辽宁地区长周期地震动灾害预测及防灾对策

董晓燕，范晓军，索 锐

（1.辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；2.辽宁省地质勘查院，辽宁 金州 116100）

1 减轻长周期地震动灾害是城市防震减灾面临的新课题

强烈地震动引起的结构破坏和倒塌是造成大量生命财产损失最主要的原因，根据对大量国内外破坏性地震调查资料的统计，至少有90%以上的人员伤亡和建（构）筑物破坏是直接由强烈地震动造成的。此外，强烈地震动也是其它地震破坏作用（如地基失效、边坡滑移等）的外部条件。一般说来，地震发生以后，地震波向四周传播，随着震中距的增加，地震波能量逐渐向外衰减，地震破坏随震中距的增加而减轻。例如1975年地震时，Ⅷ度等震线距震中约30km，Ⅶ度等震线距震中最大的距离约120km。1976年唐山7.8级地震Ⅷ度等震线距震中约60km。Ⅶ度等震线距震中约130km。值得指出的是，一些大地震发生后，震害并不随震中距的加大而减轻，反而加重，这种情况一般称为烈度异常。近代一些大地震的震害资料证明，在城市这种奇异的震害现象并不少见，下面举几个实例加以说明。

1978年11月29日在墨西哥瓦哈卡南部附近太平洋海岸发生7.9级地震，瓦哈卡州受灾极为严重，许多城镇几乎被夷为平地，附近几个州的损失也相当严重。然而不可思议的是，与震中相距400多公里的墨西哥城严重受损，全市有750栋建筑物被破坏，市内一些大楼被震裂甚至倒塌，墨西哥城附近特奥蒂瓦的一座桥梁被震塌。

1985年9月19日墨西哥巴尔萨斯河口附近的太平洋近海发生8.1级地震，接着于9月20日发生7.5级余震，这两次地震使墨西哥格雷罗州等10个州遭受严重损失，但破坏最为严重的却是远离震源400多公里的墨西哥城，该市的老城区和商业区损失十分严重，市中心约35%的建筑物遭到破坏，全部倒塌的建筑有300多栋，部分破坏的建筑上千幢，其中多数是高层建筑，四层以上的楼体几乎完全倒塌或者拦腰截断，上半截被抛落在地上。由于市内各种设施遭受破坏，使整个墨西哥城的城市功能受到重创。2003年日本十胜近海8级地震时，在距离震中250km处的苫小牧石油罐，由于罐内的液体晃动外溢，酿成火灾。另一个值得注意的现象是，新加坡是一个几乎不发生地震的城市国家，75%的国民生活在高楼内。与其相邻的印度尼西亚多次发生强烈地震，使高楼林立的新加坡屡次遭受损失，从20世纪80年代开始，无震的新加坡成了地震的受害国。

长周期地震动的危害性在国内一些大地震中也有所体现。例如，1976年唐山7.8级地震时，天津市位于Ⅶ度区，却遭到Ⅷ度破坏。1975年海城7.3级地震时，营口地区软而厚的地基上高大砖烟囱的震害在震中距为20～80km的范围内几乎没有减轻，震害指数均在0.60以上，而刚度大的砖平房随着震中距的加大，震害明显减轻（图1），距震中100多公里的沈阳红阳煤矿高度40～55m的井塔设备均遭受不同程度的损坏，沈阳市小南街天主教堂的塔尖，高几十米，地震时被水平错断。

图1 不同类别地基土上各类结构震害指数衰减曲线Fig.1 Earthquake damage index decay curves of all kinds of structures on different subsoils

从以上实例可以看出，这些奇异的震害现象具有距震中远、破坏性大并具有重复性的特点。产生这种现象的原因主要是长周期地震动的作用。这种破坏作用对建筑物有明显的选择性，主要是使固有周期长的建（构）筑物产生破坏。在经济不发达的年代，这类灾害的危害性并不明显。例如，1974年渤海7.4级地震和1975年海城7.3级地震对远处城市建筑的破坏并不严重，主要原因是这个时期城市的高层和超高层建筑很少甚至没有，或者是已有较高的建筑物或构筑物不在松而厚的地基上。辽宁是全国的重工业基地，随着城市化进程的加快，高层、超高层建筑也会愈来愈多。如何减轻城市长周期地震动灾害，是今后城市规划、建设和防震减灾所面临的新课题。

2 长周期地震动灾害的产生条件

地震波是一种混频波，包括高频，中频和低频成份。长周期地震动只在地震波传播了一定距离后才能出现。所以，能产生长周期地震动的地震至少是7级以上的强震，中等地震波及的范围有限，长周期地震波的作用不明显。因此，强震是产生长周期地震动的首要条件。

地震波在传播过程中，会穿过不同性质的介质而衰减，长周期地震动之所以能造成灾害，必须要有能够保持长周期能量传播地震波的路径，日本学者称之为附加体。大量震害调查资料证明，软而厚的土层可以使地震动频谱特性发生改变，主要是长周期成份相对突出，而具备松软和厚沉积层的地方多是平原区或者一些沉积盆地，所以，合适的地震波传播途径也是产生长周期地震动灾害的必要条件。当建（构）筑物处在坚硬地基上时，长周期地震波对建筑物的影响不明显，但是松而厚的地基土对地震动有明显的放大作用，这种作用主要表现为晃动幅值加大和地震动的持续时间加长（图2）。

图2 厚而松软地基上不同结构物对长周期地震动反应示意图Fig.2 Long-period ground motion response by different structures on thick and soft subsoil

如果只是具备了以上条件，没有相应固有周期的结构物和构筑物，长周期地震动灾害也不会发生。建（构）筑物本身有一个容易晃动的周期叫作“固有周期”或称自振周期，一般建筑物的固有周期比较短，多为0.1～0.5秒，而高层、超高层建筑物和一些储罐的固有周期较长，可以长达数秒，只有当长周期地震动与固有周期长的建（构）筑物发生共振时，才能发生破坏，这种共振作用也称为频谱效应，所以，地震波周期与建（构）筑物固有周期相近而产生共振，也是产生长周期地震动灾害的重要条件。

归纳起来，产生长周期灾害的基本条件是，有高震级的地震，合适的地震波传播途径、有松软而厚的地基以及固有周期长的建（构）筑物。

3 辽宁地区长周期地震动灾害预测及防灾对策

从辽宁省的地震构造条件环境、场地条件和城市发展现状等方面来看，今后发生长周期地震动灾害的条件是具备的。

首先从地震构造环境看，辽宁毗邻渤海强震区，历史上在渤海多次发生过7级以上地震，即1548年7级地震、1597年7级地震，1888年72⅟级地震和1969年7.4级地震（图3）。这些地震已不同程度波及到辽宁地区，另外，在辽宁省的陆地上发生过1975年海城7.3级地震，直接造成了巨大的损失，尽管7级以上地震重复周期较长，但是，由于上述地区具备发生强震的地质构造条件，今后再次发生7级以上强震的可能性是很大的，这些强震所产生的长周期地震动必然会在辽宁地区产生影响。

图3 辽宁及周围地区强震分布图Fig.3 Strong earthquakes distribution in Liaoning and its surrounding area

辽宁地区的地貌基本上由三部分组成，即东部辽东低山、丘陵，中部下辽河平原和辽东湾海城，西部为辽西低山、丘陵。辽东湾和下辽河平原在地质构造上是中、新生代断陷盆地，在新生代早期以断陷作用为主，新第三纪晚期转变为大范围的坳陷，有巨厚的新生界沉积，其中在下辽河地区第四系沉积层序齐全，成因复杂，分布广泛，最大厚度可达420m（图4）。

图4 下辽河地区第四系等厚线图及可能产生灾害地区Fig.4 The quaternary isopach map of Xialiaohe Basin and easily triggering disaster area

综观下辽河平原的第四系，从东西两侧山地、丘陵到中部平原的横向变化规律是，厚度由薄到厚，从几十米到400多米。地层结构由单一到复杂，岩相在水平方向上由砾卵石、砾石粗粒相变为含砾粗砂，最后变为中粗砂、细砂、粉细砂夹粘性土的细颗粒相。从纵向上看，沉积相由冰水冲积相、冲洪积相、冲海积相变为海陆交互相。从岩性变化看，下部以粉质粘土与粉细砂互层为主，中部为粉细砂、上部为粉细砂为主夹粉质粘土薄层，这样软而厚的土层可以使地震波的频谱成份改变，使长周期部分显得更为突出，有利于长周期地震波的传播。

自改革开放以来，辽宁经济快速发展，桥梁、油汽储罐等构筑物和城市高层、超高层建筑不断增加，目前在城市高度百米以上的楼房已不鲜见，而且还出现了许多高度在200m以上的建筑，有些高层建筑还处在松软而厚的地基上，这类构筑物和建筑物的大量涌现无疑增加了遭受长周期地震灾害的风险，辽宁地区存在产生长周期地震动灾害的隐患。这种新的潜在的地震灾害在高楼林立的城市中也许不可避免，为了有效地减轻灾害所造成的损失，下面提出几项防灾对策。

（1）今后在开展城市建设规划和土地利用规划时，应注意避免长周期地震动灾害，在容易产生长周期地震灾害的地区不建或少建高层、超高层建筑。

（2）目前对城市建筑物的震害预测多集中在单层平房和多层楼房，对高层、超高层建筑的震害预测方法还不够完善，今后需加强这方面的研究。

（3）在工程场地地震安全性评价中，为了确保高层、超高层建筑的安全，设计反应谱的长周期部分应作专门研究，原则上设计谱长周期部分的谱值不能低于规范谱。

（4）在城市工程建筑中加强隔震，减震技术的应用和研究，尤其对高层、超高层建筑应多采用隔震装置和减震的阻尼装置，自动平衡等技术。

（5）在当前地震预报还不过关的情况下，建立城市地震预警是十分重要的，地震预警主要是利用地震P波和S波的倒时差采用紧急防御措施，例如，关闭电闸，停止电梯运行等。由于长周期地震动灾害多发生在远离震中处，在这里倒时差比较大，采用紧急措施的时间比较充裕，容易取得减灾效果。

长周期地震动灾害是随着工业发展和城市建设而出现的一种新灾害，尽管它有很大的破坏性，但是，它的产生机理和形成条件还是比较清楚的，只要能针对灾害的特点采取有效的措施，减轻或防治这种灾害，在当前的技术条件下是可以做到的。

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