高中南 王 謙 鄭和祥

(1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000; 2.甘肅抗震工程技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730000)

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·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

臨夏市地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)★

高中南1,2王 謙1*鄭和祥1,2

(1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000; 2.甘肅抗震工程技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730000)

在查閱臨夏市地質(zhì)構(gòu)造和歷史地震災(zāi)害資料的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)，分析了研究區(qū)內(nèi)地震地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特征，并對(duì)研究區(qū)未來遭遇破壞性地震時(shí)的地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為地質(zhì)災(zāi)害治理工作提供了依據(jù)。

地震，滑坡，土壤液化，災(zāi)害特征

1 構(gòu)造背景及歷史震害

臨夏市地處青藏高原東北緣與黃土高原交界的地貌梯級(jí)帶上，大地構(gòu)造屬祁連山褶皺系中祁連隆起帶東段。區(qū)內(nèi)早期構(gòu)造活動(dòng)比較強(qiáng)烈。周邊區(qū)域地形切割強(qiáng)烈，河流階地發(fā)育，斷裂活動(dòng)明顯，表明其新構(gòu)造活動(dòng)十分強(qiáng)烈。區(qū)內(nèi)及周邊地區(qū)受拉脊山北緣斷裂帶和西秦嶺北塬斷裂帶下乍—太子山段的影響，地震活動(dòng)較為強(qiáng)烈。歷史上對(duì)臨夏市有影響的破壞性地震共有13次。其中，1920年海原Ms8.5級(jí)地震造成市區(qū)內(nèi)損毀民房242間，四周山體崩裂，滑坡分布，其中東、北部受災(zāi)較重，北山萬壽冠乾元塔1-3層震裂；1927年古浪Ms8.0級(jí)地震造成南山崖崩裂，鄧家村后、蘇孟村陡崖滑塌落土；1936年康樂南63/4地震和蘭州—臨夏5級(jí)地震均造成市區(qū)民房倒塌。

2 試樣、試驗(yàn)方法及結(jié)果

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，選取了5個(gè)場(chǎng)地取備土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)中按照SL 237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行了土的主要物性指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)所用土樣的主要物性參數(shù)

對(duì)LX-1試樣進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)前首先將土樣加工成直徑為39.1 mm、高度為80 mm的圓柱體試樣。試驗(yàn)方法為CU。試驗(yàn)時(shí)圍壓分別為100 kPa，150 kPa和200 kPa。在上述各級(jí)圍壓作用下，對(duì)試樣施加軸向壓力進(jìn)行剪切直至破壞。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 靜三軸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)LX-2組的4個(gè)原狀黃土試樣進(jìn)行震陷試驗(yàn)。試樣均在σ1c=200 kPa，σ3c=118 kPa的固結(jié)壓力下進(jìn)行固結(jié)，待固結(jié)變形穩(wěn)定后，向不同的試樣的軸向施加不同幅值、頻率為1 Hz的等幅正弦荷載，測(cè)定試樣的殘余變形εP。震陷試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

分別對(duì)LX-1，LX-2組原狀黃土試樣和LX-4，LX-5組砂土試樣進(jìn)行液化試驗(yàn)。試驗(yàn)采用反壓飽和和等壓固結(jié)，固結(jié)壓力分別按照取樣實(shí)際地層的固結(jié)壓力選取。循環(huán)剪切動(dòng)荷載為頻率為1 Hz的正弦波。飽和砂土的液化標(biāo)準(zhǔn)采用Ud/σ0=1.0；而飽和原狀黃土的液化破壞標(biāo)準(zhǔn)為動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興=3%，且動(dòng)孔隙水壓力系數(shù)Ud/σ0>0.2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理得到不同振動(dòng)破壞次數(shù)對(duì)應(yīng)的液化應(yīng)力比值，如表3所示。

表3 不同振動(dòng)破壞次數(shù)下的液化應(yīng)力比

3 地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.1 地震滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)LX-1場(chǎng)地斜坡建模，通過調(diào)整折減系數(shù)對(duì)斜坡的靜力穩(wěn)定性進(jìn)行分析，求得斜坡的靜力穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs。為了考慮斜坡在動(dòng)力作用下的穩(wěn)定性，通過采用在模型底部輸入水平向地震波的方法，計(jì)算了地震作用下邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)Fsd。結(jié)果表明，F(xiàn)sd=0.646。由此可知，該邊坡在地震作用下會(huì)發(fā)生破壞。

根據(jù)試驗(yàn)和計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)研究區(qū)未來地震中的滑坡災(zāi)害進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明：1)7度地震作用下，區(qū)內(nèi)北部、東部斜坡、陡崖處可產(chǎn)生零星的小規(guī)?；?，滑體可能壓埋房屋或堵塞道路；2)8度地震作用下，區(qū)內(nèi)北部、東部斜坡、陡崖處易產(chǎn)生中等規(guī)模的滑坡，陡崖處黃土極易崩滑，斜坡、陡崖下部的民居被壓埋破壞的風(fēng)險(xiǎn)較大，可能造成人員傷亡，地震滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性較大；區(qū)內(nèi)南部山區(qū)植被覆蓋率較低的地區(qū)易產(chǎn)生小規(guī)模的滑坡；3)9度地震作用下，區(qū)內(nèi)北部、東部可能出現(xiàn)較大范圍的滑坡，不少滑體規(guī)模較大，距離滑坡較近的民居被壓埋、破壞的風(fēng)險(xiǎn)性較高，可能造成較為嚴(yán)重的人員傷亡，滑坡易造成大規(guī)模的道路堵塞，局部公路可能被摧毀，危害十分嚴(yán)重；區(qū)內(nèi)南部山區(qū)植被覆蓋率較低的地區(qū)也易產(chǎn)生中等規(guī)模的滑坡。

3.2 黃土震陷災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

研究表明，黃土震陷性的主要影響因素包括地基土的天然含水率、干密度以及動(dòng)力荷載的類型等。土的天然含水率對(duì)土的震陷性有著決定性作用，震陷量隨天然含水率的增加而增大。干密度對(duì)震陷系數(shù)有較大的影響，在動(dòng)應(yīng)力相同時(shí)，震陷系數(shù)隨干密度的增大而減小。此外，動(dòng)荷載類型對(duì)黃土的震陷也有一定影響：沖擊型荷載作用下土的殘余應(yīng)變主要發(fā)生在最大峰值處；而對(duì)等幅循環(huán)荷載，殘余應(yīng)變則發(fā)生在有效持時(shí)的整個(gè)震動(dòng)過程中。

根據(jù)LX-2組原狀黃土試樣的震陷試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)該黃土場(chǎng)地的震陷量進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 黃土場(chǎng)地震陷量預(yù)測(cè)結(jié)果

震陷量預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在目前含水率狀態(tài)下，在地震烈度7度的作用下，該場(chǎng)地地基土基本不存在震陷問題；在地震烈度8度的作用下，場(chǎng)地將產(chǎn)生嚴(yán)重破壞的震害；在地震烈度9度的作用下，場(chǎng)地地基基礎(chǔ)將產(chǎn)生嚴(yán)重—失穩(wěn)破壞的震害。因黃土的震陷性與濕度變化有密切關(guān)系。如果上述場(chǎng)地上因上下水等管理不當(dāng)，使黃土濕度增大時(shí)，在地震烈度7度的作用下場(chǎng)地可能產(chǎn)生震陷災(zāi)害。

根據(jù)以上研究結(jié)果，結(jié)合臨夏市區(qū)地形地貌特征及黃土的物理力學(xué)特性，對(duì)研究區(qū)黃土地基不均勻震陷災(zāi)害進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果如下：1)7度地震作用下，區(qū)內(nèi)基本不存在震陷問題，但因上下水等管理不當(dāng)使黃土濕度增大時(shí)，可能產(chǎn)生震陷災(zāi)害；2)8度及以上地震作用下，區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度較大的場(chǎng)地將產(chǎn)生嚴(yán)重的震陷災(zāi)害，特別是在覆蓋層厚度超過15 m的地區(qū)，未經(jīng)過抗震陷處理的場(chǎng)地地基基礎(chǔ)將產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

3.3 地震液化災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

研究表明，飽和黃土的抗液化強(qiáng)度受土的密度和塑性指數(shù)的影響較大。在其他指標(biāo)相近的情況下，密度越大，抗液化強(qiáng)度越高；對(duì)于密度相近的黃土，塑性指數(shù)越大，表明黃土越偏粘性，抗液化強(qiáng)度相應(yīng)增大。飽和砂土的抗液化強(qiáng)度主要受粒徑和密實(shí)度的影響。細(xì)砂的粒徑比粉砂的粒徑大，其顆粒之間的咬合作用更強(qiáng)，內(nèi)摩擦力更大，從而使其抗液化強(qiáng)度更高。對(duì)于粒徑相近的飽和砂土，其抗液化強(qiáng)度主要受密度的影響，相比于密砂，松砂的抗液化強(qiáng)度更低，更易產(chǎn)生液化。

根據(jù)動(dòng)三軸液化試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算不同等效地震烈度下土的抗液化剪應(yīng)力τ和地震作用下的平均剪應(yīng)力τe，并根據(jù)Seed-Idriss簡(jiǎn)化判別法判別其液化勢(shì)，結(jié)果如表5所示。

表5 不同場(chǎng)地土壤液化勢(shì)判別結(jié)果

根據(jù)表5可知，所取的土樣飽和后，在烈度為7度的地震作用下，所有土樣均不產(chǎn)生液化。在烈度為8度的地震作用下，LX-4細(xì)砂試樣不液化，其余土樣均產(chǎn)生液化。在烈度為9度的地震作用下，所有試樣均產(chǎn)生液化。相對(duì)于砂土，黃土在飽和狀態(tài)下由于起膠結(jié)作用的鹽類溶解而使其物理力學(xué)性能發(fā)生了變化，膠結(jié)性變?nèi)?，所以更易產(chǎn)生液化。

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，臨夏市的抗震設(shè)防烈度為7度(設(shè)計(jì)峰值加速度為0.1g)，潛在地震危險(xiǎn)性較高。根據(jù)氣象部門的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，近年來臨夏市區(qū)的年降水量有增加的趨勢(shì)，特別是夏、秋季節(jié)降雨集中。降雨入滲導(dǎo)致的地層含水率瞬時(shí)增大以及農(nóng)田灌溉、生活給排水滲漏等導(dǎo)致局部地層含水率過高使得未來該地區(qū)遭遇地震時(shí)的液化災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性較大。

綜合動(dòng)三軸液化試驗(yàn)分析結(jié)果和研究區(qū)的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造特征，未來臨夏市地震液化災(zāi)害預(yù)測(cè)結(jié)果如下：1)7度地震作用下，不考慮地震液化風(fēng)險(xiǎn)；2)8度地震作用下，塬邊、山區(qū)和高階地上的飽和黃土地層易產(chǎn)生液化，從而導(dǎo)致地震液化滑坡、泥流土流以及建筑地基沉降等地震地質(zhì)災(zāi)害；大夏河河谷和一級(jí)階地的粉砂層容易產(chǎn)生地震液化災(zāi)害，并導(dǎo)致噴水冒砂、地面豎向不均勻沉降和地層橫向滑移等地震地質(zhì)災(zāi)害，但對(duì)于粒徑較粗、級(jí)配良好的砂土，可不考慮地震液化災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)；3)9度地震作用下，飽和土體均會(huì)產(chǎn)生液化，由地震液化導(dǎo)致的山體滑坡、泥流土流以及河谷地區(qū)噴水冒砂、豎向不均勻沉降和橫向滑移區(qū)導(dǎo)致的地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性高。

4 結(jié)語

本文基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)臨夏市主要地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。主要得到以下結(jié)論：

1)地震作用下臨夏市北部、東部斜坡、陡崖處地震誘發(fā)黃土滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性較高；高烈度地震作用下南部植被覆蓋率較低的山區(qū)可能發(fā)生地震滑坡災(zāi)害。

2)7度地震作用下臨夏市內(nèi)天然含水率較高的黃土階地、臺(tái)地可能產(chǎn)生震陷災(zāi)害；8度及以上地震作用下，區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度較大的場(chǎng)地將產(chǎn)生嚴(yán)重的震陷災(zāi)害。

3)8度及以上地震作用下臨夏市區(qū)潛在地震液化災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大，地震液化導(dǎo)致的山體滑坡、泥流土流以及河谷地區(qū)噴水冒砂、豎向不均勻沉降和橫向滑移區(qū)導(dǎo)致的地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性高。

4)地震地質(zhì)災(zāi)害防治應(yīng)進(jìn)一步調(diào)查地震地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)，加強(qiáng)地震滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警，居民點(diǎn)和建設(shè)工程應(yīng)當(dāng)規(guī)避地震滑坡危險(xiǎn)區(qū)；建設(shè)工程應(yīng)做好震陷性和液化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并選擇合適的處理技術(shù)對(duì)易產(chǎn)生震陷、液化災(zāi)害的場(chǎng)地地基進(jìn)行處理；區(qū)內(nèi)應(yīng)堅(jiān)持生態(tài)恢復(fù)和植被保護(hù)，減輕地震地質(zhì)災(zāi)害造成的損失。

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Risk evaluation of seismic geological disaster in Linxia city★

Gao Zhongnan1,2Wang Qian1*Zheng Hexiang1,2

(1.LanzhouInstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,China； 2.InstituteofAseismicEngineeringTechnologyofGansuProvince,Lanzhou730000,China)

Based on the data of geological structure and historical earthquake disasters in Linxia city, in this study, we analyzed the development of seismic geological disasters in the study area by field survey and indoor tests, then performed a risk assessment of geological disasters caused by future destructive earthquakes in the study area, provided basis for the geological hazard control work.

earthquake, landslide, soil liquefaction, disaster characteristics

1009-6825(2016)27-0040-03

2016-07-16★:地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：XH16038Y)和“未來精英”獎(jiǎng)學(xué)金共同資助

高中南(1986- ),男，研究實(shí)習(xí)員； 鄭和祥(1963- )，男，工程師

王 謙(1985- )，男，助理研究員

P694

A