日本北海道6.7級地震災害特點與啟示

王蘭民 車愛蘭 王林

王蘭民，中國地震局黃土地震工程重點實驗室主任，研究員，博士生導師，國務院政府特殊津貼專家，中國地震局科技委員會委員，中國地震學會、中國地球物理學會和中國土力學與巖土工程學會的常務理事，國際巖土地震工程技術委員會委員，亞洲巖土自然災害技術委員會委員，《地震工程學報》主編，《巖土工程學報》等多個刊物編委，曾任甘肅省地震局局長、中國地震局蘭州地震研究所所長。長期致力于土動力學與巖土地震工程研究，作為第一完成人獲國家科技進步獎二等獎1項（黃土地區(qū)地震災害預測預防技術研究），省部級科技進步獎7項，發(fā)表論文100多篇，主編出版《黃土動力學》等3部專著。2007年和2017年分別被表彰為全國地震科技先進個人、全國地震科技創(chuàng)新突出貢獻者，多次獲“甘肅省先進工作者”“甘肅省科技領軍人才”等榮譽稱號。

前言

2018年9月6日當?shù)貢r間3時8分，日本北海道發(fā)生6.7級地震，地震引發(fā)4000余處滑坡和局部地基液化沉陷，造成44人遇難。9月22日至28日，筆者應邀參加了亞洲巖土自然災害委員會（ATC3）組織的現(xiàn)場震害科學考察，基于此次考察，本文簡要回顧了地震基本情況，介紹了震害分布及其主要特征，對震害形成機理進行了分析，從災害風險防控角度總結了其帶給我們的啟示。

地震概況

根據(jù)日本氣象廳發(fā)布，2018年9月6日當?shù)貢r間3時8分，在日本北海道發(fā)生了6.7級地震，震中位置為北緯42.671°，東經(jīng)141.933°，震源深度35km，最大震度為7度（日本標準）（圖1）。這是北海道地震觀測史上震度最強的一次地震，記錄到的地面最大峰值加速度（PGA）1796.4gal（三分量合成），1591.1gal（垂直向分量），1003.6gal（南北向分量）。根據(jù)極震區(qū)5個強震臺記錄的速度反應譜分析結果（圖2），追分臺和晃毛志臺的震動強度不但大于2003年十勝沖8.0級地震強度，而且超過了當?shù)貥O罕遇地震設防水準。札幌地區(qū)的震動強度也超過了當?shù)睾庇龅卣鹪O防水準，苫小牧和千歲兩地的震動強度在0.2～2.0s之間，均超過了當?shù)睾庇龅卣鹪O防水準。

圖1 北海道6.7級地震震度分布圖（日本氣象廳，2018）

圖2 極震區(qū)5個強震臺記錄到的地面運動速度時程反應譜與當?shù)氐卣鹪O防水準和2003年十勝沖8.0級地震強度的對比 (Susumu Yasuda, 2018)。

本次地震造成44人遇難，32棟房屋完全損壞，18棟部分損壞。人員傷亡和房屋破壞主要由大規(guī)?；潞偷鼗夯两?、震陷所致。震后由于發(fā)電廠崩潰導致259萬戶斷電，札幌市大面積停電，9月9日北海道地區(qū)電力供應基本恢復，但仍達不到震前用電高峰時的需求水平，直到一周后才完全恢復。截至9月10日仍有近8400戶居民處于斷水狀態(tài)，2700多人在避難所生活。受地震停電影響，交通短時間暫停，北海道機場、JR鐵路、札幌市地鐵停運一天后陸續(xù)恢復。截至9月9日傍晚，北海道通往本州地區(qū)的貨運列車恢復運行，當?shù)罔F路運營商開通了連接札幌和島內其他城市的特快列車，距震中不遠的新千歲機場國內航線恢復到震前90%水平，國際航線則完全恢復。地震發(fā)生后，日本政府組織警察、消防、自衛(wèi)隊及海上保安廳出動近4萬人及65架直升機參與搜索及救援。

地震災害特征與形成機理

在本次地震中，因地震動直接造成的建筑結構破壞和基礎設施破壞很少。人員傷亡和房屋破壞主要由成群連片的大規(guī)?；潞途植繄龅匾夯?、震陷所造成。因此，本文重點論述地震巖土災害的特征與機理。

（一）地震滑坡特征與機理

通過現(xiàn)場調查，筆者將此次地震滑坡的特征歸納為七個方面：①滑坡數(shù)量和規(guī)模巨大。本次地震在相當于我國地震烈度Ⅷ度及以上地區(qū)引發(fā)了4000多處滑坡，不論是滑坡數(shù)量還是滑坡規(guī)模，都是日本相似震級地震最大的，主要原因是震前有持續(xù)降雨（包括震前一天臺風“飛燕”強降雨）與強地震動的耦合作用（圖3）。②掩埋村莊和房屋的絕大多數(shù)滑坡原始斜坡坡度在15～30°，極少數(shù)為30～39°（圖4）。這種低角度斜坡在以往地震（如2003年北海道十勝沖8.0級地震）中未發(fā)生過成群連片的大規(guī)?；隆＂刍瑒油馏w具有較高的含水量，滑坡床位于接近飽和狀態(tài)的粘質粉砂層。④滑坡土體厚度一般為3～5m，連片滑坡的滑坡床有兩種類型，一種滑坡床深度基本一致，另一種滑坡床呈沖溝狀，深度起伏變化較大。后者深度較大的沖溝狀滑坡床，存在地下水或地下泉水的作用。⑤絕大部分滑坡土體沖出滑坡床，從坡角向前滑動100～400m（圖3），這種大規(guī)模、長滑距的滑坡在以往地震中較為少見。⑥滑坡沒有方向性。雖然連片的滑坡具有一致的方向，但不同地點的滑坡和滑坡群任何方向都有（圖3）。⑦滑坡地層巖性為不同時期形成的浮巖雨沉積和浮巖流沉積，從上到下依次為形成于公元1739年、公元1667年和距今2500年、9000年、2萬年的浮巖雨沉積，以及其下的浮巖流沉積。浮巖雨沉積的密度很小，一般容重為1.4g/cm3左右，絕大多數(shù)滑坡發(fā)生在這一地層中。其中，在距今2500年和9000年、距今9000年和2萬年的浮巖雨沉積地層之間，各有一層火山粘性土夾層（含有浮巖混合物），滑動面大多位于這兩個粘性土夾層中（圖5）。

圖3 地震引發(fā)了4000多處滑坡

圖4 富里連片滑坡導致36人遇難（坡高30～50m，坡度25～30°，滑體厚度3～5m，向南滑移距離50～100m）（中央開發(fā)株式會社，2018）

圖5 北海道6.7級地震滑坡地區(qū)典型地層結構

從上述7個特征和震前一個月降雨量數(shù)據(jù)分析，此次地震發(fā)生大規(guī)?；碌臋C理為：一方面震前降雨滲入斜坡土體后，使土體抗剪切強度顯著降低。另一方面火山粘性土夾層透水性較差，下滲水分在其上表面匯聚，使該夾層表面土體處于高含水狀態(tài)或近于飽和狀態(tài)，成為斜坡潛在滑動面。在強地震動的作用下，斜坡土體沿潛在滑動面失穩(wěn)下滑。由于滑裂面阻抗較小，滑動土體含水量較高，殘余強度顯著降低，滑動土體在地震動慣性力和重力的聯(lián)合作用下產(chǎn)生了長距離的滑移。因此，日本北海道大規(guī)模地震滑坡的主要影響因素為地震動強度、降雨量和斜坡地層巖性三個方面。

（二）液化、震陷特征及其機理

本次地震液化造成的房屋和道路破壞主要位于札幌市清田區(qū)，最嚴重的液化不均勻沉降發(fā)生在清田區(qū)一丁目，該街區(qū)地基、路基液化沉降區(qū)10～20m寬、200m長，最大沉降3m（圖6），震前該街區(qū)地勢自西向東有1.5%～3%的緩坡降，液化沉降嚴重區(qū)并沒有噴砂冒水現(xiàn)象。根據(jù)冒水出現(xiàn)在街區(qū)自西向東150m處、噴砂出現(xiàn)在最東端200m處的現(xiàn)象，以及距該液化區(qū)8km的強震臺記錄-水平向最大峰值地面加速度為99gal，持時20～30s，我們推測，液化沉降嚴重區(qū)的地震動強度應該為200gal左右，相當于我國的Ⅷ度。液化的機理主要是該街區(qū)地基土為無粘性砂土，含有大量細砂，具有很高的液化風險。加之地下排水暗渠年久失修，管道接頭處滲漏，使地基土處于飽和狀態(tài)，在地震動作用下，發(fā)生液化的砂體沿緩坡降方向流動噴出（圖7）。但也有個別日本學者對這一液化機理有不同看法，東京機電大學Susumu Yasuda教授認為，是地震造成地下水管破裂，水管噴漏水進一步?jīng)_擊地下沙層，使沙層沿緩斜坡下沖流失，最終導致該街區(qū)沉降。值得一提的是，2003年北海道十勝沖8.0級地震也曾在該地區(qū)農(nóng)田造成一條35m寬、150m長的液化帶和3.5m的地面沉降。但距液化場地10km的強震臺記錄到的峰值地面加速度只有54gal，說明此類無粘性砂土的液化風險非常高（Takaji Kokusho，2018）。因此，此次液化沉降的主要影響因素為地基土成分、地下水滲漏和地震動強度等。

圖6 札幌市清田區(qū)液化沉降造成房屋破壞（被鑒定為“危險”）

圖7 札幌市清田區(qū)地下流沙噴出、堆積現(xiàn)象

震陷造成的房屋和道路破壞主要發(fā)生在札幌市清田區(qū)清天通街。該街區(qū)的地基和路基在2003年北海道十勝沖8.0級地震時曾經(jīng)發(fā)生過液化，當時對地基、路基進行了加固維修處理，因此這次未發(fā)生顯著液化現(xiàn)象，但是產(chǎn)生了最大30cm的震陷現(xiàn)象。這可能是當時的加固維修處理雖然在一定程度上提高了地基、路基的抗震性能，地基、路基不存在飽和砂層或可液化砂層，但由于此次地震動強度超出了上次加固處理的標準，土體密實度不足，因此地基、路基仍然產(chǎn)生了一定的震陷。其影響因素主要為地基土密實度、土體成分和地震動強度。

盡管本次地震引起的土壤液化和震陷僅限于札幌市的局部街區(qū)，但由于液化沉降和震陷造成了許多房屋傾斜、開裂等不同程度的破壞，札幌市“建筑應急危險度判定”實施本部在震后立即對房屋做了調查鑒定。有倒塌或局部塌落風險的房屋被鑒定為“危險（不安全）”房屋，貼紅色告知書（圖6）；有裂縫但無倒塌和塌落風險的房屋被鑒定為“要注意（有限使用）”房屋，貼黃色告知書；基本完好的房屋被貼綠色告知書“調查済”（已調查），可以繼續(xù)使用。作者訪問期間，被鑒定為“危險”的所有房屋和大部分“要注意”的房屋已無人居住，原居民通過投靠親友或在避難所暫時生活；相關街區(qū)已由執(zhí)勤警察管制，受損道路和地下管網(wǎng)正在進行應急搶修。

對災害風險治理的啟示

通過此次對北海道6.7級地震震害現(xiàn)場調查，筆者認為對于災害風險治理，特別是抗震韌性城鎮(zhèn)建設具有如下四點啟示。

（一）對災害風險認知不夠

日本北海道歷史上遭受過多次強震，如2003年十勝沖8.0級地震在北海道也造成了日本震度6度弱的影響，每年8—9月也是降雨較多的季節(jié)，但降雨和同級別地震單因素條件下都沒有引起過如此大規(guī)模的成群連片滑坡。由于沒有認識到強震與降雨耦合作用下該地區(qū)大規(guī)?；碌娘L險，使得這次地震滑坡災害遠遠超出預期的防御能力，造成較大的損失。

目前我國也存在這方面的問題，例如，黃土塬和斜坡在大震作用下，由于水的耦合作用（地下水、降雨、農(nóng)業(yè)灌溉和人類活動等造成土體高含水或飽和狀態(tài)）曾經(jīng)引發(fā)過大范圍土體液化并形成1km以上的長距離滑移，造成村莊被掩埋，數(shù)百人遇難的悲?。▓D8）。但目前對這種耦合作用的機理和風險尚不能完全掌握，更無此類風險的防控對策。災難性事件一再給我們警示：必須充分認知和識別極端條件下的大規(guī)模地震巖土災害風險，才能避免大規(guī)?；隆⒋蠓秶夯坪驼鹣菰斐蔀碾y。

（二）對相關災害風險防范的水準不足

日本規(guī)范規(guī)定，對坡角大于30°的斜坡進行地震穩(wěn)定性和滑坡危害性評價，且穩(wěn)定性和滑距按照設防地震動水準判定和避讓。而此次北海道地震滑坡造成破壞和傷亡的原始斜坡坡角大多在15～30°，在震前未能對其進行滑坡和滑距風險的評價和設防。

我國目前城鎮(zhèn)化建設中，對滑坡風險防范的水準也存在不足。其一，地震地質災害設防和建（構）筑物抗震設防在目標上不匹配。建（構）筑物設防目標為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。而斜坡地震穩(wěn)定評價和滑坡防治大多按照中震設防（基本烈度及相應地震動參數(shù)設防），不能確保大震穩(wěn)定。即使建（構）筑物大震不倒，若遇上大震滑坡失穩(wěn)的情況后果將不堪設想。更何況目前我國已啟動建設抗震韌性城市，設防目標將向“中震不壞、大震可修、極罕遇地震不倒”發(fā)展，這一不匹配問題將會更加突出。其二，我國還有大量的建筑物和村莊直接建在斜坡之下、大厚度填埋場之上，避讓距離不足和地基震害設防不足問題普遍存在（圖9）。特別是城鎮(zhèn)擴張存在從災害低風險區(qū)域向高風險區(qū)域發(fā)展的現(xiàn)象，如何加強此類災害高風險的防范，也是急需研究解決的重大問題。

圖8 2013年甘肅岷山漳縣6.6級地震引發(fā)永光村黃土滑坡

圖9 新建項目存在由災害風險低的區(qū)域向高風險區(qū)域擴展的現(xiàn)象

（三）生命線工程應急預案應從可操作性出發(fā)強化實戰(zhàn)演練

這次地震造成北海道電力短時間中斷，顯示出生命線工程對現(xiàn)代城市功能維持的極端重要性。北海道為強震多發(fā)區(qū)，北海道電力公司震前制訂了地震造成供電中斷情景下的應急調度方案。方案規(guī)定地震造成某地供電中斷時，可調度周邊發(fā)電廠應急供電。但這次地震仍然造成了295萬戶的大面積供電中斷。據(jù)日媒報道，北海道電力公司總裁真弓明彥9月6日下午在札幌市總部一樓召開的記者會上稱，“這是極其罕見的情況，我們一直認為所有發(fā)電站全面停止運轉可能性是比較低的。”北海道電力公司認為，導致此次大規(guī)模停電的原因是發(fā)電量最大的苫東厚真火力發(fā)電站（發(fā)電能力為165萬千瓦，占整個北海道發(fā)電量一半以上）在地震發(fā)生后停機，電力供需失衡造成連鎖效應，致使北海道其他火力發(fā)電站也全部停止運轉，從而出現(xiàn)電網(wǎng)癱瘓。全部電力恢復花費了一周的時間。這期間引發(fā)了一些列衍生問題，例如城市地鐵、高速公路、JR鐵路等交通暫停，很多加油站停止營業(yè)，當天部分人員無法回家，人們手機充電困難等等。日媒在評價此次北海道大停電時指出，如果這次大停電發(fā)生在對供暖設施需求量較大的冬季，危害會更大。

從建設抗震韌性城市要求出發(fā)，震后生命線工程的正常運轉或快速恢復直接關系到城市功能的維持與恢復。因此，震前加強對生命線工程應急預案和快速恢復預案的實戰(zhàn)性演練，是確保震后應急技術方案和調度方案能夠有效實施的必要措施。

（四）日本抗震韌性城鄉(xiāng)建設的經(jīng)驗值得借鑒

日本是一個自然災害頻發(fā)的國家，曾經(jīng)遭受過地震、海嘯、洪水、滑坡、泥石流、火山噴發(fā)、暴風雪等嚴重災害的磨難，同時，也積累了防災減災的豐富經(jīng)驗和教訓。長期以來日本建立了較為完善的防災減災體系，這個體系得到了日本《災害對策基本法》和《國家全面發(fā)展法》《地震防災對策特別措施法》《地震預知聯(lián)絡會設計法》《抗震對策特別法》《災害救助法》《水害預防組合法》《治山治水緊急措施法》以及各地各級防災計劃、社區(qū)災害風險圖等法律法規(guī)和技術規(guī)范的全方位保障，特別是綜合防災減災措施在各類工程建設和各級政府、企業(yè)、社區(qū)、單位災害風險管理中得到了較好的貫徹落實，使日本全社會的災害防御能力有了顯著的提升。

上述防災減災能力在此次北海道6.7級地震中也再次得到了較好的檢驗。這次地震雖然是北海道歷史上震度最強的一次地震，但不論是城市還是農(nóng)村，除了極個別房屋外，基本上沒有因地震動造成建筑物和工程結構嚴重破壞的情況。生命線工程和學校、醫(yī)院、商業(yè)、酒店恢復較快，大面積供電在一周內陸續(xù)恢復，城市生產(chǎn)、生活受影響時間較短，震后社會秩序井然。公眾應對災害行為成熟，政府組織應急救援規(guī)范，部門發(fā)布和媒體報道信息及時、專業(yè)、權威。這都得益于日本對建筑物、構筑物和設施的高水準抗震設防、社會公眾的防災減災教育與演練、災后信息的及時專業(yè)權威發(fā)布和災前、災時、災后依法有序規(guī)范的災害風險管理機制。這些方面的經(jīng)驗值得我國在建設抗震韌性城市時借鑒。

在建筑物和一般工程抗震設防目標上，日本的抗震設計要求“中震不壞、大震不倒”，其建筑標準法規(guī)規(guī)定了兩個設防水準，第一水準為中等強度地震，第二水準為強烈地震。日本規(guī)范要求在中等地震強度地震作用下建筑物幾乎不發(fā)生破壞；強烈地震作用下結構不倒塌或不產(chǎn)生導致人員傷亡的破壞。這次地震中城鄉(xiāng)建筑物的抗震能力得到了檢驗，調查僅發(fā)現(xiàn)在地震地面運動峰值加速度達到670gal，日本震度為6度強的震中區(qū)安平町，有一棟房子屋頂滑落，一棟建筑物的外墻局部塌落（圖10）。因此，我國應研究將城鎮(zhèn)建筑物抗震設防目標調整為“中震不壞、大震可修、極罕遇地震不倒”的可行性，為建設抗震韌性城市奠定必要的工程基礎。

圖10 北海道6.7級地震安平町因地震動破壞的房屋（PGA=670gal, 震中區(qū)）

結論

此次日本北海道6.7級地震，震中烈度達到了日本震度的最高值7度，是該地區(qū)歷史上強度最大的一次地震。由于震前一個月持續(xù)降雨和震前一天臺風暴雨，使強烈的地震動與降雨對斜坡土體強度削弱作用相耦合，從而引發(fā)了大規(guī)?；拢斐纱迩f房屋被埋，44人遇難。札幌市局部地區(qū)出現(xiàn)地基、路基液化和震陷，造成部分房屋傾斜、開裂破壞。地震造成了短時間大面積供電中斷，衍生影響了地鐵、鐵路、高速公路等交通和城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)、生活，但所有影響隨著供電較快恢復而消除。

對本次地震震害特征和機理的調查結果啟示我們，我國建設抗震韌性城鄉(xiāng)必須貫徹落實習近平總書記“堅持以人民為中心的發(fā)展思想，堅持以防為主、防抗救相結合”等一系列防災減災的指導方針，研究“中震不壞、大震可修、巨震不倒”的抗震設防目標實施的可行性和技術方案，顯著提升我國建筑物和各類工程的抗震能力，大幅度降低地震造成的人員傷亡。在地震次生災害與災害鏈風險識別上應考慮大震（罕遇地震）和巨震 （極罕遇地震）作用的情景；在地震地質災害風險防范水準上應考慮大震與多種致災因素耦合作用的極端條件，使地震地質災害防范水準和建設工程抗震設防水準相匹配。在生命線工程地震應急預案和社區(qū)防震減災綜合方案編制上應從實戰(zhàn)出發(fā)，強化演練，不斷完善，增強可操作性，確保地震發(fā)生前和發(fā)生時預案相關內容都能夠得到有效實施。

致謝：本次赴日本北海道6.7級地震災害現(xiàn)場應急考察，得到了中國地震局領導和國際合作司的大力支持，及時辦理應急審批和協(xié)調加急簽證，甘肅省地震局領導和外辦高效協(xié)助辦理相關手續(xù)，使筆者能按時參加國際組織邀請的聯(lián)合震害考察，獲取了珍貴的現(xiàn)場震害第一手資料。亞洲巖土自然災害技術委員會（ATC3）主席Mitsu Okamura教授邀請筆者參加聯(lián)合現(xiàn)場考察，國際地震巖土工程協(xié)會前主席Takaji Kokusho教授在東京專門召開交流會介紹前期現(xiàn)場震害調查結果，東京大學Ikuo Towhata教授、東京機電大學Susumu Yasuda教授為筆者提供了相關資料，日本中央開發(fā)株式會社為現(xiàn)場調查提供了大力協(xié)助，在此一并表示衷心的感謝！