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”。