0 引言

2017年8月8日21时19分, 四川省九寨沟县(33.20°N, 103.82°E)发生7.0级地震, 震源深度20km。截至8月13日20时, 此次地震共造成25人遇难, 525人受伤, 6人失联。同时, 还造成山体滑坡、崩塌及建(构)筑物不同程度受损, 灾情涉及四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县、若尔盖县、红原县、松潘县及绵阳市平武县和甘肃省陇南市文县及甘南藏族自治州舟曲县、迭部县。笔者在震后奔赴九寨沟地震灾区开展地震现场的烈度调查和震灾评估等工作。

甲蕃古城(33.244°N, 103.741°E)坐落在九寨天堂甘海子风景区, 为原生态藏羌建筑, 其充分保留了藏羌建筑自然主义的朴素思想, 以藏羌文化为底蕴, 人文风情为主题, 融合了藏羌历史、人文、宗教等多种特色民俗文化元素。当地政府对甲蕃古城的保护秉持发掘、整理、收藏的理念, 努力全面恢复当年松赞干布在甘海子驻军的古城原貌, 现有的建筑形式为遗址整理, 保护工作力求在“残破”中设置现代实用功能。甲蕃古城的建筑物主要由3大部分组成, 即藏寨群落、大剧院、博物馆群等。建筑物外墙装饰全部采用当地片石, 重现当年街景、建筑、店铺、寺庙、宗教活动等的盛况。游客可从中领略到藏羌人民高超的建筑艺术和深厚的文化底蕴。九寨沟7.0级地震使甲蕃古城的部分房屋建筑遭到破坏, 造成人员伤亡和财产损失。

本文基于地震现场震害调查, 研究甲蕃古城及其周边出现的崩塌和滑坡、玻璃窗墙体的破损和局部倒塌、片石砌体结构房屋倒塌、房屋开裂破坏等典型震害特征, 分析了鞭梢效应等, 探讨了房屋建筑抗震设计的加固方法及改善抗震性能的构造措施和Ⅷ度区的烈度评定方法及依据等, 以期为农村民居的抗震设防、减轻震害损失以及烈度评定等提供参考。

1 地震现场震害调查

中国地震局现场工作队依照《地震现场工作:调查规范》(GB/T 18208.3-2011)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2011)、《中国地震烈度表》(GB/T 17742-2008)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2008), 通过灾区震害调查、强震动观测记录分析、遥感航空影像震害解译等工作, 确定了此次地震的烈度分布。此次地震的最大烈度为Ⅸ度, 等震线长轴总体呈NNW走向(http://www.cea.gov.cn/publish/dizhenj/464/478/20170812211337414565961/index.html )。九寨沟7.0级地震主要震害特点为:震中区破坏强烈, 影响范围较大, 极震区相对集中, 主要分布于九寨沟县漳扎镇, 面积139km²。根据九寨沟7.0级地震烈度图可知, 极震区呈椭圆形, 长轴约18km, 短轴约10km, 宏观震中(33.24°N, 103.86°E)位于微观震中(33.20°N, 103.82°E)的东北侧约40°方向, 与微观震中的直线距离约为6km。甲蕃古城则位于宏观震中的正西约10km处, 地震现场灾评小组评定及专家鉴定认为, 甲蕃古城总体的损失相对严重。

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)(中华人民共和国质量监督检验检疫总局, 2015), 九寨沟县漳扎镇的抗震设防烈度为Ⅷ度, 设计基本地震动峰值加速度为0.20g, 设计地震分组为第3组。工程地质资料显示, 此次地震受灾区域的覆盖土层很薄, 其场地卓越周期接近于片石砌体结构和2~3层砖混结构房屋建筑的自振周期, 这致使房屋晃动很剧烈, 出现倒塌开裂、错位和大量贯穿型“X”形裂缝(洪海春等, 2013b), 大多数片石砌体结构房屋建筑的破损程度属于毁坏, 经济损失较大。周边山体多处出现崩塌和滑坡, 但地震裂缝、地震塌陷(形成陷坑、溶洞陷落)、砂土液化等地表变形或破坏现象均未明显出现。

1.1 崩塌和滑坡

甲蕃古城所处地区发育有砂岩、板岩、碳酸盐岩、硅质岩、火山岩、凝灰岩等组成的地层, 岩性比较复杂。在地震力触发作用下, 硬岩地层中通常发生的是崩塌类型的灾害, 而软岩地层中通常以滑坡居多。当断裂两侧的岩石力学性质差别较大, 地形、地貌差异显著时, 地震触发产生的大量山体滑坡、基岩崩塌以及滚石崩落等是造成地震地质灾害比较严重的主要原因(洪海春等, 2013a)。崩塌和滑坡会造成道路损毁阻塞、植被破坏、汽车被砸坏等, 是典型的地震地质灾害。

因此, 岩石在地表受到风化、降雨等外力作用, 会产生裂隙或变得松软, 地震则是产生崩塌和滑坡的诱因。地震地质灾害发生的前提条件是需要有长期地质变化的积累。当山体、岩层情况稳定, 而地震的能量又不足以影响地质情况发生变化时, 地震后也可能不会发生大规模的崩塌和滑坡等。

滑坡和崩塌导致自然山体破碎斑驳, 图 1为甲蕃古城周边的新鲜滑坡体。当余震发生时, 仍然不断有块石滑落, 植被遭到破坏, 直径10cm左右的树木被砸断; 同时, 滑坡和崩塌也改变了山河的面貌, 图 2为甲蕃古城的北侧道路被滑坡和崩塌中断交通的情况, 最大崩石的体积约50m³。

1.2 玻璃固定窗破损和局部倒塌

玻璃幕墙通常承受重力荷载、风荷载、地震作用及环境等的影响。一般情况下, 玻璃幕墙的设计和施工会考虑永久荷载(风荷载)、地震作用、温度作用等。因此, 地震后大多数保存完好, 鲜有相关的震害报告。然而, 以往地震中常规玻璃固定窗和砌体填充墙体却出现大量破坏。震害调查表明, 玻璃固定窗破损与主体结构破坏间具有明显的相关性。

汶川8.0级大地震中, 汶川、北川、德阳、绵阳等经历强震的城市, 玻璃固定窗和玻璃幕墙的抗震性能表现出与历次大地震相同的规律性。玻璃窗的破坏都比较普遍, 安装在墙体严重开裂、破损或框架明显侧倾建筑中的固定窗往往窗框扭曲、玻璃破碎飞散; 在相同状态建筑中的幕墙则震害很少, 常常完好无损。因此, 玻璃幕墙的位移耐受性能远大于玻璃固定窗。地震中只要主体结构尚未倒塌, 幕墙一般都能保持完好。汶川地震中建筑幕墙的表现充分反映出只要按照规范的要求, 做好设计和施工, 就可使幕墙达到小震完好、中震可修、大震不掉的要求(赵西安, 2008)。

甲蕃古城九寨天堂大剧院的主体为钢结构, 其玻璃固定窗在地震时出现大面积的破损, 尤其是高度在3m以下的部位, 钢化玻璃完全破碎和飞散, 只留下窗洞口(图 3)。由此可知, 地震的破坏作用非常强烈。同时, 片石结构的餐馆墙体出现大量裂缝和局部倒塌, 周边的砖混结构房屋存在贯穿性的交叉斜裂缝, 表明建筑物在地震中遭受反复水平运动, 且位移较大, 这种情况下窗玻璃会大量破碎(图 4)。因此, 玻璃幕墙比玻璃固定窗的平面内变形能力大得多, 可在地震的较高烈度区内免受震害。

1.3 片石结构房屋倒塌毁坏

片石结构房屋通常无正规设计, 基本无抗震设防构造措施, 施工工艺不规范, 其缺点包括整体性与稳定性较差、材料本身抗拉性能较差、连接性能较差等, 存在着众多不利于抗震的缺陷, 在中强地震作用下容易发生石墙外闪、承重墙体局部倒塌或者严重破坏等。

甲蕃古城周边的甘海子跑马场有藏羌建筑几十栋, 为2005年左右使用的拆迁安置房, 现今无人居住, 均属于片石砌体结构(图 5)。甲蕃古城假日酒店餐厅的主体为框架结构, 但连廊装饰部分墙体采用片石砌体结构, 因而出现局部垮塌的情况, 造成室内物品被砸毁等(图 6)。因此, 建筑材料、结构形式和施工质量等是保证房屋建筑抗震性能的主要因素。

藏羌建筑的施工过程中, 砌筑时的灰浆多采用石灰浆、黄土泥浆或二者混合使用, 水泥等胶结材料较少, 这导致片石间的粘结力较低。同时, 片石本身比较破碎、不规则、不平整, 缺乏抵抗水平地震作用的拉结构件, 耗散变形能量的能力较低, 其整体结构性较差, 砌体及砂浆存在腐蚀、剥蚀和风化等现象。同时, 未设置配筋砂浆带等, 不符合《镇(乡)村建筑抗震技术规程》(JGJ161-2008)(中华人民共和国住房和城乡建设部, 2008)的施工要求。因此, 片石砌体结构房屋建筑的抗震性能较差, 以致在震后出现严重破坏、局部垮塌和整体毁坏的情况。

1.4 墙体开裂破坏

甲蕃古城假日酒店近20万m²的建筑均为原生态藏羌风格, 不论官寨酒楼、大剧院、碉楼, 还是小酒吧, 外墙或采用当地片石装饰或用石块砌成。假日酒店为6层的多层建筑, 属于框架结构, 主体结构基本完好, 但墙体出现大量“一”字形裂缝, 窗间墙也出现长约1m的裂缝(图 7)。假日酒店的外墙装饰层整体出现不同程度的龟裂, 部分外墙装饰层掉落(图 8)。

周边房屋建筑的墙体大量出现“X”形交叉斜裂缝, 长度约1.5m, 个别甚至出现墙体大型贯通裂缝等, 其裂缝最宽处约3cm(图 9、10)。嫩恩桑错派出所的地面出现不均匀沉降, 高差约10cm。窗间墙周边的砌体墙容易发生开裂和破坏, 窗户玻璃振裂甚至振碎, 有一扇房门的下部被振落掉下。部分墙体产生垂直于墙面方向的错动, 其错距在水平方向最宽处约5cm。

“一”字形裂缝主要产生在填充墙与框架结构的结合部位, 相对而言比较容易修复。砖混结构墙体“X”形交叉斜裂缝是典型的剪切裂缝。墙体抗剪承载力不够, 地震发生时在承受水平荷载状况下, 墙体受到的剪力超过墙体的抗剪强度, 就容易产生“X”形交叉斜裂缝。裂缝交叉点基本上在墙体中心位置, 在地震荷载作用下, 裂缝交叉位置出现贯穿情况, 属于破坏相对比较严重的部位(周云等, 2009)。墙体“X”形剪切裂缝对墙体内部和整体损伤较大, 开裂处的砖块被剪断, 有的砖块劈裂、剪压破碎, 通常这类房屋可采用高标号水泥砂浆灌缝, 在墙体外表面裂缝处(剔除装饰层)铺一层钢板网或钢丝网并抹高标号水泥砂浆修复和加固。

2 地震鞭梢效应

甲蕃古城共有6座碉楼, 其中, 最高的10层, 高度约30m, 由下至上截面尺寸逐渐减小, 属于框架结构, 填充墙和外墙均采用片石, 填充墙墙体在水平方向上有起伏, 中间部分突出, 靠近柱体部分凹陷(图 11)。地震发生后, 主体结构基本完好, 外墙片石在框架墙体处崩落较多, 填充墙局部崩落。碉楼自下而上的震害程度基本相同, 鞭梢效应并不明显(洪海春等, 2014)。尽管鞭鞘效应存在, 但最上层碉楼本身也基本完好。假日酒店是6层的多层建筑, 属于框架结构, 自下而上的震害程度也基本相同, 其破坏程度为中等破坏。

在地震破坏作用下, 1栋3层藏寨店铺的楼顶天线出现略微倾斜(估算小于10°), 该店铺属于框架结构, 主体结构基本完好, 外墙片石局部崩落, 玻璃窗的玻璃基本破碎(图 12), 这是鞭梢效应产生震害的典型案例。国内外多次较为严重的破坏性地震的震害调查中发现, 突出屋面的部分震害普遍严重。总体而言, 按照相关规范和要求进行建筑抗震设计, 通过适当调整结构的刚度或质量分布使突出物的基本自振频率与整体结构的低阶频率差值增大, 可减少鞭梢效应的影响, 为建筑结构设计和建筑物安全提供更可靠的依据(洪海春等, 2013b)。同时, 框架多层结构房屋建筑的鞭梢效应不明显, 其上部和下部的震害基本一致, 建议推广使用。

3 地震烈度评定探讨 3.1 近场大震强地震动作用

九寨沟百河强震台距甲蕃古城约35km(其余台站均距离更远且加速度峰值更小), 获取的主震三分量加速度记录(未校正)如表 1所示。由表 1可见, 加速度峰值分别为-129.5、-185.0、-124.7cm/s², 而九寨沟县漳扎镇的抗震设防烈度为Ⅷ度, 设计基本地震动峰值加速度为0.20g, 设计地震分组为第3组(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2015)。

由此可见, 九寨沟地震对甲蕃古城的地震动作用略低于房屋建筑50年设计基准期内预计可能遭遇到的地震动作用。因此, 在强地震动作用下, 甲蕃古城相当于多数正规设计的房屋建筑遭到了中等破坏, 接近于其抗震设防烈度, 且处于九寨沟7.0级地震的重灾区, 故判定甲蕃古城的地震烈度为Ⅷ度。

3.2 综合判断分析

重灾区甲蕃古城的地震地质灾害主要是崩塌和滑坡, 规模较大, 植被破坏较重。由于重灾区的地质构造发育, 山高坡陡, 雨水充沛, 而且岩性脆弱, 风化严重, 岩体破碎, 地质环境比较脆弱, 使得崩塌和滑坡这2种形式的地震地质灾害比较严重, 为地震破坏作用的外在表现形式。

2008年汶川M_S8.0、2013年芦山M_S7.0地震后, 砖混结构的圈梁、构造柱及框架结构的使用比较普遍, 大多数房屋建筑的抗震性能普遍提高。因此, 笔者建议九寨沟地震对于烈度的评定不能单纯以某类房屋震害程度的评定为主, 而应综合考虑地震地质灾害和不同类型房屋的平均震害指数。

4 结论

(1) 在中国地震局发布的九寨沟7.0级地震烈度图中, 甲蕃古城实际地震烈度为Ⅷ度, 震害现场调查的结果与烈度图一致, 依据充分, 符合国家标准和规范。

(2) 崩塌和滑坡可以较好地快速辅助判定地震烈度, 尤其是对于大多数房屋建筑抗震性能较好的地区。

(3) 建议减少玻璃固定窗的使用, 而尽可能采用耐受性能较好的玻璃幕墙。

(4) 当地藏羌农村居民应尽可能改变使用片石结构的建筑习惯, 保证砖混结构的圈梁和构造柱等构造措施, 推广框架结构的使用。

(5) 震害现场调查表明, 宣传防震减灾科普知识和推广抗震设防技术方法, 提高广大民众的防震减灾意识, 可以尽可能避免人员伤亡和减少地震灾害损失。

致谢: 感谢中国地震局九寨沟7.0级地震现场工作队的领导和专家等提供的帮助。