張 升,李兆焱,3,張思宇,袁曉銘

(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; 3. 河北省地震災害防御與風險評價重點實驗室,河北 三河 065201)

0 引言

北京時間2023年2月6日9時17分(當?shù)貢r間2023年2月6日凌晨4時17分)土耳其發(fā)生7.8級地震,震中位于北緯37.17°,東經(jīng)37.08°,震源深度20 km;同一天18時24分(當?shù)貢r間13時24分)在土耳其又發(fā)生了第二次強烈地震,震級為7.5級,震中位于北緯38.11°,東經(jīng)37.24°,距離7.8級地震震中約100 km,震源深度10 km。Global CMT提供的震源機制解表明地震屬于中東及周邊地區(qū)的地震構造,為走滑型地震(兩個節(jié)面走向角/傾角/滑動角分別為54/70/11和320/80/160),地震構造區(qū)見圖1[1]。

圖1 中東及周邊地區(qū)的地震構造匯總區(qū)Fig. 1 Seismotectonic convergence area in the Middle East and its surrounding areas

土耳其北部的右旋走滑的北安納托利亞斷層容納了安納托利亞地塊和歐亞板塊之間的大部分向西運動。1939-1999年間,一系列破壞性的7.0級以上走滑地震沿著北安納托利亞斷裂系統(tǒng)向西傳播。這些地震中最西邊的一次是1999年8月17日,馬爾馬拉海附近的伊茲米特7.6級地震,造成約17 000人死亡[2]。此次土耳其出現(xiàn)了極為罕見的“雙震”,是土耳其100多年來死亡人數(shù)最多的地震[3-4],震害中出現(xiàn)了大量建筑物倒塌、生命線破壞以及場地破壞的現(xiàn)象,其中土壤液化導致的場地破壞使很多周邊建筑物的地基失效并產(chǎn)生沉降、傾斜。本文搜集、整理和分析了此次7.8級地震的震害信息,給出了震害嚴重地區(qū)地震動的主要特征,具體分析了建筑物破壞、生命線破壞和場地破壞特征,討論了美國地質調查局給出震害預測方法的不足。相比于同等級的2022年日本7.4級福島地震,此次地震災害極為嚴重[5],地震動強度高、場地效應影響大、房屋建筑質量存在缺陷[6-8]和抗震措施不完備是其重要原因。

1 地震動強度及烈度

此次地震震中位于北緯37.17°,東經(jīng)37.08°,最大烈度為IX度,震中位置見圖2(a)[9]。最大峰值加速度出現(xiàn)在4 614臺站,震中距為34.93 km,EW分量最大且達到1966.99 gal。地震儀器烈度高烈度區(qū)域主要集中在近震中地區(qū),這一地區(qū)也是此次地震震害集中的地區(qū),見圖2(b)[10]。

圖2 土耳其7.8級地震震中和烈度分布圖Fig. 2 Epicenter and intensity distribution map of Turkey M7.8 earthquake

2 震害分布和主要特征

7.0～8.0級地震屬于大震的范疇,對比發(fā)生在人口稠密區(qū)域的7級左右地震:2013年同為7.0級的雅安地震造成193人死亡,導致房屋倒塌7.24萬余棟[11];2021年海地7.3級地震,造成2200多人死亡,大量房屋倒塌,國家宣布一個月緊急狀態(tài)[12];2022年日本福島7.4級地震造成3人死亡,64棟房屋完全倒塌[5]。此次土耳其7.8級地震導致至少45089人死亡、114000人受傷,震害相較以往幾次人口密集的大地震區(qū)域極為嚴重[13],Hatay省一條公路兩側建筑群地震前后對比圖見圖3[14]。

圖3 Hatay省一條公路兩側建筑群地震前后對比圖Fig. 3 Comparative map of buildings on both sides of a highway in Hatay province before and after earthquake

此次7.8級地震震后還發(fā)生了多次高強度余震,且在距第一次地震約9小時后又發(fā)生了一次高達7.5級的特大余震,是一次極為罕見的“雙震”,對在第一次地震中未完全毀壞的建筑物等造成了二次傷害,這也是此次地震震害嚴重的原因之一,5.0級以上余震位置見圖4[15]。

圖4 5.0級以上余震位置圖Fig. 4 Location map of aftershocks with M≥ 5.0

震中附近人口稠密也是此次大地震人員損失極大的一個原因。中國地震局工程力學研究所孫柏濤課題組給出了此次地震的人口分布圖,見圖5,震中附近大約分布著20個大中城市,人口超過2 000萬人,可以看出兩次大震震中附近的Osmaniye和Gaziantep等省均為人口密集的地區(qū)。

圖5 土耳其7.8級地震震區(qū)人口分布圖Fig. 5 Map of population distribution in the earthquake area of Turkey M7.8 earthquake

震害主要有以下幾個方面構成:建筑物結構和非結構破壞,生命線破壞、場地破壞和地震引發(fā)的次生災害等。

2.1 建筑物破壞

建筑物的破壞主要集中在近震中的高烈度地區(qū),土耳其境內至少有6萬余棟建筑物嚴重破壞倒塌,其中距震中最近的Hatay省、K.mara省和Gaziantep省破壞最為嚴重,具體破壞數(shù)目見表1[16];高達11.8萬棟建筑物損毀嚴重,需要緊急拆除;另有大量輕微破壞的建筑物[17]。

表1 土耳其各省份建筑物破壞統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of building damage in various provinces of Turkey

此次地震造成的建筑物破壞有如下特征:

1)結構破壞是此次地震建筑物破壞的主要形式,其主要破壞形式為房屋梁、柱和承重墻等的破壞,主要出現(xiàn)在砌體結構、RC結構以及古代建筑結構的建筑物,其中砌體結構建筑受損狀態(tài)大多比RC建筑更為嚴重,如:處于Hatay省安塔基亞市的一個區(qū)域內出現(xiàn)大面積建筑倒塌,考慮是因為該區(qū)域建筑施工不符合現(xiàn)行的土耳其建筑規(guī)范要求,抗震設防等級不夠[6-7,18],且場地破壞導致大面積建筑地基失效,見圖6(a)[19];阿德亞曼省格爾巴舍城內一棟建筑物從底部傾覆,該建筑為土耳其2000年以前建造的鋼筋混凝土建筑物,這種建筑物的典型缺陷是使用光滑的鋼筋,鋼筋細節(jié)構造不足,混凝土強度可能較低,因此考慮是由于基礎接縫處的鋼筋不符合要求,導致接縫處的加固不夠,無法將地震中的側向力傳遞到基礎上而導致建筑從其基礎上傾覆,整體傾倒情況及接縫處鋼筋見圖6(b)[16];土耳其境內千年古堡加濟安泰普古堡受損最為嚴重,部分堡壘的墻壁及瞭望塔倒塌,其他部分嚴重受損,考慮是多次地震的累積損傷引起,見圖6(c)[20],敘利亞境內的古建筑也接近損毀狀態(tài);有180 a歷史的位于土耳其馬拉蒂亞的“耶尼清真寺”,在該起地震中結構嚴重受損,清真寺的圓頂?shù)顾?見圖6(d)[21],這是該寺廟自1843年建造以來第3次被地震摧毀。另外部分地區(qū)出現(xiàn)了因跨越斷裂帶而引起的建筑破壞現(xiàn)象,此類型破壞嚴重,但周邊衰減比較快,考慮與場地有關系。

圖6 地震作用下建筑物破壞Fig. 6 Damage to buildings under earthquake

2)在人員不密集且對屋內設施需求不高的建筑物內,非結構構件的破壞較建筑物結構性破壞帶來的影響更小,表現(xiàn)為室內物品毀壞和建筑物外壁脫落等,如:黎巴嫩境內巴卜達縣受地震影響一棟民居內部物品被震散落,見圖7(a)[22];敘利亞境內Amah地區(qū)一棟房屋內墻皮開裂和脫落,見圖7(b)[22]。

圖7 非結構構件的破壞Fig. 7 Non-structural damage to buildings

2.2 生命線破壞

2.2.1 橋梁破壞

地震導致土耳其境內許多橋梁受損,災區(qū)內有15座橋梁受地震影響無法通行,但大約50%的橋梁在地震發(fā)生后一天內修復。橋梁破壞的主要表現(xiàn)形式為橋臺變形、支座失效及橋墩損壞,如:一處橋梁的橋臺發(fā)生擠壓破壞,導致一側橋頭變形,見圖8(a)[23];一座橋梁的支座脫落和擋塊破壞,見圖8(b)[23];一座橋梁因支座失效導致橋的一側斷裂,路面隆起,見圖8(c)[16];一處橋梁的橋墩混凝土脫落,軸向鋼筋彎曲,見圖8(d)[23]。

圖8 地震作用下橋梁破壞Fig. 8 Bridge damage under earthquake

2.2.2 隧道震害

震后隧道大都表現(xiàn)良好,有一些輕微損壞,調查發(fā)現(xiàn)僅有G?lbaOzan村附近的一條鐵路隧道被地震嚴重破壞,見圖9(a)[16],這條隧道建于20世紀40年代,是一條石質襯砌隧道,抗震等級不夠且經(jīng)歷了往次地震的累計損傷,因此受損嚴重;施工中的鐵路隧道震損輕微,見圖9(b)[16]。

圖9 隧道震害Fig. 9 Tunnel earthquake damage

2.2.3 公路破壞

公路破壞主要破壞形式為路面隆起、龜裂和扭曲,這是地震剪切和扭轉作用下的一個突出的震害表現(xiàn)。土耳其Anadolu地區(qū)一條高速公路因地面變形導致路面出現(xiàn)巨大裂縫,嚴重損毀,見圖10(a)[22];敘利亞境內一條公路同樣因地面不均勻沉降而嚴重破壞,見圖10(b)[22]。

圖10 公路破壞Fig. 10 Highway damage

2.2.4 鐵路破壞

土耳其中部地區(qū)共有1275 km的鐵路線受到地震的嚴重影響,部分鐵路破壞是因其它生命線破壞而導致的伴生破壞,主要表現(xiàn)形式為軌道扭曲和斷裂。在此次地震的震中地區(qū)卡赫拉曼馬拉什省,途經(jīng)當?shù)氐牟糠骤F路軌道在地震后發(fā)生嚴重彎曲和斷裂,原本筆直的鐵軌嚴重扭曲變形,見圖11(a)[24];一處鐵路因橋梁變形嚴重而導致軌道扭曲,見圖11(b)[16]。

圖11 鐵路嚴重破壞Fig. 11 Serious damage to the railway

2.3 場地破壞

地震造成了大量的場地破壞,主要表現(xiàn)形式為土壤液化、山體滑坡和地面變形等,這些場地破壞也進一步對其周邊建筑物和生命線帶來了破壞。此次地震導致的建筑物破壞原因除施工質量問題和抗震構造不足外[7-8],還有場地效應問題,Hatay省安塔基亞市,和處于平原的城區(qū)相比,靠近山體的城區(qū)區(qū)內建筑物損失較小,且以奧隆特斯河為破壞分界線,分析發(fā)現(xiàn)場地效應對建筑物破壞的影響較大,紅色點代表地震作用下嚴重破壞的建筑物,橙色點代表地震作用下中等破壞的建筑物,黃色點代表地震作用下輕微破壞的建筑物,見圖12[25];位于Hatay省的克勒汗鎮(zhèn)也呈現(xiàn)同樣特征的破壞,見圖13[25],帶顏色點含義同圖12。

圖12 Hatay省安塔基亞市建筑物破壞示意圖 圖13 Hatay省克勒汗鎮(zhèn)建筑物破壞示意圖

2.3.1 土壤液化

地震導致的土壤液化現(xiàn)象較為廣泛,主要表現(xiàn)形式為噴砂冒水,在建筑物地基附近也有大量液化現(xiàn)象,導致場地附近的建筑物帶地基失效、房屋傾倒等破壞,如:Hatay省伊斯肯德倫港口附近幾棟住宅地基因液化失效,見圖14[16]。此外,生命線沿途的土壤液化對其帶來程度不同的破壞,一架橋梁的橋臺處發(fā)生液化,導致基礎失效橋臺傾倒,見圖15[16]。

圖14 建筑物地基附近的液化Fig. 14 Liquefaction of sand near building foundation

圖15 地震土壤液化引起的地基破壞導致橋臺旋轉Fig. 15 Foundation damage caused by earthquake soil liquefaction leads to the rotation of abutment

2.3.2 山體滑坡

受地震影響,部分地區(qū)出現(xiàn)了山體滑坡或者邊坡失效的現(xiàn)象,并對當?shù)氐缆樊a(chǎn)生破壞。Kahramanmara市南部一條水渠旁邊的道路產(chǎn)生滑坡和裂縫,導致混凝土擋土墻發(fā)生嚴重橫向位移(向水渠推進),見圖16(a)[16];一處山體因土體內部固結能力不足,地震時發(fā)生滑坡,落石掩埋了下方道路,見圖16(b)[16]。

圖16 滑坡震害現(xiàn)象Fig. 16 Landslide earthquake damage phenomenon

2.3.3 地面變形

地震還導致了多處地面變形,一處地面土體發(fā)生側移和地震錯動變形,見圖17(a)[16];一處地面變形導致了沿途的鐵路軌道發(fā)生扭曲破壞,見圖17(b)[16]。

圖17 地面變形Fig. 17 Ground deformation

2.4 次生災害

地震引發(fā)了火災和停電等一系列次生災害,2023年2月6日伊斯肯德倫港的部分集裝箱受地震影響發(fā)生倒塌,并在隨后發(fā)生火災,見圖18(a)[26];土耳其哈塔伊省一個天然氣運輸管道受地震影響發(fā)生爆炸并引發(fā)火災,見圖18(b)[27];地震導致了為鐵路線供應電力的10個變電站停止運作。

圖18 次生災害Fig. 18 Secondary disaster

3 目前震害預測方法

土耳其2023年2月6日發(fā)生的“雙震”給土耳其造成約342億美元的直接損失,相當于土耳其2021年國內生產(chǎn)總值(GDP)的4%;至少45 089人死亡和114 000人受傷。震后第一時間,土耳其當局和USGS分別給出基于不同模型的地震損失預測,均和實際損失差距較大;但經(jīng)過地震數(shù)據(jù)的不斷累積和收集資料,模型重新計算的預測結果趨于準確。

3.1 土耳其風險評估模型

土耳其根據(jù)歐洲地震風險模型ESRM20估計,住宅重置成本超過5千億歐元,商業(yè)建筑重置成本約1600億歐元,工業(yè)建筑重置成本約900億歐元,預測相對偏高;倒塌房屋7萬余棟,嚴重破壞3萬余棟,中等破壞7萬余棟,輕微破壞23萬余棟,預測偏低;傷亡人口7千人左右,預測明顯過低[28]。

3.2 美國地質調查局風險評估模型

美國地質調查局(USGS)第一時間預測此次地震造成的經(jīng)濟損失可能在10億至100億美元之間,達到土耳其國內生產(chǎn)總值的2%,預測偏于保守;此次地震造成100～1000人死亡的可能性最大,為45%,預測差距過大。

經(jīng)過地震災害數(shù)據(jù)累積,2023年2月19日重新預測的結果趨于真實損失值,預測經(jīng)濟損失最可能在100億～1000億,見圖19(a)[29];預測死亡人數(shù)最可能在1萬～10萬人,見圖19(b)[29]。

圖19 美國地質調查局(USGS)給出的震害估計Fig. 19 Seismic loss estimation by USGS

4 結論

通過收集、對比和分析震后的實地勘察數(shù)據(jù),大體得出以下結論:

1)此次地震導致了數(shù)量極大的建筑物的毀壞,其中有大量建筑物完全倒塌或嚴重破壞,結構性破壞為主要破壞形式。

2)生命線系統(tǒng)破壞中橋梁損壞較為輕微,主要破壞形式為橋臺變形、支座失效及橋墩損壞等;公路沒有嚴重的破壞,但在多個地區(qū)產(chǎn)生了嚴重的擁堵,基本破壞形式為路面隆起、龜裂和扭曲;鐵路系統(tǒng)受到了嚴重破壞,大多是伴隨橋梁和隧道破壞發(fā)生,主要破壞形式為軌道發(fā)生嚴重彎曲和斷裂。

3)此次地震導致了大量場地破壞,主要表現(xiàn)形式為土壤液化、山體滑坡和地面變形等,其中土壤液化現(xiàn)象較為廣泛,這些場地破壞也進一步對其周邊建筑物和生命線帶來了破壞。

4)美國地質調查局(USGS)第一時間的預測過低地估計了此次地震震害,不利于震害評估和災害救援,但經(jīng)過完善數(shù)據(jù)重新得到的預測結果接近真實損失。未來需要完善和發(fā)展更加合理的地震災害預測方法。

致謝：中國地震局工程力學研究所地震應急隊員收集了大量的震害資料并快速給出了儀器地震烈度分布圖;王濤研究員和林旭川研究員對土耳其地震現(xiàn)場進行細致勘察,提供地震現(xiàn)場震害資料,在此表示衷心的感謝!