黃土液化作用及其次生災害風險評估方法初探

摘要：2023年12月18日甘肅積石山6.2級地震引發的黃土液化泥石流地質災害，造成了大量人員傷亡和財產損失。以此為背景，系統梳理了液化調查、風險評估和風險區劃的工作思路：選定地區液化的內在和誘發因子，收集并分析資料，擬定調查工作底圖，以調查問卷的形式開展液化影響因素摸底工作，開展針對性的外業調查或輔以物探和鉆探工作，得到土壤液化發育潛勢實際材料圖;其后借用常規地質災害的評估方法，開展調查區域的易發性、易損性評價和風險評價，得到調查區風險區劃圖。利用此方法對積石山地震誘發的泥石流災害進行驗證，分析其液化災害的地質環境背景、形成機理和危害特征，并對其發生的風險進行評價。文章首次提出土的液化作用及其次生災害區域調查因子的選擇和風險評估的流程，可為開展土層液化作用及其次生災害隱患區排查、國土空間規劃，特別是高烈度山區集中居住點地質安全評估和選址建議提供參考。

關鍵詞：積石山MS6.2地震; 地震液化; 隱患排查; 風險評估

中圖分類號： P65文獻標志碼：A文章編號： 1000-0844（2024）04-0836-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240201001

Loess liquefaction effect and the risk assessment method

of its secondary disasters： a case study of

Jishishan MS6.2 earthquakePAN Jianlei LIANG Qingguo LIU Haisheng SHI Wei1， WANG Lili

（1. The Second Geological and Mineral Exploration Institute of Gansu Provincial Bureau of Geology

and Mineral Exploration and Development， Lanzhou 730020， Gansu， China;

2. Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730000， Gansu， China;

3. Key Laboratory of Loess Earthquake Engineering， CEA， Lanzhou 730000， Gansu， China;

4. State Key Laboratory of Continental Dynamics， Northwest University， Xi'an 710069， Shaanxi， China）Abstract：

The MS6.2 earthquake that struck Jishishan， Gansu， on December 18， 2023， induced several geological disasters， including loess liquefaction mudflows. These events caused a large number of casualties and property losses. Taking this earthquake as the background， this study aims to systematically outline the methodology for liquefaction investigation， risk assessment， and risk zoning. The intrinsic and induced factors of liquefaction in the study area were identified. The initial step involved creating a base map for the investigation， utilizing collected information and conducting surveys through questionnaires to identify liquefaction-influencing factors. Geophysical exploration and drilling work were then employed to ascertain the actual material map of soil liquefaction development potential. Conventional assessment methods for geological disasters were applied to carry out susceptibility， vulnerability， and risk assessments in the study area. These assessments led to the creation of a risk zoning map. The proposed method was used to verify the debris flow disaster induced by the MS6.2 earthquake. The geological environment background， formation mechanism， and hazard characteristics of the debris flow disaster were analyzed， followed by an evaluation of the risk involved. This study presents a pioneering approach to selecting regional investigation factors and performing risk assessments for soil liquefaction and its secondary disasters. These methodologies can serve as a reference for investigating soil liquefaction and its secondary disasters， as well as for land space planning. This is especially pertinent for geological safety assessments and site selection recommendations for concentrated settlements in high-intensity mountainous areas.

Keywords：Jishishan MS6.2 earthquake; seismic liquefaction; potential hazard investigation; risk assessment

0引言

土的液化作用，指因震動使飽和松散砂土或未固結巖層結構突然破壞而呈現為液態的現象。據統計，在地震對建（構）筑物的破壞中約占80%以上的地基失穩、基礎破壞歸咎于地震液化。土層液化產生的“砂涌”除造成地基破壞外，還會引發地表塌陷、地面沉降、地面溜滑或泥流等次生災害。因該類災害的隱蔽性和突發性，一旦發生其造成的后果往往是毀滅性的。針對此類地質災害，工程中把存在液化隱患的土層按照特殊土開展勘察、設計和專門性施工處理，采用換填、擠密、注漿或樁基穿透等方式消除其危害，起到了較好的預防作用。但在廣大鄉村地區，居民自建房尚未完全執行“先勘察、后設計、再施工”的基本建設程序，特別是鄉村外圍的耕種區，土體液化及其次生災害的隱患仍然存在。此次積石山6.2級地震引發了青海省民和縣中川鄉金田村附近發生土體液化，液化土沿著河道傾瀉產生了次生泥流災害，造成了大量人員傷亡和財產損失。因此，研究高烈度山區鄉村集中居住點及其周邊發生土層液化的內外部條件，確定一種精準可行的液化隱患排查方法，針對性地提出防治措施，對保護該類地區居民的生命財產安全尤為必要。

我國針對該類災害的調查和風險評估工作以臺灣省較為典型。截至2021年底，臺灣省已完成了土壤液化調查和評估工作，并公開發布了全省土壤液化潛勢圖集（風險分區圖）。其基本方法為：收集地區鉆孔數據，制作三維地層模型和屬性數據庫，再根據各個網格進行土壤液化分析，由點及面計算得出三維地層結構內液化易發性分區，并根據成災后可能造成的損失大小，劃定風險等級和風險分區［1］。

本文借鑒崩滑流等常規地質災害隱患調查和風險區劃分的思路，從研究土層發生液化的內部因素和誘發條件入手，通過資料收集、發放調查表、現場調查核查及針對性的勘察等手段，摸清工作區地震設防烈度、自然地理條件、地質環境背景和人類活動影響四類因子，確定工作區不同地段發生液化及其次生災害的可能性大小和潛在損失，評價其發生災害的風險等級和風險分區，針對性地提出防治措施建議。本文將上述調查評價流程進行固化，可供類似地區風險評價和風險區劃分提供參考。

1積石山地震液化引發的次生災害概述

積石山地震發生于2023年12月18日23時59分，震中位于甘肅省臨夏回族自治州積石山縣柳溝鄉（35.70°N，102.79°E）。根據應急管理部2023年12月23日18時發布的地震烈度圖（圖1），積石山地震最大烈度為Ⅷ度（8度），等震線長軸呈NNW走向，長軸124 km，短軸85 km。地震造成了震區大量房屋倒塌，村鎮道路損毀，并誘發了多處次生災害發生。此次地震涉及青海省2個市（州）4個縣（市）30個鄉鎮。

12月19日約0時20分，位于震中正北約13 km的青海省海東市民和回族土族自治縣中川鄉金田村突發泥流災害，“濃稠泥漿浪頭高達3 m，迅速翻滾的泥漿漫入了村莊”;大量因地震液化的“流土”沿著村內的河溝涌向下游，至金田村南部鄉村公路處，因溝道變窄，泥漿沖出河溝，造成鄉村公路兩側及下游共38戶民房被沖毀或掩埋，最終造成38人死亡，198人受傷的嚴重后果。

關于本次地震的震源機制分析、地震地質、次生地質災害及其分布特征和機理分析等，可參考文獻［2-5］。本文擬按照地震引發土的液化作用機理、破壞方式、隱患的判別和排查方法、風險評估、風險區劃分及防治措施建議的思路進行論述，梳理出土層液化作用及其次生災害隱患的影響因子和風險評估流程，最后以此次地震引發的土層液化次生災害為例，驗證該套流程的適用性，以期對區域土層液化及其次生災害隱患排查、風險區劃分和減災防災起到借鑒作用。

2土的液化機理與判別方法

2.1土的液化作用機理與破壞方式

土的液化機理可分為砂沸（噴砂冒水）、流滑和循環活動性三種類型，其對應的土類型及狀態、作用過程及變形特征均有所不同［5］。該類現象在飽水疏松砂層廣泛分布的海濱、湖岸、沖積平原，以及河漫灘、低階地等地區尤為常見。土層液化形成的流動土體暫時無任何抗剪性產生，其引發的次生災害包括地面下沉、地裂縫、地面溜滑和噴砂等，如圖2［1］所示。另外，若該類土體位于地表淺埋但封閉的狀態，液化土體則化作泥流在重力作用下向四周蔓延，形成“泥流”現象。

2.2液化判別常用方法

土的液化判別方法大致分為三大類：第一類為經驗分析法，如規范法、臨界孔隙比法、能量判別法、統計法;第二類為試驗測試法，如Seed簡化法、剪切波速法、靜力觸探法、標貫試驗法;第三類為其他方法，如概率法、人工神經網絡法、模糊綜合評價法、土層反應分析法及動剪應力對比法等［6-9］。

國外關于土體液化判別有著較為完善和成熟的方法與流程，如圖3［10］所示，其中的主要參數指標和判別結果也與我國現行規范類似。我國的《建筑抗震設計規范》［7］和水利水電、公路、鐵路等多個行業規范也提供了地基液化判別方法，一般分為初判和復判兩個層級。為國土空間規劃提供地質依據時可僅進行初判；具體選址論證時再開展液化復判，并采取相應的處理措施。本文液化初判主要依據《建筑抗震設計規范》［7］所提供的方法，即根據既有震害調查統計并結合國內外研究成果，基于經驗方法進行，其優點為便捷、快速、成熟、可靠。

3土層液化及其次生災害的風險評估方法

因該類災害隱蔽性強，發生概率低，但成災后危害往往是災難性的，生存概率小、救援難度大。作為一名地質災害防治從業者，面對突發的地質災害事故，首先想到的是：這種隱患如何才能提早發現并提前預防？能否如崩滑流等常規地質災害開展隱患排查、風險評估和風險區劃分？筆者參照常規地質災害防治的成熟經驗，嘗試提出針對該類災害隱患的排查、評價方法，并擬定一套可行的技術流程，以期對該類地區的減災防災起到一定幫助。

3.1隱患排查

土層液化及其次生災害風險評估實施流程按照：室內基礎工作→液化條件摸排→外業調查核查→風險評估→防治措施建議的步驟依次開展。根據液化發生的內外部條件，選取以下相關要素作為評價因子：地震設防分區、自然地理條件、地質環境背景條件和人類活動四項（圖4）。

各階段主要工作內容和評價因子說明如下。

3.1.1室內基礎工作

本階段任務為收集基礎資料，選定調查范圍并劃分重點調查區。采用最新1∶10 000遙感圖為底圖，將行政區劃、人口分布密度、房屋資產密度、土壤植被類型、國土空間規劃用途、自然溝道發育情況、泥石流溝分布等作為基礎要素，編制野外工作部署圖。其內容主要包括：

（1） 圈出地震設防烈度Ⅶ度及以上地區和歷史上發生過地震液化災害區，作為外業調查的范圍;

（2） 收集國家地下水監測網最新數據，初步確定地下水位埋深小于20 m的地質單元，作為外業核查的重點;

（3） 根據最新基礎地質調查資料，初步圈定第四系松散堆積層巖組分布區，作為外業核查的重點;

（4） 將歷史地震引發的土層液化受災面積、液化災情、隱患區面積，及上述通過已有資料確定的地下水位埋深小于20 m的地質單元和第四系松散堆積層巖組分布區相關信息，寫入項目設計書，作為下一步核查的重點。

3.1.2液化條件摸排

根據上文確定的設計書和工作底圖，在縣自然資源局統籌下，以鄉鎮為單元發放“液化發育條件調查表”，收集各地質單元液化發育條件，修訂隱患調查區范圍并進一步圈定重點調查區。

為縮小土的液化隱患調查區范圍，調查表組成主要為：

（1） 核實設計書內已有和未收集到的歷史有震感地震和土層液化造成的損失情況;

（2） 摸排水位埋深小于20 m的村莊，并根據所處的水文地質單元圈定其范圍;

（3） 摸排地區極端降水情況和地下水位歷年變化情況;

（4） 摸排20 m內有少黏性土發育的村莊，根據所處的工程地質單元情況，調整重點調查范圍;

（5） 對比設計書摸排各村莊土地利用情況：如國土空間規劃用途、農作物類型、灌溉習慣等。

3.1.3外業調查

在前兩個階段工作基礎上，以修訂后的調查工作底圖為依據，以解決設計書編制和發放調查表摸排中存在的問題為主線，開展外業調查和核查工作，形成外業調查實際材料圖，圈定隱患區位置。主要任務包括：

（1） 以自然村和水文地質單元為單位，對第二階段摸排確定的地下水埋深、補徑排條件和水位變化情況開展現場核查，同時開展進一步的詢問摸排工作。

（2） 通過詢問當地地基開挖、打井情況和天然斷面編錄等手段，摸清少黏性土埋深及松散程度情況。

（3） 對自然溝道和泥石流溝進行調查核實，了解其成災歷史，對有“砂涌”“流土”等災害現象的溝道重點關注，核實其液化條件和液化土轉化為泥流后可能的危害范圍。

（4） 調查當地水利設施及其分布情況，在發育有少黏性土地區了解農業灌溉方式、集中灌溉時間及對地下水位的影響。

（5） 對與已有資料不符或發生重大地質條件改變的地區部署必要的鉆探、原位測試或取樣測試等實物工作量，查明所在水文地質單元地下水埋深、地層組成，少黏性土的標貫擊數、黏粒含量等參數，評價其發生土層液化的可能性。

（6） 對資料不充分但人口集中居住區采取不平均布設網格方法，開展目標地區液化條件調查、勘察，調查線距布設應控制在1～2 km范圍內;重點調查區應加密部署，調查線距布設應控制在不大于0.5 km范圍內，以液化初判條件為準。

將以上調查和核實內容表現在遙感底圖上，得到土層液化調查實際材料圖，與外業調查表格等一并作為基礎資料，為下一步開展風險評估奠定基礎。

3.2風險評價與區劃

關于土層液化及其次生災害發生的風險性大小，是災害發生的時間概率、成災范圍及活動強度的綜合反映。首先劃定災害發生的可能性，并依據受災對象所處的相對位置判定其可能遭受災害的規模和強度，綜合確定其風險等級。

（1） 易發性分區評價

根據野外記錄資料、外業調查表格和實際材料圖，按照土層液化條件具備的充分性、溝道發育和堵塞程度及地區抗震設防烈度大小、歷史災情等綜合給出各調查單元的易發性等級。如圖4所示，在同樣的烈度條件下，發生土層液化的必要條件包括：①地下水位埋深＜20 m;②水位以下存在少黏性土;③該少黏性土呈松散-稍密狀態。在上述條件具備的前提下，水位埋深越淺，水位下少黏性土層厚度越大、滲透性越大、地下水排泄路徑越遠則發生液化的可能性越大。液化后，下游溝道越發育、地勢高差越大、泥石流防治措施越少，則發生次生泥流災害的可能性越大。本著這些原則，可利用層次分析法，劃定不同因子的權重，進而計算其易發性指數，量化評價調查單元的易發性。具體方法可參照《地質災害風險調查評價技術要求（1∶50 000）》［11］，在此不再贅述。

（2） 易損性分區評價

地質災害易損性是指可能受到地質災害威脅的所有人員和財產的傷害或損失程度。對于財產，是損壞的價值與財產總值的比率;對于人員，是在地質災害影響范圍內作為承災體的人的死亡概率。針對土層液化及其次生災害，根據其危害方式，若土層液化導致地面沉降、地表塌陷或地基失效，其危害范圍內的受威脅人員和財產遭受危害后往往是毀滅性的，均判定為高易損。若土層液化導致次生泥流災害，則受威脅對象內房屋的易損性可判定為中易損，受威脅人員和居民財產判定為高易損。統計不同易發性范圍內受威脅人口、財產數量，得到可能造成的損失大小分區，即得到易損性分區。

（3） 風險分區評價

利用GIS軟件將易發性分區和易損性分區疊加，按照災害風險定性分析評價矩陣表給出的評判方法，得到各地段的風險性等級，即風險分區（表1）。

4積石山地震次生地質災害風險評估

根據公開資料分析，本次災害中地震是誘發條件、液化后呈“液態”的飽和黃土層是物質基礎、現有河道是流通區、地勢高差是原動力，在具備液化-泥流發生的三個充分必要條件后，發生了次生泥流災害并造成較大的人員傷亡和財產損失。套用上述土層液化風險評估流程和風險區劃分方法，對該次次生泥流災害說明如下。

4.1災害區地質環境概況

災害區位于黃河北岸黃土臺塬地貌區，地形整體西北高、東南低，被當地居民改造為農田，有多條呈近南北方向的沖溝發育，經常年耕種和房屋道路修建，溝道被擠占變窄;區內地層以易產生液化的粉土、細砂土等第四系黃土為主，下覆新近系泥巖、砂巖。

南側緊鄰黃河主河道，地下水位埋深較淺;當地耕作的習慣為大水漫灌，且在地震發生前不久剛結束了本輪冬灌。隨著氣溫降低，地下水排泄出口被凍住，地下水位被抬高，淹沒了區內大厚度黃土層，產生了大量“第四系飽（富）水松散粉土、砂土”，具備了土層液化的高水位、松散少黏性土層的基本條件。本次液化導致側向流動并產生誘發泥流的機理、分布范圍如圖5所示。

4.2災害發生過程

12月18日晚積石山突發6.2級地震，根據應急管理部12月22日發布的地震烈度分區圖，本次地震最大烈度為Ⅷ度（8度），金田村所在的民和縣中川鄉即位于Ⅷ度區。震動使得溝道兩側高含水率黃土層發生液化，形成了滑動層，在溝道上游誘發滑坡，液化后土體沿著天然河溝向下游傾瀉，在沿程造成零散堆積，至下游沖出后形成泥流災害。

4.3災害風險評估與風險區劃定

按照圖4的調查評估流程，假設以中川鄉為調查對象。首先，室內根據設防烈度、歷史震級和災情、人口集中程度、行政區劃和國土空間規劃情況設計調查工作底圖，根據已完成的《青海省民和縣農田供水水文地質普查報告》［12］和《青海省民和縣區域水文地質調查報告》［13］等資料，將地下水位、地層巖性、工程巖組等資料標示在底圖上;然后，通過調查表形式快捷獲取液化發生史、發生面積、造成危害，地區水位埋深、地層分布、土地利用、土地耕作方式等資料，縮小隱患調查范圍;接下來，對調查范圍開展外業調查、核查工作，確定存在土層液化隱患的自然村位置、人口、房屋數量及危害方式，開展易損性評價;最后，通過液化發生內部條件分析、因子權重賦值和發生的可能性賦值，劃分液化易發性、易損性分區，最終得出液化風險分區，并針對性地提出防治措施、國土空間修編和土地管理建議。其災害風險評估與風險區劃判定過程如表2所列。

表2通過對四類因子（地震設防分區、自然地理條件、地質環境背景和人類活動情況）分為三個階段開展調查：室內基礎工作、發放調查表摸排和外業調查核查，確定出液化條件發育區;在區內開展危害對象統計，確定易損性；根據易發性和易損性分區最終劃分出風險分區（圖6）。需要說明的是，因掌握資料有限，本圖僅供學術探討使用。

5討論

液化后因土層破壞方式不同，則產生不同的次生災害。本次中川鄉液化災害反應為災害鏈形式：即溝道上游農田經高強度灌溉后，飽水土層在地震中發生液化，并以潰散性和流動性失穩破壞方式向溝道內側向擴離［4］，多處發生的液化點產生的飽和泥流匯集至溝道向下游排泄，進而導致本次泥流災害的發生，造成溝道兩側特別是下游堆積區發生掩埋為主的破壞。而《建筑抗震設計規范》中液化對建（構）筑物的危害主要表現為：地基液化后在地層薄弱環節產生“砂涌”，進而導致地基沉陷，造成建（構）筑物基礎的破壞，這些均歸屬于液化次生災害。

本次中川鄉泥流災害所在的山前沖洪積地貌單元內，其地形地貌條件、地層巖性和所遭受的地震動強度，甚至冬灌導致的地下水位抬升等條件都是一樣的，區別在于液化土體的排泄路徑是否暢通，如本次草灘村泥流災害，液化區位于溝道上游和兩側，液化土體可迅速匯集至溝道內形成泥流。而其他村落該條件發育不足，土體液化后未形成統一的排泄通道，也就未形成泥流災害。

黃土因其獨特的地質成因和賦存環境，易于產生各種類型和規模的地質災害［11-14］，其中地震擾動和降雨及入滲等尤為典型［15-16］。國內外因地震活動產生的黃土滑坡、崩塌及震陷等災害均產生了嚴重的人員傷亡和財產損失［17-19］。地震產生的黃土滑坡按其成因和變形破壞模式可分為：剪切型滑坡、液化型滑坡和震陷型滑坡［15-16，20］，其中地震液化型滑坡的規模大小、影響范圍和分布特征與降雨型滑坡有較大不同［17］。2013年甘肅岷縣－漳縣地震誘發的永光村滑坡也具有約1 000 m的超長滑移距離和近180 m的落差，其平均運動速度為8.3 m/s［21］。盡管從分布特征和運動距離等方面較為相似，但與永光村滑坡的產生機制不同的是，本次積石山地震產生的地震滑坡誘發大范圍移動的泥流，屬于典型的大規模地震液化滑移［20］，具有地震觸發和降雨飽和（即地震前的冬灌為主的表層黃土飽和及少部分降雪入滲的影響）耦合作用的機制，同時兼具小角度、長距離運動的泥石流狀的運動特點。考慮到當地凍土深度在1.5 m左右，凍土層以上麥田地所在場地土體由于冬灌和前期降水等含水量較大，甚至處于飽和狀態，亦即本身就是軟塑甚至流塑狀，在地震作用下則更易于產生側向流動大變形。因此，在本次地震中，地震液化是巖土變形破壞的機理，也是誘發地震滑坡與側向流滑等次生地質災害的原因，滑坡和長距離泥流是破壞現象和綜合作用的過程及結果，震前的冬灌及降雪入滲產生的表層飽和黃土為地震誘發的失穩和長距離流滑提供了有利的物質和物理條件，屬于液化+滑坡再誘發泥石流的復合災害鏈式的巖土體流動大變形。

6結論與建議

（1） 本文從地震引發土的液化作用機理、破壞方式、液化判別方法、隱患排查、風險評估、風險區劃分及防治措施建議的思路展開論述，梳理出土層液化作用及其次生災害的調查因子和風險評估流程，得出各評估單元遭受地震液化及其次生災害的風險。

（2） 根據各單元的易發性等級和風險等級，分別編繪調查區地震液化隱患易發性分區圖和風險分區圖，提交規劃部門進行國土空間規劃的編制或修訂，亦可根據具體要求開展局部大比例調查和風險區劃分，服務于“五級三類”不同等級規劃需求。

（3） 針對不同的易發性分區和風險分區，在開展國土空間規劃、后期恢復重建和新建建構筑物時，應采取相應的防治措施，建議如下：①阻斷液化發生要素，如改變傳統大水漫灌的農業澆水方式，改為噴灌，防止地下水位人為抬高，疏通溝道、禁止堵塞；②對地震液化高易發區，禁止開展任何村鎮規劃和建設用地準入；③對地震液化中、低易發區，須進行建設項目地震液化風險評估，評估為基本適宜建設后，方可放行開展下一步初設和施工圖設計工作，有效的災害規避措施與主體工程一并驗收合格后方可投入使用；④對地震液化不易發區，可按照正常的審批程序開展用地審批；⑤對已處于地震液化及次生災害危害范圍內的各類建構筑物，建議采用液化復判的方法開展更精確的風險評估，判斷其遭受地震液化及次生災害的風險，并針對性地提出搬遷或工程治理措施。

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（本文編輯：張向紅）