1920年海原大地震震害特征与启示

1920年海原大地震震害特征与启示
作者：暂无
来源：《城市与减灾》 2020年第6期
王兰民，中国地震局黄土地震工程重点实验室主任，研究员，博士生导师，国务院政府特
殊津贴专家，中国地震局科技委员会委员，中国地球物理学会和中国土力学与岩土工程学会的
常务理事，国际岩土地震工程及其问题技术委员会委员，国际工程边坡稳定性技术委员会委员，亚洲岩土自然灾害技术委员会委员，《岩土工程学报》等多个刊物编委，曾任甘肃省地震局局长、中国地震局兰州地震研究所所长。

长期致力于土动力学与岩土地震工程研究，作为第一完
成人获国家科技进步奖二等奖1 项，省部级科技进步奖7 项，发表论文 200 多篇，主编出版《黄土动力学》等3 部专著。

第23 届“黄文熙讲座”主讲人，2007 年和2017 年分别被表彰
为全国地震科技先进个人、全国地震科技创新突出贡献者，获“甘肃省先进工作者”“ 甘肃省科技领军人才”等荣誉称号。

王兰民郭安宁王平马星宇
引言
根据《中国近代地震目录》，1920 年12 月16 日20：05′53″在宁夏海原发生8.5 级地震，震中烈度XII 度，震中位置：N36.7°，E104.9°（仪器震中），宏观震中：N36.5°，
E105.7°，位于海原县干盐池一带，宏观震源深度17km，发震断裂带长度237km，极震区面积达20000km2，造成23.4 万人遇难。

2010 年，中国近现代重大地震考证研究宁夏项目组《关于1920 年海原大地震死亡人数的调研报告》复核地震造成的死亡人数为27 万多人。

对于此次大震震害的调查，早期具有代表性调查成果的主要有3 批次，第一批次是国际饥
饿救助组织委派的Upton Close 等人，在1921 年2—4 月之间对震区的灾情调查，他们主要
现场调查了极震区现场海原、固原、会宁、静宁等地的震害和人员伤亡情况，特别对地震引发
的大规模黄土滑坡进行了考察和描述，绘制了灾情分布图。

调查成果发表在1922 年的美国《Journal ofNational Geography》。

第二批次是北洋政府农商部委派的翁文灏、谢家荣等6
人对震区的科学考察，这是我国第一次用现代科学方法进行的地震考察，通过对兰州、会宁、
静宁、隆德、固原、平凉、华亭、秦安、通渭等灾区的现场考察，调查了地震宏观现象，分析
了地震成因和活动规律，考察了灾情，绘制了地震烈度分布图。

考察主要成果反映于翁文灏先
生撰写的《民国九年十二月十六日甘肃的地震》一文和谢家荣先生所著《民国九年十二月甘肃
地震报告》，前者发表于1922 年《科学》第七卷第2 期，后者的节要发表于《地学杂志》1922 年第 8、9 期合刊。

第三批次考察为原国家地震局兰州地震研究所原所长郭增建先生主持开展的综合科学考察，此阶段的考察从1958 年开始，于1980 年结束，参加人员主要为国家地震局兰州地震研究所、宁夏地震队的科技人员。

考察内容涉及发震构造、震源机制、构造应力场、地震活动性、地震前兆、地震预报、震害与抗震经验等方面。

主要成果是两个单位编著、
于1980 年出版的《一九二〇年海原大地震》专著。

海原大地震虽然过去100 周年了，但这次大震在房屋抗震和地震滑坡风险防控方面给我们
留下了珍贵的启示与经验，本文基于对已有震害调查资料和文献的分析，补充了相关现场调查，对此次大地震造成重大人员伤亡的两大直接主因——房屋倒塌破坏和黄土地震滑坡的特征进行
了分析研究，评价了震区主要结构类型房屋的抗震能力，提出了地震滑坡设防目标应与建筑物
抗震设防目标协同匹配，从建设抗震韧性城乡的角度阐述了此次大震的震害启示。

震害分布特征
1920 年海原8.5 级地震是我国近代发生的两次最大地震之一，这次地震在极震区造成了大量的房屋倒塌破坏和大规模密集的黄土地震滑坡，这是造成人员伤亡惨重的两大原因。

极震区建筑物完全倒塌的居民点分布如图1 中的深蓝色圆点所示。

我们可以看出，建筑物完全倒塌的居民点位于极震区X—XII 度地震烈度区内，距发震断裂带的垂直距离在20km以内。

而建筑物未完全倒塌的居民点（橙黄色圆点）都位于地震烈度IX—X 度区内。

极震区涉及的宁夏南部和甘肃中东部当时经济社会发展十分落后，房屋主要结构类型为穿斗木结构、混合承重结构、墙体承重结构、土窑洞等，这些房屋绝大多数没有专业抗震设计措施，而且抗震性能相对较好的穿斗木结构房屋很少，主要为城楼、鼓楼、清真寺、庙宇、官府等建筑物以及极少数富户房屋。

很显然，无论上述哪种结构类型的房屋，只要在地震烈度XI—XII 度区内或距发震断裂带20km 范围内，基本上都全部倒塌（图2，图3 所示）。

而随着离开发震断裂带的距离增大，房屋破坏情况显著减轻，在X 度区就出现了未完全倒塌的居民点，IX 度和VIII 度区，已没有完全倒塌的居民点，都是未完全倒塌的居民点。

这充分说明断层两侧附近的地震动异常强烈，没有专业设计抗震或减隔震措施的房屋难于抗御。

另外，地震在断裂带的东南侧黄土塬梁地区引发了成群连片的大规模滑坡（图4，图5），密集分布区面积达4000km2。

大规模滑坡主要分布在IX—X 度区的西吉、固原、会宁、静宁、通渭等地，在VIII 度和VII 度区也有小规模滑坡及崩塌分布。

据许冲等2018 年最新Google Earth 卫星影像解译，在极震区20000km2 范围内，识别出此次地震引发的滑坡达5384 个。

而在断裂带的北东侧没有发生大规模滑坡，这可能是北东侧主要为低缓的丘陵地貌，加之黄土覆盖层较薄，不易引发滑坡。

由于房屋倒塌破坏严重区和滑坡密集区呈南北向展布，Upton Close 和翁文灏、谢家荣给出的震害分布图和极震区图都是近南北向分布（图6，图7 所示）。

考虑到发震断层南侧为上盘，该侧黄土塬梁地形高差变化大，一般在几十米至200 多米，黄土覆盖厚度也在几十米至100 多米，极震区等震线向东南方向衰减较慢，破坏范围更大，因此，房屋震害和地震滑坡震害严重区的分布可能也受到了发震断层上盘效应和黄土塬梁地形及其厚覆盖土层放大效应的显著影响。

震区主要结构类型房屋的破坏特征与抗震能力
震区五种结构类型房屋在地震作用下的破坏特征具有明显的差异性，反映出具有不同的抗震能力。

根据调查文献资料，本文对震区五种主要结构类型房屋的破坏情况进行了综合统计分析，结果如表1 所示。

对其破坏特征和抗震能力分述如下。

（一）穿斗木构架房屋
震区穿斗木构架房屋主要有马鞍架和偏厦2 类4 种形式（图8），这种结构房屋在柱间与檐口登高处均有木梁拉结，起到了圈梁的作用，加之梁、柱、檩、椽等主要木构件之间多有拉结和套铆措施，因此，屋架的整体性、稳定性和延性较好，除了在XI—XII 度区全部倒塌外，在X 度及以下烈度区表现出相对较好的抗震性能，其抗震薄弱环节主要为墙体以及墙体与屋架之间联结较弱（图9、图10、图11、图12所示）。

从大震不倒的设防目标评价，应该具有抗御地震烈度VIII 度的能力。

这类房屋当时在震区县城占20%～60%，在农村占比小于10%。

（二）混合承重房屋
震区混合承重房屋为局部空间屋架或木构架与墙体共同承重。

前者往往为三间一栋的“滚
椽房”，房中有一间屋架承重，两端为硬山搁檩（图13a）。

后者没有空间屋架，仅纵向中间
有一通檩，构成单排排架，前后均靠墙体承重（图13b），前者抗震性能比后者略好。

混合承
重房屋由于有部分木架承重，仍有一定的柔性，但由于木构架整体性差，檩端直接搭在承重墙上，檩条和墙之间没有固定联结，而且檩条只有很短的部分搭在墙上，稍有震动，极易滑落。

另外，墙体一般为土夯墙或土坯墙，抗震能力较差，遇有强震动，自身会倒塌破坏，也会使屋
顶失去支撑而坍塌。

因此，X 度及以上烈度区，此类房屋都全部倒塌了，VIII—IX 度区，仍然有20%～50% 的房屋倒塌，其抗震能力仅有VII 度（图14）。

这类房屋当时在震区占比较高，
一般占60%～80%。

（三）墙体承重房屋
这种房屋外形大多为三间一栋或两间一栋的单坡水瓦房，屋盖结构与混合承重房屋基本相同，其结构主要有土搁梁和硬山搁檩两种形式（图15），这种房屋主要分布于距林区较远，木
材缺乏的宁夏南部和甘肃中部等干旱地区，当时约占30%～90%，在农村一般占60%～90%。

土搁梁房屋在其檩条前端有细木柱支撑，承担屋盖的部分重量，檩条后端有半截细柱，下端与前檐平，坐落于夯土墙和土坯墙的连接处（图15a）。

硬山搁檩房屋大多是中间沿纵向有一根通檩，两端山墙内各有半截细木柱（图15b）。

此类房屋的承重前墙体由土坯单层顺砌，山墙和后墙
是两段砌筑，下部为土夯墙，上部为土坯墙。

由于墙体存在不连续面，整体性差，抗剪强度低，遇震极易墙倒屋塌。

在此次地震中，IX 度及以上烈度区，这种房屋全部倒塌，VIII 度区一半
以上倒塌，倒塌的房屋看上去只有一片碎土堆（图3）。

因此，此类房屋抗震能力最多为VII 度。

目前，这类房屋由于抗震能力低，且无加固价值，已基本淘汰。

（四）黄土崖窑与土坯拱窑
震区的崖窑多为壁龛式崖窑，它是在黄土壁上直接掏挖的窑洞，一般高3～3.5m，宽3m 左右，深度5～10m 不等（图16a），常见的崖面坡度为80～85 度。

海原地震极震区位于六盘山
以西，这一地区的黄土酥松，垂直节理发育，窑体强度较小，在高烈度区，窑脸极易坍塌，封
堵窑口，往往使窑内人员窒息而亡或逃离时被塌埋。

因此，海原地震时，在高烈度区崖窑集中
的地方，往往人员死亡率也很高。

这种崖窑抗震能力虽然可评价为VII 度，但现在已基本无人
居住，仅用来放置农具和杂物。

土坯拱窑是震区抗震能力最差的房屋，它的下部两侧为夯土墙，上部是土坯拱顶，前后两
端的土坯墙仅起围护作用，门窗开在侧墙或端墙上（图16b）。

这种拱窑由于土坯拱顶的强度
极低，受震时，拱顶在剪切、挤压、弯矩作用下，极易破坏塌落，在VIII 度及以上烈度区全
部坍塌，VII 度区也坍塌近半，因此，土坯拱窑抗震能力很差，应该低于VII 度，现在已经基
本淘汰。

黄土地震滑坡特征及其机理
黄土地震滑坡是海原大地震引发的主要岩土地震灾害，也称地震地质灾害或地震次生灾害。

这种灾害的规模之大，造成的死亡人数之多, 形成的灾难之惨烈，令最先到达震区考察的
Upton Close 等人十分震撼！他于1922 年发表在美国《国家地理杂志》的文章以“在山走动
的地方”为题（震区当地老百姓称滑坡为“走山”，Close 先生借用了当地的说法），介绍了
大规模黄土地震滑坡的灾害情景，其开篇描述道：“一夜之间走动的大山，犹如瀑布洄旋的滑坡，吞没房屋与驼队的裂隙，巨浪般土海荡毁的村庄，这是甘肃大地震所造成的一些次生灾害
的景象”,“自山顶纵览布满滑坡的沟谷，犹如置身一个尚在形成阶段的星球，在谷底的一切村庄、田地、道路、河床等均被海量的松软、干燥、凶险的黄土所掩埋”。

由于地震发生时，宁
夏及海原县均属于甘肃省行政区，因此，在国外文献中称这次地震为甘肃大地震。

尽管海原地
震过去100 年了，由于滑坡分布区大多为农村地区，干旱的气候和长期稳定的农业耕作使得大
多数滑坡形态仍然保存至今，这为地震滑坡研究提供了一个理想的天然场所。

因此，对这些黄
土地震滑坡的研究也一直持续至今。

根据我们的长期调查研究结果，海原地震引起的黄土滑坡
具有以下特征。

（一）密集滑坡区斜坡缓，震前稳定性高。

海原地震在西吉、固原等地（IX—X 度区）引起黄土滑坡密集分布，原斜坡坡度一般在
10～25 度之间，在VIII 区和VII 度区的滑坡坡度增大到20～50 度之间。

经调查统计，在10～45 度之间的滑坡占了82.3%（图17）。

回回川滑坡是密集区缓斜坡滑动的一个典型实例，该滑坡原斜坡坡度10～15 度，位于海原地震IX 度区（图18）。

基于现场调查和土动力学试
验的反演计算结果表明，该滑坡为马兰黄土层内滑坡，震前静力状态下斜坡的稳定系数为 3.8，斜坡完全处于稳定状态，而当地震动峰值加速度达到285gal 时，斜坡处于临界失稳状态，海
原地震时该斜坡遭受了IX 度的地震动作用，峰值加速度应该大于400gal, 因此，地震动强度
足以引起斜坡土体的剪切破坏，巨大的惯性力使破坏土体沿缓斜坡下滑较远的距离。

（二）滑坡土体规模大，滑速高，滑距长
海原地震引发的黄土滑坡一般数百米至数千米宽，大多在数百米至2 千多米，滑动土体厚
度在数米至十多米, 滑动土体往往冲到沟谷对岸，滑动过程在几秒中之内完成，可以想象滑动
速度有多快。

例如，静宁县孙家沟滑坡宽850m，滑动土体厚度4～6m，滑距约1500m（图19）。

滑动土体全部冲出了滑坡床，冲到沟谷对岸，掩埋了孙家沟村（图20）。

Upton Close 描述了
极震区的另一个黄土滑坡，这个滑坡将3/4 英里长的一段公路和路边一排杨树推移到了1 英里远的河对岸，仍然保持原有的形态，而这一切发生在几秒钟里（图21）。

我们调查统计了黄土
高原地震滑坡滑距与坡度的关系，其中，滑距在数百米至2000m 多的黄土滑坡大部分都是1920 年海原8.5 级地震引发的。

（三）滑坡成群连片，形成串珠状堰塞湖
海原地震在IX—XI 度区引发了密集的大规模黄土滑坡，滑坡密集分布区主要位于发震断
裂带的东南部黄土塬梁地区，涉及西吉、固原、静宁、会宁、通渭等县。

由于滑坡沿黄土山谷
两侧的山坡成群连片分布，滑坡土体在谷底阻塞河流，形成了串珠状堰塞湖（图22）。

形成堰
塞湖最多的滑坡分布区为西吉县李家沟，串珠状的堰塞湖至今仍然保持了原有的形态（图23）。

另外，静宁县的滑坡密集区当时也形成了堰塞湖，为了防止土体溃坝形成洪水，当地政府发行
了债券，组织民工挖开了堰塞土体，疏通了河道，避免了洪灾发生。

（四）滑动面大多位于马兰黄土层（Q3）或黄土—基岩接触面
黄土地震滑坡按照滑动面涉及的地层，主要分为黄土层内滑坡、黄土—基岩接触面滑坡、
黄土—基岩滑坡、黄土—卵石层—基岩滑坡4 种类型。

调查研究发现，1920 年海原地震引发
的黄土滑坡大部分为黄土层内滑坡，滑动面位于黄土层内滑坡和黄土—基岩接触面滑坡占86%，其他两类滑坡较少（图24）。

其中，黄土层内滑坡的主滑面分布于相对均匀的黄土层内，滑坡
土体主要由不同时代的黄土及黄土状土组成，滑面光滑，坡度较陡，大部分属于高速滑坡。

黄土—基岩接触面滑坡的主滑面分布在黄土层与基岩接触面位置，由于黄土层与基岩接触面受到
地震作用，稳定结构遭到破坏，产生滑坡，滑体主要由黄土组成，含有少量基岩，倾角较为平缓。

（五）地震与水共同作用下触发大规模黄土地层液化滑移
1920 海原8.5 级地震时，在距震中70～90km 的固原石碑塬（清水河四级黄土台塬）低缓的马兰黄土层(Q3) 中发生了大规模、长距离液化滑移, 滑移土体掩埋了2 个村庄，造成了400 多人死亡( 图25、图26、图27)。

为了揭示这一液化滑移的机理，我们基于现场调查、大型探
槽钻孔勘探及测试（图28）、室内土动力学试验、理论分析与数值模拟计算，对1920 年海原8.5 级地震引起石碑塬黄土地层大规模液化滑移的机理揭示如下（图29、图30）。

海原地震前几天，据当地村民普遍反映和文献记载，水井水位上升到15m 左右，即15m 深度以下黄土地层处于饱水状态。

地震时，滑移区处于X 度区，在地震动作用下，第一古土壤层下部的砂质黄土
层发生液化，孔隙水压力上升，液化物质上涌，当孔隙水上涌到第一古土壤层时，由于该层透水性差而受阻汇聚在第一古土壤层之下，可能瞬间形成一薄层水膜，水膜或高饱和度的砂质黄土层成为大范围的滑动面（带），上覆土体在地震惯性力和2°左右缓斜坡下滑力的联合作用下，沿黄土塬缓斜坡倾斜方向向西北滑移。

滑移土体由于运动中的拉裂破坏和液化物质上涌顶升耦合作用，使滑移土体在开裂部位形成波谷地形，在堆积部位形成波峰地形。

由于塬体土层在滑移运动过程中的时序和运移条件的差异性，各部分土体滑移距离不同，从前部到后部的滑移距离逐渐变小，前部为150～400m，中部为50～150m，后部为30～50m。

作者对1303 年山西洪洞8 级地震引起郇堡大规模黄土地层液化滑移和1695 年山西临汾8 级地震引起东、西堡头村分离的大规模黄土地层液化滑移的现场调查和勘测也验证了这一机理。

海原大地震的启示
1920 年海原8.5 级地震震害对我们的启示，与其他国内外大震相比具有共性的也有独特的。

共性的启示包括：（1）发震断层两侧的避让既要考虑地表破裂带的影响，也要考虑近断层场地异常强烈的地震动。

（2）房屋与设施的抗震建造技术与抗震加固技术可以确保大震不倒或大震可修。

地震易发区房屋设施加固工程将会产生显著减灾实效。

（3）设定抗震设防地震动参数时应考虑场地地震动放大效应和断层上盘效应。

（4）地震滑坡、液化、震陷等地震岩土灾害是黄土高原地区严重的地震次生灾害，应在城乡规划、工程选址和抗震设计中做好风险评估与
防治工作。

（5）地震预警、应急救援储备和演练应考虑夜间发生大震的情景。

笔者需要强调的海原地震的独特启示为：地震滑坡设防目标与房屋抗震设计目标需要协同
匹配，这样才能保证实现建筑（构）物大震不倒的设防目标。

海原地震引发的大规模黄土滑坡
和黄土地层的液化滑移掩埋了许多村庄，造成了大量的人员伤亡。

而这些黄土斜坡，特别是
10～25 度的缓斜坡，不论是在静力状态下还是基本设防烈度下都是稳定的。

目前我国建筑（构）物抗震设防的目标是大震不倒，但相关工程技术标准对边坡稳定安全系数设计却是按照基本设
防烈度下的系数设计，尽管对不同等级边坡安全系数要求不同，但这样设计的边坡在遭遇大震时，往往会失稳滑动，滑动土体可能推倒或掩埋邻近的建筑物，从而使得建筑物大震不倒的设
防目标失去意义。

因此，对于周边存在建（构）筑物的边坡，应该按照大震不滑的设防目标进
行抗震设计，才能保证边坡与建构（筑）物设防目标的协调匹配。

中国地震局重大政策研究课题（课题编号：CEAZY2019JZ15）资助。