2015尼泊尔地震后加德满都谷地世界文化遗产破坏特征

2019-03-10张景科李卷强谌文武郭青林徐文立

文物保护与考古科学 2019年6期

张景科，李卷强，谌文武，方云，郭青林，徐文立

(1．兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州 730000； 2．兰州大学丝绸之路经济带研究中心，甘肃兰州 730000；3．中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074； 4．国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心(敦煌研究院)，甘肃酒泉 736200；5．中国岩石力学与工程学会，北京 100029)

0 引言

尼泊尔是南亚山区的内陆国家，位于南亚次大陆北部，北与中国西藏自治区接，其他三面均与印度为邻。尼泊尔国境线近似呈长方形，东西长约850 km，南北宽约170 km。2015年4月25日，尼泊尔发生一场8．1级大地震，震中位于首都加德满都西北77 km的博克拉市(图1)，震源深度15 km[1]，属于浅源地震，地震还引发了一系列的余震、滑坡和岩崩等次生灾害。这次地震涉及到尼泊尔及其周边大范围的地区，造成大量的人员伤亡和财产损失。同时造成尼泊尔大量的文化遗产建筑遭受不同程度的破坏，其中加德满都谷地七处世界文化遗产建筑受灾最严重。2015年12月10日至12月17日，受尼泊尔国家岩石力学学会的邀请，国际岩石力学学会和中国岩石力学与工程学会组织震后古遗址科学考察，笔者作为考察组的成员，全程参与现场考察工作。由于其中一处印度教神庙帕斯帕提那寺(Pashupatinath temple)只允许印度教徒进入，故本次未做考察，仅对其他六处世界文化遗产的震后破坏状况开展了系统调查，以期为灾后修复提供参考，并为我国同类遗产的抗震防护提供借鉴。

尼泊尔地震发生后，部分学者奔赴灾区，开展加德满都谷地各类建筑的震后调查。潘毅等[2]按建筑材料将加德满都谷地历史建筑分为砖石结构、砖木结构和生土结构，划定了不同建筑类型四种震害情况：基本完好、中等破坏、严重破坏和毁坏，通过统计分类得到不同结构震害等级所占的比例，分析了不同结构建筑物震害原因并提出了文化遗产建筑加固意见。潘毅等[3]还针对加德满都谷地3座杜巴广场上两种典型的建筑结构的震害进行统计分析，得到砖木结构建筑抗震性能比砖石结构稍好，并提出加固建议。张铁柱[4]将谷地古建筑按建筑特征分为宫殿、神庙、佛教建筑和其他类型建筑，并进行相应的震害分析，提出保护加固意见。Chiaro等[1]梳理了加德满都谷地杜巴广场上建筑物的受震破坏情况，指出加德满都杜巴广场上受损建筑大多数为砌体结构。Shakya等[5]通过对加德满都谷地砌体建筑受损情况调查发现，传统的砌体结构在地震中破坏最严重，其主要的破坏类型有剪切破坏和拉伸破坏。Parameswaran[6]分析认为加德满都谷地多层塔庙结构大多是砌体结构，因其自重大，刚度大，抗拉、抗剪强度低而在地震中破坏较大。Shakya等[7]对尼泊尔塔庙建筑的结构特征进行详细分析，选取有代表性的三座塔庙进行三维有限元模拟，利用参数分析确定三座典型塔庙的结构地震易损性。Jaishi[8]对加德满都谷地传统寺庙建筑进行构造分析，通过三维建模，采用反应谱法来评价传统寺庙的抗震性能和地震失效模式。已有研究都是针对部分加德满都谷地的部分古建筑进行震害调查与分析，对加德满都谷地文化遗产震害整体分布情况的调查分析还未见报道。

本工作以尼泊尔地震地质背景为基础，综合现场考察资料，划分了文化遗产建筑的震害等级，总结了谷地文化遗产建筑震害分布情况，分析了不同的地层单元、不同材料和节点连接方式以及周期性加固对文化遗产建筑震害特征的影响，为后续抗震修复加固奠定理论基础，并为我国文化遗产建筑的抗震防护提出建议。

1 2015年尼泊尔地震构造运动背景

尼泊尔位于喜马拉雅山脉南麓，属于地中海-喜马拉雅地震带。当前，印度板块以每年45 mm的速度向亚欧板块俯冲，在印度板块和亚欧板块碰撞边界断裂带上形成一系列逆冲断层，从南向北依次分布着主前逆冲断裂(MFT)、主边界逆冲断裂(MBT)和主中央逆冲断裂(MCT)，这些断裂在深部汇聚于倾角平缓的主喜马拉雅逆冲断裂[9]，沿着这些断裂边界分布着大量的断层(图2)，使得尼泊尔是世界上地震最频繁的国家之一。有史记载以来[10]，尼泊尔就发生过多次8．0级以上的地震，如1505年尼泊尔8．2级地震和1934年尼泊尔8．2级地震。

2015年尼泊尔8．1级大地震发生后，世界各国的专家立即行动，对地震原因进行全面分析。张进江[11]通过研究印度板块和亚欧板块的碰撞及造山作用，发现2015尼泊尔大地震是印度板块向北俯冲，与上部亚欧板块间主喜马拉雅断裂上的逆冲断裂作用的结果。Wei[12]利用尼泊尔和周边地区地下三维纵波波速结构和各向异性的层析成象分析得到2015年尼泊尔地震发生在主喜马拉雅断裂。Chiaro[1]提出，尼泊尔位于地震活跃带，地震活动受到印度板块和亚欧板块碰撞产生的三大主断裂构造控制，许多活跃断层沿着这些主构造边缘分布，2015地震就发生在印度板块和亚欧板块间的主喜马拉雅断裂。郭祥云[13]运用纵波初动资料，采用格点搜寻法获得了尼泊尔地震的震源机制解，结果表明，本次发震构造为一低倾角逆冲型断裂。雷东宁[14]利用2015尼泊尔地震后余震的时空分布特征发现沿俯冲带自本次地震向东至喜马拉雅构造仍然为大地震危险区，以后还会发生较大震级的地震。

2 尼泊尔加德满都谷地世界文化遗产概况

尼泊尔地处中国和印度两大文明发源地之间，两大古文明在这里相互影响，相互渗透，形成了独特的尼泊尔文化[15]。加德满都谷地自古就是尼泊尔的政治、经济和文化中心，谷地内历史建筑造型精美，并且装饰特色的木石雕刻，焕发独特的艺术魅力[16]。加德满都谷地有七处历史建筑于1979年被纳入联合国教科文组织《世界文化遗产名录》，分别为加德满都杜巴广场、帕坦杜巴广场和巴德岗杜巴广场三个皇宫广场，其中巴德岗杜巴广场还包括了巴德岗市的陶马迪广场，斯瓦扬布纳特寺和博达哈大佛塔两处佛教建筑以及帕斯帕提那寺和昌谷纳拉扬寺两处印度教建筑(图3)。

尼泊尔地势北高南低，根据尼泊尔历史建筑所处的地理位置的不同，可以将尼泊尔历史建筑分为城市型和山地型，加德满都、帕坦、巴德岗三处杜巴广场以及博达哈大佛塔是谷地最具代表性的四处城市型历史建筑群，帕斯帕提那寺、斯瓦扬布纳特寺和昌谷纳拉扬寺属于山地型历史建筑[17]。

加德满都杜巴广场、帕坦杜巴广场和巴德岗杜巴广场三处文化遗产建筑在结构、建筑模式和空间布局上相似，受宗教文化影响深远。三处杜巴广场的文化遗产建筑大多数修建在不同高度的基座上。文化遗产建筑的结构以砖石和砖木为主，也有少量的生土结构。谷地砖石结构建筑主要是砖块或石块砌筑而成的塔庙，砖石建筑底层一般围绕中心佛像有一圈走廊，走廊外围由砖石柱支撑上部结构的重量。砖木结构中砖墙为建筑主要的承重构件，承重砖墙横截面分三层，里层为土坯，外层为锥形烧砖，中间填充碎砖块和泥土[18]。砖木结构中木构件主要用于支柱、门窗和屋顶。加德满都谷地砖木结构历史建筑一个显著特点就是用斜木撑支撑宽大屋檐，斜木撑上端卡到檀条下端，下端搁置于檐口上方，两端接口并没有很好的连接。

斯瓦扬布纳特寺和博达哈大佛塔是谷地著名的佛教建筑，其建筑类型属于窣堵坡。斯瓦扬布纳特寺的主体是砖和黏土砌成的覆钵体，其上方是圆锥形塔身。博达哈大佛塔建筑形制与斯瓦扬布纳特寺相似，佛塔主体位于4层台基上，也是砖和黏土砌成的覆钵体，但上部的塔身是方锥形尖塔[16]。

帕斯帕提那寺和昌谷纳拉扬寺是谷地典型的印度教神庙。昌谷纳拉扬寺是谷地最古老的神庙，曾毁于火灾，于1702年重建[16]。昌谷纳拉扬寺由主殿和周围附属建筑组成，主殿是以条石为基础的两重檐金顶建筑。帕斯帕提那寺位于巴格马提河岸，是尼泊尔最大的湿婆神庙，主殿是典型的尼泊尔塔式建筑，主殿两重檐金顶银门，屋檐四角有小塔陪衬。

3 加德满都谷地世界文化遗产震后破坏特征

2015年尼泊尔地震及其引发的一系列余震使得尼泊尔的文化遗产建筑遭到重创，尤其是距震中博克拉市70 km的加德满都谷地受灾最严重。谷地的历史街道和文化遗产遭受毁灭性的破坏，有一半以上的历史建筑在这次地震中遭受破坏严重甚至倒塌。根据尼泊尔考古部的统计数据[19]显示，2015年地震影响到尼泊尔16个地区，受影响的历史建筑大约691处，其中131处完全倒塌，560处破坏严重。

国内外目前还没有针对文化遗产建筑的地震破坏等级划分标准，一定程度上制约了震害调查的科学进行，影响了对震害统计结果的深入分析[3]。本次调查吸收古建筑震害研究的相关成果，参照《建(构)筑物地震破坏等级划分》(GB/T 24335—2009)中土、石房屋的震害划分标准，将文化遗产建筑的震害情况划分为完全破坏、部分破坏和基本完好三类(表1)。

表1 文化遗产建筑震害等级划分

根据震害等级划分标准，对谷地六处世界文化遗产分别进行相关的震害统计分析，形成了六处世界文化遗产建筑的震害等级分布图(图4～图9)。

3．1 加德满都杜巴广场

该广场震害图见图4。

加德满都杜巴广场文化遗产建筑群在2015尼泊尔地震中受地震影响严重。根据震后调查结果(图4a)，加德满都杜巴广场文化遗产建筑共43处，完全破坏有8处，占调查总数的18．6%，部分破坏有18处，占调查总数的41．9%，17处文化遗产建筑保存基本完好，占调查总数的39．5%，一半以上的建筑物受到地震破坏。2015尼泊尔地震中，完全破坏的文化遗产建筑有6处位于广场的西南角，建筑的结构主要是砖木结构，地震中上部结构完全倒塌，基座基本保留。位于加德满都杜巴广场的迪路迦摩罕纳拉扬神庙(Trailokya Mohan Narayan，图4b和4c)是典型的三层砖木结构古建筑，位于六层台阶的基座上。地震使得神庙上部结构完全倒塌，仅基座留存。

加德满都杜巴广场部分破坏的文化遗产建筑大多数分布在广场东侧的皇宫庭院周围，部分破坏的典型特征是：1)建筑整体倾斜，这是地震后谷地文化遗产建筑最常见的震害；2)建筑承重砌体墙局部砌体层状剥落；3)木结构破坏失效，主要表现有木柱滑移和斜木撑掉落；4)建筑顶部装饰部分破坏。Kakeshwor temple(图4d)是一座单层砖木结构建筑，地震中上部结构坍塌，残留部分裂隙发育，屋檐瓦片滑落严重；寺庙整体倾斜，调查期间四周有斜木撑。

加德满都杜巴广场受地震破坏的大多数是砖木结构建筑，而砖石结构建筑受地震影响较小，保存基本完好。Gaa kuti mahadev(图4e)是位于加德满都杜巴广场西南角的一处砖石塔建筑，地震中保存基本完好。

3．2 帕坦杜巴广场

该广场震害图见图5。

帕坦杜巴广场距震中博克拉约145 km，地震对帕坦杜巴广场的文化遗产建筑也造成了严重破坏，大多数近代修复的皇室建筑和寺庙在地震中得以幸存。如图5a所示，帕坦杜巴广场文化遗产建筑共15处，完全破坏有2处，占调查总数的13.3%，部分破坏有5处，占调查总数的33．3%，8处文化遗产建筑保存基本完好，占调查总数的53.3%。完全破坏的2处文化遗产建筑位于广场中部，哈里山神庙(Hari shankar temple)是位于三层台基上的砖木结构建筑，地震中上部结构倒塌，仅留有三层红砖台基(图5b和5c)。卡尔纳拉扬庙(Chaar narayan temple)是坐落在两层台基上的砖石建筑，地震中上部结构坍塌，神像依然留存在临时搭建的棚子下以供信徒朝拜，台基上的石狮倒塌，调查期间已被移至周围平地上。

帕坦杜巴广场部分破坏的建筑大多分布在广场西侧。部分破坏的建筑结构有砖石结构和砖木结构，砖石结构建筑主要以砖石塔为主，其部分破坏的主要特征：1)建筑整体倾斜；2)建筑结构部分震落；3)墙体表面形成裂缝。Biswonath Temple(图5d)位于广场北边，是一座在两层台基上的砖木结构建筑，一层四个转角处都有砖砌体层状剥落、木柱滑移现象，调查期间寺庙四周都有斜木撑。

帕坦杜巴广场大多数的文化遗产建筑保存基本完好，帕坦杜巴广场的代表性建筑黑天神庙(Krishna mandir，图5e)是石质建筑，地震中保存基本完好。

3．3 巴德岗杜巴广场

该广场震害图见图6。

地震摧毁了巴德岗市的一大半的房屋建筑，对巴德岗的文化遗产建筑也造成破坏严重。震后调查统计显示(图6a)，巴德岗杜巴广场文化遗产建筑完全破坏有2处，占调查总数的16．7%，部分破坏有4处，占调查总数的33．3%，6处文化遗产建筑保存基本完好，占调查总数的50%。2处完全破坏的文化遗产建筑都位于杜巴广场。位于杜巴广场东北角的法希得噶神庙(Fasidg，图6b)是位于五层台基上的砖石建筑，地震中上部结构坍塌，台基西立面破坏严重，砖块掉落，内部充填土体出露，表面生长着苔藓和植物。位于广场中部的瓦斯塔拉杜迦神庙(Vatsala Devi Temple，图6c)是3层台基上的砖石建筑，地震中上部结构坍塌，台基也受地震破坏严重，台基条石掉落，内部填充砖块出露。

巴德岗杜巴广场部分破坏的文化遗产建筑3处位于杜巴广场，1处位于陶马迪广场。Bhairabnath Pagoda(图6d)是位于陶马迪广场的三层砖石建筑，地震中建筑结构保存基本完好，但整体发生倾斜。Durga Temple(图6e)位于杜巴广场西侧，主要建筑材料是红砖，建筑物主体四面有木门和方形木支撑。地震中，建筑物主体顶部坍塌，残留部分外层红砖剥落，内部砌砖出露。

3．4 斯瓦扬布纳特寺

该寺震害图见图7。

斯瓦扬布纳特寺又称猴庙，坐落在加德满都西面的小山丘上。斯瓦扬布纳特寺距震中博克拉大约140km，地震对其主体造成的影响不大，但其周围副塔有倒塌现象。根据震后调查统计(图7a)，斯瓦扬布纳特寺历史建筑群完全破坏有3处，占调查总数的27．2%，部分破坏有4处，基本完好4处，各占调查总数的36．4%。地震中完全破坏的3处文化遗产建筑位于南侧靠近坡肩的位置，4处部分破坏文化遗产建筑分布在山顶边缘位置，保存基本完好的4处文化遗产建筑分布在猴庙主体的周围。位于猴庙南侧的阿南塔布尔(Anantapura，图7b)是一座砖石塔，在地震中主体顶部坍塌，只留5m高的塔身，残留部分裂隙遍布，底部墙体层状剥落，砖块出露，调查期间有临时木支撑。斯瓦扬布纳特寺(Swayambhunath，图7c)主体开裂，调查期间已被临时填充。

3．5 博达哈大佛塔

该塔震害图见图8。

博达哈大佛塔是世界上最大的佛塔建筑，主体以红砖为主要建筑材料，大佛塔距离震中约146 km。根据震后调查统计(图8a)，博达哈大佛塔文化遗产建筑群没有完全破坏的建筑物，博达哈大佛塔主体建筑顶部开裂，为危险建筑，其周围附属建筑物保存基本完好。调查期间大佛塔正在开展维修工作，周围寺院已经对外开放。

3．6 昌谷纳拉扬寺

该寺震害图见图9。

昌谷纳拉扬寺位于加德满都向东22 km处的一座小山上，距震中博克拉约150 km，地震也给昌谷纳拉扬寺及其周边地区造成了严重破坏。震后调查统计(图9a)，昌谷纳拉扬寺历史建筑群完全破坏有3处，部分破坏有3处，各占调查总数的18．8%，基本完好10处，占调查总数的62．4%。完全破坏的建筑分布在昌谷纳拉扬寺主殿南侧，部分破坏的建筑2处位于主殿南侧，1处位于主殿东北角，保存基本完好的建筑主要分布在主殿的北边和东边。地震后昌谷纳拉扬寺地面无贯通裂隙，主殿周围建筑物基座无裂隙，场地内坡积物较厚，未发现基岩出露。昌谷纳拉扬寺的主殿(图9b)是单层条石台基上的两层砖木结构建筑，卯榫结构连接较好，结构完整性较好，主殿在地震中保存基本完好。位于主殿南侧的湿婆神庙(Shiva Temple，图9c)在地震中完全破坏，上部结构倒塌，基座破坏严重。

4 分析与讨论

4．1 加德满都谷地世界文化遗产震害统计分析

根据文化遗产建筑震害划分标准，对2015尼泊尔地震后加德满都谷地世界文化遗产震害情况和不同震害等级文化遗产建筑占该地区文化遗产建筑总数的比例进行统计分析(表2)。根据统计结果，加德满都杜巴广场文化遗产建筑受地震影响最严重，其中受地震影响完全破坏和部分破坏的建筑26处，博达哈大佛塔由于遗产建筑基数较小，整体受地震影响较小，仅主塔轻微受损，其他3处建筑保存基本完好。加德满都杜巴广场和斯瓦扬布纳特寺受地震影响完全破坏和部分破坏的文化遗产建筑都超过了该地的遗产建筑总数的50%，其中加德满都杜巴广场为60．5%，斯瓦扬布寺为63.6%。昌古纳拉扬寺保存基本完好的建筑占该地遗产总数的62．4%，大多数建筑的地震中保存基本完好。

表2 加德满都谷地世界文化遗产震害统计

4．2 不同地质单元上的建筑物震害分析

加德满都谷地是山间盆地，其基底层是由前寒武纪到泥盆纪年代形成的板岩、千枚岩、泥砂岩、砂岩和石灰岩组成，填充物是上新世到第四纪形成的不同厚度的河湖相松软沉积层[20]。七处文化遗产地所处的地质环境如图10所示。

加德满都、帕坦和巴德岗三处杜巴广场的地层均为Kalimati组，其中巴德岗杜巴广场Kalimati组是黑灰色碳质和硅藻形成的松软沉积层，而加德满都和帕坦杜巴广场的Kalimati组则是由细中粒砂、粉砂、粘土细砾石形成，三处地层都有松软沉积物存在。根据文献资料[21-23]的研究结果，地层中的松软沉积层可能会放大地震效应，对上部的建筑造成严重的破坏。三处广场的建筑物震害比较严重。松软沉积层还会造成文化遗产建筑地基不均匀沉降，使建筑整体发生倾斜，甚至会使整体性差、构件连接较弱的文化遗产建筑倒塌。昌谷纳拉扬神庙的地层为Kulekhani组，该组由石英岩和片岩组成，斯瓦扬布寺的地层是Tistung组，该地层是由变质砂岩和千枚岩组成。昌谷纳拉扬庙和斯瓦扬布纳特寺的地层是岩层，对地震的放大效应不明显。但两处遗产建筑群都位于谷地山丘顶部，其震害受地表特征影响，靠近坡肩位置的建筑物受地震影响严重。博达哈大佛塔的地层是不含黏土的厚砂和粉砂质沉积序列形成的Gokama组，该沉积层也可能对地震有放大作用。由于博达哈大佛塔基础较大，整体结构性能较好，在地震中仅主体顶部开裂。

4．3 不同材料和节点连接方式对地震的敏感性

加德满都谷地砖木结构的承重砖墙横截面分为三层，层间联系较弱，砖墙的整体性较差，地震作用会导致砖墙层状剥落；木支柱的连接采用细木销钉，在地震作用下连接处产生应力集中，造成细木销钉剪切破坏，木支柱滑移失效；斜木撑两端和建筑物连接较弱，地震作用下易坠落，破坏建筑物屋顶。砖石结构本身自重大且延性差，材料之间缺乏有效的连接，地震作用下产生较大的倾覆力矩。当倾覆力矩大于结构的抗倾覆力矩时，结构会发生倾覆失稳破坏。

谷地砖木结构遗产建筑的木质檐柱是重要的结构构件，连接上部建筑和基座。谷地雨季大量的降水会腐蚀木构件，使檐柱柱身与柱础的连接部分失效。加速上部结构在地震中的破坏。上部结构与基座之间的连接能增强结构整体性，提高建筑抗震性能。

4．4 历史建筑定期加固的震害分析

1934年尼泊尔大地震中，加德满都历史建筑受损40处，帕坦受损226处，巴德岗177处，加德满都受损情况远小于帕坦和巴德岗[21]。地震后，帕坦和巴德岗经历了大量的维修加固，并进行定期检测与修缮。而加德满都则由于受震害程度较轻，未及时采取相应的加固措施。2015年尼泊尔地震中，加德满都大量的历史建筑受震害影响，相对而言，帕坦和巴德岗历史建筑受震害较轻。