汶川地震作用下北川县城建筑物损毁机制研究

汶川地震作用下北川县城建筑物损毁机制研究
陈浩;李勇
【摘要】在汶川地震作用下,北川县城的建筑物遭到严重损毁.为给北川县及邻近区县防灾规划和工程抗震设防提供科学参考,本次研究在现场实地调查的基础上,对北川县城建筑物损毁机制与县城地质条件之间的关系进行分析,结果表明,北川县城建筑物损毁是由地表破裂、滑坡、崩塌、地表震动等多种破坏机制综合作用的结果.结论:在北川及邻近区县防灾规划中,建筑物的修建应尽量避开断裂展布带、崩滑灾害易发区段等可能对建筑物造成毁灭性破坏的区域,对于已建成区附近的灾害易发点也应采取必要的工程措施加于防治.
【期刊名称】《绵阳师范学院学报》
【年(卷),期】2014(033)002
【总页数】4页(P107-110)
【关键词】汶川地震;建筑物;损毁机制;北川县城
【作者】陈浩;李勇
【作者单位】绵阳师范学院资源环境工程学院,四川绵阳621006;成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610059
【正文语种】中文
【中图分类】P315
0 引言
2008年5月12日14时28分，在汶川县映秀镇附近发生了8．0级特大地震，
此次地震的发震构造为龙门山主中央断裂－北川－映秀断裂．汶川地震发生后，我们开展了国家自然科学基金应急项目《汶川特大地震地表破裂与变形特点研究》的野外调查工作，调查结果表明，汶川地震导致的地表破裂带主要沿震中的北东方向扩散，位于震中北东侧、与映秀镇同处北川－映秀断裂带之上的北川县城成为汶川地震的极重灾区．
前人对北川县城震害特征及成因已做了一定程度的调查和研究工作［1－7］，这
些工作主要从人员伤亡(导致上万人死亡)、道路损毁、房屋结构坍塌等方面探讨了此次地震对北川县城的破坏作用．本文在前人工作的基础上，通过对野外观测资料的综合分析，重点研究汶川地震作用下北川县城建筑物的损毁机制．总体来看，该县城区建筑物损毁原因与前人研究所获取的各类震害成因［6－7］类似，建筑结
构损毁是地表破裂、滑坡、崩塌、地表震动等多种破坏因素综合作用的结果(图1)．1 研究区建筑物损毁特征
图1 北川县城活动断裂及次生地质灾害分布图Fig．1 Distribution map of the active faults and secondary geological disasters in Beichuan County
虽然北川县城的所有建筑物都遭到了不同程度的损毁，但损毁的严重程度却呈现出明显的区域差异．在县城老城区(以湔江为界，湔江以北为新城区，湔江以南为老
城区)，由于受到地表破裂效应和次生山地灾害的双重影响，从湔江河岸至王家岩
坡脚，若干现代高层建筑物几乎全部坍塌，残存的几幢零星低矮建筑也遭到严重破坏．在县城新城区，坐落于景家山坡脚的茅坝中学及附近区域被顺坡而下的岩土体撞击、掩埋，崩塌体波及区域的所有建筑物全部倒塌;另外，在新城区，沿湔江河
道旁的北川大酒店东侧到县城北东面中心吊桥一带，由于受断层错动效应影响，建筑物损毁极为严重，沿断层展布线几乎无一幢相对完好建筑物．除开上述区域，北川县城其余非断裂展布区和非崩滑灾害波及区建筑物保存相对完好，大多数建筑物
的墙体仅发生局部垮塌，墙面出现若干共轭剪切裂缝，在这一区域，建筑物整体坍塌的现象并不多见．
2 建筑物损毁机制探讨
2．1 地表破裂效应
北川县城位于龙门山构造体系之上，两条沿活动断裂发育的地表破裂带展布于北川主城区．其中，沿北川－映秀断裂发育的主破裂带由县城南西侧进入城区后，跨过湔江河道(在湔江河面上，可见河床抬升导致跌水形成的浪花)，从北川大酒店东侧延伸至景家山坡脚，沿北东方向出北川县城．该破裂带在北川城区出露约1．8 km，根据北川大酒店旁棕黄色砾石层的错断量推算可知，主破裂带在北川县城的垂直位移和水平位移大致为1．2 m和2．1 m．黄静宜［8］、王根龙等［6］在北川县城北部发现一条主断裂错动导致的次级断裂，沿该次级断裂发育的地表破裂带经县政府向北西切过北川县职业中学，跨越夏禹大桥后，穿过龙尾山沿北西方向延伸．位于地表破裂带之上的建筑物在北西盘逆冲抬升和右旋剪切作用下均整体倒塌或底层垮塌，从图2可以看出，沿主破裂带穿过区域几乎无保存相对完好的建筑结构．
图2 北川县城主破裂带穿过区域Fig．2 Region passed through by main fault in Beichuan County
图3 王家岩滑坡(底图据黎大东［9］，2008)Fig．3 Wang－jia－yan landslide(The base map originated from Li Dadong［9］)
2．2 次生山地灾害
2．2．1 滑坡
北川城区湔江西岸王家岩一带的斜坡地段广泛发育下寒武统清平组细砂岩、砂页岩［2］，在温度变化、水溶液作用及生物作用下，细砂岩、砂页岩这一类固结程度不高的沉积岩极易发生崩解，呈碎裂结构．汶川地震发生时，从王家岩坡脚处通过
的北川－映秀断裂北西盘沿断层面向南东方向强烈逆冲(兼具右旋走滑运动)，断层错动导致的振动效应使悬于王家岩斜坡体之上的碎石、粘土混合物倾泻而下，北川县医院、曲山镇小学、曲山镇幼儿园以及教育局、财政局、地税局、派出所等行政机构的建筑物被超过100万 m3的松散坡积物瞬间掩埋，紧临滑坡体前端的建筑物也因受到飞溅的碎石、土块的冲击而严重损毁(图3)．在该区域，滑坡导致的建筑物坍塌共造成大约1600人死亡．
2．2．2 崩塌
在北川城区湔江东岸景家山一带，上泥盆统沙窝子组灰白色白云岩、白云质灰岩广布［2］，岩体中溶蚀裂缝发育，白云岩表面可见纵横交叉的刀砍状溶沟(图4)．另外，随着上覆岩层不断被风化剥蚀，位于地下深处的致密灰岩和白云岩因重负顿释而体积膨胀，将在岩体中产生与地表水平的卸荷裂缝．溶蚀裂缝和卸荷裂缝易将岩体切割成块状结构［6－7］．汶川地震驱动的逆冲和右旋走滑作用使大量白云岩和灰岩块体突然脱离母体，直接撞击和掩埋了北川中学新区(茅坝中学)，在这一区域，掩埋于巨厚岩土体之下的建筑物碎片难于从地表见到．崩塌体前沿的大片居民楼也因受到零散崩落岩块的撞击而成为断壁残垣．
图4 景家山崩塌Fig．4 Jing－jia－shan collapse
2．3 地表振动效应
在北川县城，除断层穿越区域和崩滑体波及区域，其余建筑物的损毁皆因地表振动所致．在构造应力作用下，突然断裂的岩层沿断裂面大规模错动，释放出的能量以地震波的形式传播至地面，引起地表振动．与难于抵御的次生地质灾害和地表破裂对建筑物的损毁相比，地表振动对建筑物的破坏强度相对轻微，地表振动效应往往造成建筑物局部坍塌和墙体开裂．观察发现，多组“x”形共轭剪切裂缝发育于该区域墙体表面(特别是窗台下方)，究其原因，主要是建筑物在地表振动作用下，墙体受到往复剪切破坏，并沿粘结强度最薄弱、应力最集中的地方(窗台下方［10］)
裂开，从而在墙面形成共轭剪切裂缝．在北川县城，还有一个值得注意的现象，与其它地表振动破坏区域相比，地表破裂带穿越区域的邻近地区，建筑物震害相对较轻．其原因是地表破裂的出现吸收了部分地面振动能量，减少了振动历时，从而在一定程度上减轻了邻近主断裂带区域建筑物的震害［6］．
3 讨论与结论
北川县城建筑物损毁主要源于地表破裂、次生山地灾害、地表振动三个方面的因素．其中，地表破裂导致的地面垂直错动和水平错动使位于破裂带之上的建筑物几乎全部坍塌;汶川地震驱动的崩滑灾害使王家岩和景家山坡脚的建筑物被飞泻而下的巨厚岩土体撞击、掩埋，在地表甚至难于见到被掩埋的建筑碎片;地表振动对建筑物的破坏程度相对轻微，城区大量建筑物因地表振动效应而局部倒塌或在墙体表面出现共轭剪切裂缝．
从更深层次意义上说，北川县城建筑物损毁最本质的原因是该县城坐落于地质构造危险区．首先，北川－映秀断裂这一龙门山主中央断裂贯穿整个北川县城，地震驱动的逆冲和走滑作用势必对建筑物造成严重损毁;其次，北川县城位于狭长的湔江河谷之中，周围因湔江强烈下蚀而形成较大地貌高差，再加上县城周边山体主要发育细砂岩、砂页岩、白云岩、白云质灰岩等易于崩解的岩块，为滑坡、崩塌等次生地质灾害的形成提供了有效临空面和物质基础．景家山坡脚茅坝中学和王家岩坡脚高层建筑群的损毁即是断层错动效应、次生地质灾害、地表振动效应三种破坏因素相叠加的结果，跨越北川－映秀断裂及其次级断裂的其他建筑物除受到地表破裂效应的破坏之外，同时也受到地表振动效应的影响．由此，在北川及邻近区县防灾规划中，建筑物的修建应尽量避开断裂展布带、崩滑灾害易发区段等可能对建筑物造成毁灭性破坏的区域，对于已建成区附近的灾害易发点也应采取必要的工程措施加于防治．
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