2023年甘肅積石山6.2級地震中川鄉液化流滑災害調查及誘因初析

陳龍偉,汪云龍,袁曉銘,李兆焱,王永志,聶桂波,張昊宇

(1. 中國地震局工程力學研究所 地震工程與工程振動重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150080; 2. 地震災害防治應急管理部重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

震害考察是地震工程發展的支柱之一。人們對于如何抗御地震災害的認識,在很大程度上來自大地震的經驗。地震震害調查是獲取工程震害資料和經驗最直接、最有效的手段,也是工程抗震理論和分析方法發展最重要的基礎[1-2]。同時,震害現象調查也是檢驗現有抗震設計理論和方法的最有效手段。深入的震害調查工作,為我國乃至世界工程抗震技術的發展起到了巨大的推動作用[3]。

2023年12月18日23時59分,甘肅省臨夏州積石山縣發生6.2級地震。此次地震導致大量房屋損毀甚至倒塌,統計至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金田村和草灘村引發了被稱之為“泥流”的罕見特殊現象,房屋被厚達數米的“泥流”掩埋,直接導致多名群眾失聯。災害發生后,其成因引起了社會的廣泛關注。針對此次震害的特殊性對震害進行了考察,發現此次災害本質上是由于“泥流”觸發區地下土層地震液化所導致的流滑事件。流滑破壞是地震液化的典型震害現象之一。然而如此大規模且嚴重致災的流滑現象在國內外歷史地震調查中實不多見。類似案例在歷史地震中確曾發生,如1989年塔吉克斯坦杜尚別地區5.5級地震引發的黃土沉積物液化,導致滑坡并伴有大規模的“泥流”[4];2018年印尼Sulawesi地震(Mw7.5)中Palu地區發生了大規模液化流滑[5-6],導致數千人喪生。已有的研究表明,Palu地區的大規模流滑災害是由于該地區地下砂土地震液化所致。此次積石山6.2級地震中川鄉流滑事件是我國近70 a震害調查中,首次發現的具有現場實證性質的液化流滑型地震災害。

本文通過現場調查,給出此次液化流滑的震害現象,初步分析液化流滑災害的誘因、觸發機制以及流滑過程,分析結果可為認識此次特殊的、罕見的液化流滑災害。研究防御手段提供參考。

1 液化流滑的概念

首先厘清幾個專業名詞,即泥流、泥石流和滑坡等。參考《地球科學大辭典》[7]中詞條和描述。泥流是以細粒土為主的流動體,由流動體中所含的水、黏土和巖屑的比例不同而有不同的流動特征;泥流中所含的水可以達到60%,水聯結的程度取決于黏土礦物的含量、母質黏滯性、流動速度和地形的影響。其流動性可以從監測其運動速率得知,也可以根據其沉積的分布和地形得知。泥石流災害是發生在山區溝谷中,由暴雨、大量冰雪融水或江湖、水庫潰決后的急速地表徑流激發的含有大量泥砂、石塊等固體碎屑物質,并具有強大沖擊力和破壞作用的特殊洪流造成的災害。滑坡災害指巖體或土體在重力作用下整體順坡下滑造成的災害。區別于這些災害,液化流滑災害是一種由于地震土壤液化引發的一種次生災害。

根據以往震害調查發現,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移或擴展等。地震液化流滑[8-9]是一種由地震土壤液化引發的災害現象之一,其破壞力極強,多發生在具有一定坡度、地表下存在可液化沉積砂層的斜坡場地或壩體筑堤。液化流滑的特征表現在土體發生顯著的橫向流動(或位移),流動距離可達數米、數十米甚至更長,且場地土體被嚴重地擾亂、崩裂(塌)和遷移破壞。就物理機制而言,場地地下可液化土層在地震等動力荷載作用下,孔隙水壓力升高過程使得土體抗剪強度逐漸降低,當抗剪強度降低至小于土體自重產生的剪應力時,土體發生失穩滑動,即液化流滑。液化流滑的距離與液化的范圍和規模有關,可以發生局部范圍的流滑,亦可以出現大范圍的流滑,如1906年舊金山地震中即發生過局部的流滑,土體流動一段距離后終止[10]。

2 中川鄉液化流滑分區特征及震害現象

據報道,積石山地震震后不久,高達3 m的濃稠“泥漿”翻滾著漫入青海省民和縣中川鄉的金田村和草灘村(圖1),導致大量房屋被“泥漿”包圍、沖毀,多名群眾失聯。此次事件成因引起了廣泛關注。現場調查發現,流滑區坡度較小,較難發生滑坡。由于震前沒有降雨,與泥石流的基本內涵不符。泥石流又分為泥石流、泥流和水石流3種,因此采用“泥流”嚴格來說會與泥石流混淆,也容易掩蓋此次災害的特征。“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域不常用。而且,此次泥漿沖淤導致的災害不是因砂土“噴冒”所致,使用“砂涌”一詞不符合事實。從現場調查結果以及歷史震害經驗來看,此次事件實質上就是地震土壤液化導致的大規模液化流滑現象,符合液化流滑的基本特征。

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

現場調查來看,此次流滑涉及的區域如圖2(a)所示。方便起見,這里將流滑區域分為流滑滑源區(上游)(圖2(a)中紅色和黃色部分)、流滑流通區(中游)(圖2(a)中綠色和藍色部分)和流滑堆積區(下游)(圖2(a)中灰色部分和藍綠色部分)。通過無人機成像建模,初步估計流滑上游區面積約為0.13 km2、流滑損失土方量約為55萬m2。流滑啟動后,流滑體沿著東西兩個方向流動,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”兩側和底部土體,至堆積區(圖2(a)中灰色部分)。這一部分堆積體產生的后果最嚴重,直接造成屋毀人亡。

圖2 液化流滑區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的地表塌陷如圖3所示。從現場土體的來源分析來看,滑源區頂部地表土體多處于塌陷狀態,由于地下土層液化發生滑移,部分土體被流走,尚有部分地表土體沒有隨著滑體流動到下游,但表現出往下游滑動的趨勢,發生了有限的橫向位移。在中游的流滑流通區,土體流失嚴重。流通通道兩側和底部土體破壞嚴重,土體多被沖走,如圖4所示。從下游堆積區的規模來看(圖5(b)),被流滑沖走的土體體量非常大。

圖3 液化流滑滑源區因地下土層液化導致的地表塌陷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 流滑堆積區被沖下來的土壤混合物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。據當地村民介紹,此部分堆積區下面是農田,震前沒有被灌溉。從這一部分流滑的調查結果推斷,流滑區的流通區(圖2(a)中綠色部分)可能存在多點液化的現象,加劇了流滑災害的發展,或者流通區水文地質條件使得土體處于富水條件且處于臨界狀態,否則這一部分流滑的土體可能也會類似圖2(a)中黃色部分,即流滑一段距離后停止。

此外,圖2(a)中藍色部分是此次流滑流通區的一個轉彎點,如圖6所示。據村民介紹,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的“泥流”沖垮(圖6(a))。據村民描述,地震發生后,從上游沖瀉下來的“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,該處地震后也發生了噴冒,且伴有巨響。通過現場走訪,一方面說明了上游流滑下來的土體流速快,另一方面流滑土體體量大、規模大。但是,由于地震發生在深夜,村民對震后景象的表述尚需進一步證實。

圖6 液化流滑流通區轉折點Fig.6 Turning spot of the flowslide that came from the origin of sliding and flowed downward

3 中川鄉液化流滑災害誘因分析

3.1 地震動強度

此次地震由中國地震局工程力學研究所強震動觀測中心共收取距震中100 km范圍內實時強震儀記錄57組、烈度儀記錄182組(https://www.iem.cn/detail.html?id=2965)。通過數據分析,強震動觀測中心初步給出的峰值加速度(peak ground acceleration, PGA)分布圖。此次流滑區位于地震烈度7度和8度交界附近,距離震中約20 km。通過PGA分布圖,初步估計流滑區的PGA值約為0.4g。由于流滑區域附近沒有安裝相應的強震觀測儀器設備,可以從附近其他地區的強震臺站記錄對流滑區的PGA值進一步校核。距離流滑區最近強震臺(JSNGJ)的震中距為17.8 km,與流滑區的震中距相當。強震臺記錄到的水平向峰值加速度分別為0.396g和0.340g,該臺站距離流滑區約15 km。所以,流滑區地震動PGA值可達到0.4g水平。然而,流滑所在區域地形復雜,溝壑、山坡等分布廣泛,局部地形可能會導致地震動PGA值變化較大,所以在PGA值估計時初步建議0.1g的誤差范圍。

3.2 流滑區上游區域液化噴冒現象

通過現場調查,調查組在流滑區上游發現顯著的液化冒砂現象如圖7所示,證實了土壤液化的發生,而土壤液化降低土層的抗剪強度,誘發了土層流滑,引發了后續的災害鏈。根據以往地震震害調查經驗,噴水冒砂是地震中場地液化的直觀后果,也是震后現場調查識別液化的主要參考物。通過地表噴冒現象判定場地液化。雖然這一方法存在漏掉實際液化,但沒有地表噴出物的液化場地,在實際震害調查中,地表噴砂依然是地震現場識別液化的主要標志。通過現場發現,流滑區上游液化噴冒現象典型,而且至調查階段,流通區底部的土壤依然處于局部松軟流塑狀態。

圖7 調查組現場發現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 液化流滑過程初步分析

就機理而言,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、且短時間內難以消散,導致土層中超孔隙水壓力達到土層的有效應力,土層抗剪切強度降低甚至消失,同時在動荷載以及自重等荷載作用下,土層及上覆土層發生從高處往低處滑動的現象。現場調查土層剖面發現,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,該地區時值冬季農田漫灌期,地表水通過滲流進入下方松散土層,長期漫灌可能使松散土層達到飽和狀態,這也是此次事件中普遍認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地區液化流滑中,地表灌溉系統也是土體飽和的重要原因[11]。然而,這個地區僅發生了一處流滑現象,而其它即使相似的地形地貌條件也沒有發生流滑,農業灌溉與該處流滑的相關性仍需進一步調查。

圖8 流滑區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

地震時土層發生液化,由于地形坡度,引發大規模流滑。流滑區始于上游物源區。流滑啟動后沿東、西兩側沖瀉而下。東側流滑體沖出300～400 m后停止,而西側流滑體沿著原有的“干溝”沖至下游的堆積區,流通距離約3 km,導致了沿途房屋沖毀、人員傷亡。針對東西側流滑距離的不同,推斷西側中游的流通區可能發生了多區、多源液化的現象,流通區多點發生液化,加劇了流滑的發展。但至現場調查時,沖溝中泥流沖刷嚴重,溝中難以接近,尚未找到直接證據論證這一推論。

3.4 附近其他地區

從現場調查以及新聞報道來看,本次地震觸發的流滑事件是一個孤立的案例。調查組在流滑附近區域調查了相似的地形,如圖9(a)中區域A和區域B,均未發生流滑現象,其中原因尚需進一步現場勘測確定。圖9(b)所示區域A,該處位于滑源區頂部附近,為一處斜坡,地震前后未出現明顯異常。據當地居民介紹,區域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,且二者在震前基本一樣,溝中均沒有水,長滿樹木。地震后,流通區的“干溝”被沖毀,現場調查該段的流通區如圖10所示。而區域B的“干溝”未出現流滑現象,依然保持震前狀態。

圖9 流滑區附近地形地貌相似但未發生液化流滑的場地Fig.9 Areas close to the flowslide but not slide

4 結論和展望

通過現場實地考察,對中川鄉地震液化流滑災害原因進行了調查分析,得出如下主要結論:

1)此次災害為土壤液化誘發的流滑所致。調查小組在流滑滑源區發現了液化噴冒現象,確認了土壤液化的事實,即流滑起源區(上游)地下土層在地震動作用下發生液化,觸發了流滑,導致了后續的災害鏈。

2)根據強震觀測數據,指出流滑區地震動強度較大,初步估計流滑區地震動峰值加速度為0.4(±0.1)g。

3)對液化流滑過程進行了初步探討,推斷滑源區流滑啟動后,沿東、西兩側滑動。東側流滑體滑移了300～400 m后停止,而西側流滑體沿著原有的一條“干溝”沖瀉而下,流通區中游可能存在多點個液化點,加劇了流滑的發展,形成規模宏大的含有黏土、砂、水以及樹木雜物等可流動的混合體,在下游堆積區淹沒民房、溝渠等。

4)土壤液化一個重要條件是土體要處于飽和狀態,也就是土層中水的問題。地震時,發生流滑的地區正處于冬灌時期,所以普遍認為冬灌是此次土壤液化的重要外部因素之一。此外,這個地區僅發生了一處流滑現象,而其它即使相似的地形地貌條件也沒有發生流滑,其原因尚需進一步調查。

針對此類災害的特殊性和罕見性,未來需要深入研究:①地表灌溉致地下土層飽和的物理機制和影響深度;②地區的水文地質條件空間分布特征和規律,查明地區水文地質條件與災害的相關性,剖析此次液化流滑災害是孤立事件還是潛在具有普遍性,為恢復重建規劃提供依據;③液化土體的動力學參數特性以及與流滑的相關性;④采用多手段監測來識別危險源,同時開展災害治理方法研究。

致謝:感謝中國地震局“甘肅積石山6.2級地震科考隊”、青海省地震局和甘肅省地震局對現場科考工作的大力支持。