区地势较高。除了两个大型滑坡体掩埋了大量的房屋建筑之外,山坡和河岸的破坏也导致了大量的房屋倒塌。老城区河岸与王家岩滑坡之间的区域(坡岸地带),房屋几乎全部坍塌(如图2B、图3B和图5A所示),仅仅县政府职工宿舍楼毁坏而不倒。新城区河岸区也出现了大量房屋坍塌(如图2D和图5B所示)。这些房屋出现坍塌与近断层的强烈地震动作用导致结构振动破坏密切相关,但山坡、河岸的破坏与滑动(老城区的可能属于王家岩滑坡体前沿)导致房屋建筑地基失效和结构失稳应该是这一灾害现象产生的更主要原因(如图5A和5B所示)。图5C和5D显示了两座桥梁的破坏情况,桥梁两岸桥墩基础滑移引起桥墩基础失效是桥梁破坏的重要因素。由于河岸滑移将两岸桥墩向河心推移挤压梁和桥面,使桥梁产生破坏(图2E-1,图5C)。河岸区地基失效,除滑坡作用外土体一结构相互作用引起地基破坏也是主要原因。


震后情景(Image after earthquake) 震前景观(Image before earthquake)
图 2北川县城地震前后情况(部分为网络照) Fig. 2Images of Beichuan county taken before and after earthquake

泄洪前情景(Image before flood releasing)    泄洪后情景(Image after flood releasing)
图 3北川县城泄洪前后情况(部分为网络照) Fig. 3Images of Beichuan county taken before and after flood

泥石流前情景(Image before debris flow)     泥石流后情景(Image after debris flow)
图 4北川县城泥石流前后情况(网络照) Fig. 4Images of Beichuan county taken before and after debris flow

图 5山坡、河岸区域房屋彻底坍塌和桥梁破坏 Fig. 5Complete collapse of buildings and damage to bridges in hillside and riverbank areas

(2)结构整体破坏坍塌

北川县城处于汶川地震的发震断层龙门山断裂的中央断裂穿越区,且位于断层破裂的第二个能量释放中心之上(王卫民等,2008),北川县城区的地震动强度十分之高,其地震动峰值加速度可能接近或超过1g。在这样极强烈的地震动作用下,工程结构产生了严重破坏,包括整体破坏而坍塌。图6展示了北川县城区一些典型的房屋建筑整体破坏而坍塌的震害现象。北川县城区最高建筑——青少年活动中心(图2D-2),八层钢筋混凝土框架结构建筑亦发生了整体破坏而坍塌的震害,如图6A所示。框架结构建筑坍塌破碎到如此景象实属罕见。

图 6结构整体破坏坍塌 Fig. 6Collapse of buildings due to integral structure failure

(3)柔底层结构建筑破坏

北川县城为小型旅游型城市,由于商业的需要,县城特别是新城区街道两侧的建筑几乎均为办公和商住楼房。这些楼房多为底框架或底层空旷的多层砌体结构和钢筋混凝土框架结构建筑,此类柔底层结构建筑在强烈地震作用下往往导致柔底层破坏甚至坍塌。汶川I地震中,北川县城的绝大多数柔底层房屋发生了柔底层破坏,导致房屋整体下坐、倾斜、移位或整体坍塌等震害现象,如图7所示。

图7A所示,为两栋楼房呈“L”形相邻,地震导致两栋楼房的空旷底层破坏,平行街道(东西向)的5层楼房底层破碎下坐,垂直街道的3层楼房(图中露出红砖墙部分)底层破碎并向北移位约3m后下坐。图7B所示为两栋4层楼房呈“一字”形相邻,地震导致两栋楼房的空旷底层破坏,左边(北侧)楼房向北移位约3m下坐,而右边(南侧)楼房震害很轻。图7D所示为北川职教中心的学生宿舍楼(4层砌体结构)破坏现象。从上述图中所展示的震害还可以看到,柔底层房屋上部结构破坏形式又分三类:第一类是房屋建筑柔底层以上部分保持较好的状态,仅发生了中等或轻微破坏(图7A、B、C、E所示),这一类数量较大;第二类是房屋柔底层以上部分结构破坏严重(图7D、F、H所示);第三类是房屋柔底层以上部分随柔底层的破坏而毁坏,形成楼房整体坍塌(图6E所示)。

图 7柔底层结构建筑坍塌破坏 Fig. 7Collapse of soft lower story of buildings

(4)极震区房屋震害异常现象

北川县城处于汶川I地震的极震区烈度Ⅺ废区内,绝大部分房屋产生了严重破坏或毁坏。但仍有少数房屋震害较轻,仅出现了中等或轻微破坏,或处于基本完好状态。图8给出了几栋震害较轻的房屋震后情况。我们对中国科学院青年JLJII希望小学的教学楼(新楼)(2层砌体结构,图8c,位于任家坪)进行了详细调查,该楼房结构几乎未受损伤(仅几处墙体轻微裂缝,但难以判别是否是地震裂缝);而近邻的2层砌体结构教学楼(老楼)则遭受了严重破坏。曲山电站办公楼(2层砌体结构,图8B)仅出现了墙体轻微裂缝的震害。邻近青少年活动中心的一栋5层砌体结构住宅楼也处于基本完好状态(图8E)。图8A和图8F展示了两栋基本完好的空旷层砌体结构商住楼照片,而紧邻它们且结构形式类似的商住楼却发生了底层坍塌和整体坍塌。图8D展示的是两栋相邻的震时在建楼房,其中,钢筋混凝土框架结构楼房未遭受任何破坏,而砌体结构楼房(具有构造柱和圈梁抗震措施)则遭受了毁坏。然而前者未出现破坏可能与其没有完成楼板、墙体的施工,而缺少楼体自重荷载和使用上的附加荷载等因素有关。所以,并不能完全肯定其结构的抗震能力。后者为柔底层砌体结构商住楼,其破坏由柔底层的坍塌所致。

极震区这些房屋建筑震害异常现象是人们开展建筑抗震设防研究的重要资料。然而,需要进行细致的研究才有可能揭示这些现象产生的原因。作者认为这里既有结构抗震性能高的必然因素作用,也有近断层地震的变化和结构破坏的不确定性方面的作用。必然因素(如合理的结构形式和抗震措施等)的揭示势必促进建筑结构方法和技术的发展。

图 8极震区震害较轻房屋示例 Fig. 8An example ofsome survived buildings after ea叫hquake
3 经验和教训

通过对汶川地震中北川县城区灾害的调查和震害特点的分析,得到了一些经验和教训,主要有:

(1)汶川地震中,山区城镇——北川县城地震灾害展示了相对平原地区,山区大震灾害更为严重的地震现象(李小军等,2007)。这迫使人们更为关注山区城镇建设的抗震问题。

(2)断层错动地表破裂和大变形以及强烈地震动引发山坡和河岸滑坡及地基失效是导致北川县城区房屋和桥梁毁坏的重要原因。再次表明城镇建设避开大型活动断层穿越区的必要性。

(3)柔底层商用房屋建筑的底层破坏造成房屋毁坏是北川县城区的主要震害现象。旅游性城镇中柔底层商用房屋建筑大量存在,将大大加重大地震的灾害程度,尤其是导致房屋建筑的毁坏。

(4)相邻和具有相似结构形式的房屋建筑破坏程度和破坏形式具有十分明显的差异,给人们展示了大震近断层地震动以及其对工程结构影响的复杂性和随机性。

另外,北川县城区的非柔底层结构建筑的整体坍塌性破坏现象与柔底层建筑底层破坏坍塌而上部结构破坏较轻的震害现象的对比,带给人们一些启示,即是否应从正反两个方面来思考这一现象。一方面,柔底层的破坏引发建筑的整体发生不可修复的破坏,同时导致处于底层的人员伤亡。但另一方面,特大地震如汶川地震发生时,近断层的地震动十分强烈,在近断层地区确保一般性的房屋建筑不出现严重破坏或垮塌是十分困难之事,因为在极强烈地震动作用下确保结构的抗震能力既存在设防技术上的问题又存在经济上的问题。在极强烈地震动作用下通过底层破坏,牺牲底层使其上各层免遭严重破坏而引发房屋整体坍塌,可以挽救更多的人员伤亡。但无论如何,首先确保柔底层结构房屋的底层抗震能力,使其在设防大震水平下不至于倒塌是抗震设计的基本要求。在实现这一要求的前提下,再利用柔底层优先破坏的特点以实现在远远超出设防大震水平的地震作用情况时避免房屋整体倒塌的目标。这一思想早已有人开展过研究工作,只是汶川地震中北川县城区房屋的震害现象再次给人们以提示。

4 结语

本文基于作者获得的地震灾害调查第一手资料,对汶川8.0级特大地震造成的北川县城区的严重地震灾害进行了分析,指出了此次地震中北川县城区工程震害的主要特点及产生的原因,给出了一些经验和教训。作者希望研究结果有益于加深对汶川地震灾害特征的认识及为工程抗震设防提供参考。

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