黄土液化作用及其次生灾害风险评估方法初探

摘要：2023年12月18日甘肃积石山6.2级地震引发的黄土液化泥石流地质灾害，造成了大量人员伤亡和财产损失。以此为背景，系统梳理了液化调查、风险评估和风险区划的工作思路：选定地区液化的内在和诱发因子，收集并分析资料，拟定调查工作底图，以调查问卷的形式开展液化影响因素摸底工作，开展针对性的外业调查或辅以物探和钻探工作，得到土壤液化发育潜势实际材料图;其后借用常规地质灾害的评估方法，开展调查区域的易发性、易损性评价和风险评价，得到调查区风险区划图。利用此方法对积石山地震诱发的泥石流灾害进行验证，分析其液化灾害的地质环境背景、形成机理和危害特征，并对其发生的风险进行评价。文章首次提出土的液化作用及其次生灾害区域调查因子的选择和风险评估的流程，可为开展土层液化作用及其次生灾害隐患区排查、国土空间规划，特别是高烈度山区集中居住点地质安全评估和选址建议提供参考。

关键词：积石山MS6.2地震; 地震液化; 隐患排查; 风险评估

中图分类号： P65文献标志码：A文章编号： 1000-0844（2024）04-0836-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240201001

Loess liquefaction effect and the risk assessment method

of its secondary disasters： a case study of

Jishishan MS6.2 earthquakePAN Jianlei LIANG Qingguo LIU Haisheng SHI Wei1， WANG Lili

（1. The Second Geological and Mineral Exploration Institute of Gansu Provincial Bureau of Geology

and Mineral Exploration and Development， Lanzhou 730020， Gansu， China;

2. Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730000， Gansu， China;

3. Key Laboratory of Loess Earthquake Engineering， CEA， Lanzhou 730000， Gansu， China;

4. State Key Laboratory of Continental Dynamics， Northwest University， Xi'an 710069， Shaanxi， China）Abstract：

The MS6.2 earthquake that struck Jishishan， Gansu， on December 18， 2023， induced several geological disasters， including loess liquefaction mudflows. These events caused a large number of casualties and property losses. Taking this earthquake as the background， this study aims to systematically outline the methodology for liquefaction investigation， risk assessment， and risk zoning. The intrinsic and induced factors of liquefaction in the study area were identified. The initial step involved creating a base map for the investigation， utilizing collected information and conducting surveys through questionnaires to identify liquefaction-influencing factors. Geophysical exploration and drilling work were then employed to ascertain the actual material map of soil liquefaction development potential. Conventional assessment methods for geological disasters were applied to carry out susceptibility， vulnerability， and risk assessments in the study area. These assessments led to the creation of a risk zoning map. The proposed method was used to verify the debris flow disaster induced by the MS6.2 earthquake. The geological environment background， formation mechanism， and hazard characteristics of the debris flow disaster were analyzed， followed by an evaluation of the risk involved. This study presents a pioneering approach to selecting regional investigation factors and performing risk assessments for soil liquefaction and its secondary disasters. These methodologies can serve as a reference for investigating soil liquefaction and its secondary disasters， as well as for land space planning. This is especially pertinent for geological safety assessments and site selection recommendations for concentrated settlements in high-intensity mountainous areas.

Keywords：Jishishan MS6.2 earthquake; seismic liquefaction; potential hazard investigation; risk assessment

0引言

土的液化作用，指因震动使饱和松散砂土或未固结岩层结构突然破坏而呈现为液态的现象。据统计，在地震对建（构）筑物的破坏中约占80%以上的地基失稳、基础破坏归咎于地震液化。土层液化产生的“砂涌”除造成地基破坏外，还会引发地表塌陷、地面沉降、地面溜滑或泥流等次生灾害。因该类灾害的隐蔽性和突发性，一旦发生其造成的后果往往是毁灭性的。针对此类地质灾害，工程中把存在液化隐患的土层按照特殊土开展勘察、设计和专门性施工处理，采用换填、挤密、注浆或桩基穿透等方式消除其危害，起到了较好的预防作用。但在广大乡村地区，居民自建房尚未完全执行“先勘察、后设计、再施工”的基本建设程序，特别是乡村外围的耕种区，土体液化及其次生灾害的隐患仍然存在。此次积石山6.2级地震引发了青海省民和县中川乡金田村附近发生土体液化，液化土沿着河道倾泻产生了次生泥流灾害，造成了大量人员伤亡和财产损失。因此，研究高烈度山区乡村集中居住点及其周边发生土层液化的内外部条件，确定一种精准可行的液化隐患排查方法，针对性地提出防治措施，对保护该类地区居民的生命财产安全尤为必要。

我国针对该类灾害的调查和风险评估工作以台湾省较为典型。截至2021年底，台湾省已完成了土壤液化调查和评估工作，并公开发布了全省土壤液化潜势图集（风险分区图）。其基本方法为：收集地区钻孔数据，制作三维地层模型和属性数据库，再根据各个网格进行土壤液化分析，由点及面计算得出三维地层结构内液化易发性分区，并根据成灾后可能造成的损失大小，划定风险等级和风险分区［1］。

本文借鉴崩滑流等常规地质灾害隐患调查和风险区划分的思路，从研究土层发生液化的内部因素和诱发条件入手，通过资料收集、发放调查表、现场调查核查及针对性的勘察等手段，摸清工作区地震设防烈度、自然地理条件、地质环境背景和人类活动影响四类因子，确定工作区不同地段发生液化及其次生灾害的可能性大小和潜在损失，评价其发生灾害的风险等级和风险分区，针对性地提出防治措施建议。本文将上述调查评价流程进行固化，可供类似地区风险评价和风险区划分提供参考。

1积石山地震液化引发的次生灾害概述

积石山地震发生于2023年12月18日23时59分，震中位于甘肃省临夏回族自治州积石山县柳沟乡（35.70°N，102.79°E）。根据应急管理部2023年12月23日18时发布的地震烈度图（图1），积石山地震最大烈度为Ⅷ度（8度），等震线长轴呈NNW走向，长轴124 km，短轴85 km。地震造成了震区大量房屋倒塌，村镇道路损毁，并诱发了多处次生灾害发生。此次地震涉及青海省2个市（州）4个县（市）30个乡镇。

12月19日约0时20分，位于震中正北约13 km的青海省海东市民和回族土族自治县中川乡金田村突发泥流灾害，“浓稠泥浆浪头高达3 m，迅速翻滚的泥浆漫入了村庄”;大量因地震液化的“流土”沿着村内的河沟涌向下游，至金田村南部乡村公路处，因沟道变窄，泥浆冲出河沟，造成乡村公路两侧及下游共38户民房被冲毁或掩埋，最终造成38人死亡，198人受伤的严重后果。

关于本次地震的震源机制分析、地震地质、次生地质灾害及其分布特征和机理分析等，可参考文献［2-5］。本文拟按照地震引发土的液化作用机理、破坏方式、隐患的判别和排查方法、风险评估、风险区划分及防治措施建议的思路进行论述，梳理出土层液化作用及其次生灾害隐患的影响因子和风险评估流程，最后以此次地震引发的土层液化次生灾害为例，验证该套流程的适用性，以期对区域土层液化及其次生灾害隐患排查、风险区划分和减灾防灾起到借鉴作用。

2土的液化机理与判别方法

2.1土的液化作用机理与破坏方式

土的液化机理可分为砂沸（喷砂冒水）、流滑和循环活动性三种类型，其对应的土类型及状态、作用过程及变形特征均有所不同［5］。该类现象在饱水疏松砂层广泛分布的海滨、湖岸、冲积平原，以及河漫滩、低阶地等地区尤为常见。土层液化形成的流动土体暂时无任何抗剪性产生，其引发的次生灾害包括地面下沉、地裂缝、地面溜滑和喷砂等，如图2［1］所示。另外，若该类土体位于地表浅埋但封闭的状态，液化土体则化作泥流在重力作用下向四周蔓延，形成“泥流”现象。

2.2液化判别常用方法

土的液化判别方法大致分为三大类：第一类为经验分析法，如规范法、临界孔隙比法、能量判别法、统计法;第二类为试验测试法，如Seed简化法、剪切波速法、静力触探法、标贯试验法;第三类为其他方法，如概率法、人工神经网络法、模糊综合评价法、土层反应分析法及动剪应力对比法等［6-9］。

国外关于土体液化判别有着较为完善和成熟的方法与流程，如图3［10］所示，其中的主要参数指标和判别结果也与我国现行规范类似。我国的《建筑抗震设计规范》［7］和水利水电、公路、铁路等多个行业规范也提供了地基液化判别方法，一般分为初判和复判两个层级。为国土空间规划提供地质依据时可仅进行初判；具体选址论证时再开展液化复判，并采取相应的处理措施。本文液化初判主要依据《建筑抗震设计规范》［7］所提供的方法，即根据既有震害调查统计并结合国内外研究成果，基于经验方法进行，其优点为便捷、快速、成熟、可靠。

3土层液化及其次生灾害的风险评估方法

因该类灾害隐蔽性强，发生概率低，但成灾后危害往往是灾难性的，生存概率小、救援难度大。作为一名地质灾害防治从业者，面对突发的地质灾害事故，首先想到的是：这种隐患如何才能提早发现并提前预防？能否如崩滑流等常规地质灾害开展隐患排查、风险评估和风险区划分？笔者参照常规地质灾害防治的成熟经验，尝试提出针对该类灾害隐患的排查、评价方法，并拟定一套可行的技术流程，以期对该类地区的减灾防灾起到一定帮助。

3.1隐患排查

土层液化及其次生灾害风险评估实施流程按照：室内基础工作→液化条件摸排→外业调查核查→风险评估→防治措施建议的步骤依次开展。根据液化发生的内外部条件，选取以下相关要素作为评价因子：地震设防分区、自然地理条件、地质环境背景条件和人类活动四项（图4）。

各阶段主要工作内容和评价因子说明如下。

3.1.1室内基础工作

本阶段任务为收集基础资料，选定调查范围并划分重点调查区。采用最新1∶10 000遥感图为底图，将行政区划、人口分布密度、房屋资产密度、土壤植被类型、国土空间规划用途、自然沟道发育情况、泥石流沟分布等作为基础要素，编制野外工作部署图。其内容主要包括：

（1） 圈出地震设防烈度Ⅶ度及以上地区和历史上发生过地震液化灾害区，作为外业调查的范围;

（2） 收集国家地下水监测网最新数据，初步确定地下水位埋深小于20 m的地质单元，作为外业核查的重点;

（3） 根据最新基础地质调查资料，初步圈定第四系松散堆积层岩组分布区，作为外业核查的重点;

（4） 将历史地震引发的土层液化受灾面积、液化灾情、隐患区面积，及上述通过已有资料确定的地下水位埋深小于20 m的地质单元和第四系松散堆积层岩组分布区相关信息，写入项目设计书，作为下一步核查的重点。

3.1.2液化条件摸排

根据上文确定的设计书和工作底图，在县自然资源局统筹下，以乡镇为单元发放“液化发育条件调查表”，收集各地质单元液化发育条件，修订隐患调查区范围并进一步圈定重点调查区。

为缩小土的液化隐患调查区范围，调查表组成主要为：

（1） 核实设计书内已有和未收集到的历史有震感地震和土层液化造成的损失情况;

（2） 摸排水位埋深小于20 m的村庄，并根据所处的水文地质单元圈定其范围;

（3） 摸排地区极端降水情况和地下水位历年变化情况;

（4） 摸排20 m内有少黏性土发育的村庄，根据所处的工程地质单元情况，调整重点调查范围;

（5） 对比设计书摸排各村庄土地利用情况：如国土空间规划用途、农作物类型、灌溉习惯等。

3.1.3外业调查

在前两个阶段工作基础上，以修订后的调查工作底图为依据，以解决设计书编制和发放调查表摸排中存在的问题为主线，开展外业调查和核查工作，形成外业调查实际材料图，圈定隐患区位置。主要任务包括：

（1） 以自然村和水文地质单元为单位，对第二阶段摸排确定的地下水埋深、补径排条件和水位变化情况开展现场核查，同时开展进一步的询问摸排工作。

（2） 通过询问当地地基开挖、打井情况和天然断面编录等手段，摸清少黏性土埋深及松散程度情况。

（3） 对自然沟道和泥石流沟进行调查核实，了解其成灾历史，对有“砂涌”“流土”等灾害现象的沟道重点关注，核实其液化条件和液化土转化为泥流后可能的危害范围。

（4） 调查当地水利设施及其分布情况，在发育有少黏性土地区了解农业灌溉方式、集中灌溉时间及对地下水位的影响。

（5） 对与已有资料不符或发生重大地质条件改变的地区部署必要的钻探、原位测试或取样测试等实物工作量，查明所在水文地质单元地下水埋深、地层组成，少黏性土的标贯击数、黏粒含量等参数，评价其发生土层液化的可能性。

（6） 对资料不充分但人口集中居住区采取不平均布设网格方法，开展目标地区液化条件调查、勘察，调查线距布设应控制在1～2 km范围内;重点调查区应加密部署，调查线距布设应控制在不大于0.5 km范围内，以液化初判条件为准。

将以上调查和核实内容表现在遥感底图上，得到土层液化调查实际材料图，与外业调查表格等一并作为基础资料，为下一步开展风险评估奠定基础。

3.2风险评价与区划

关于土层液化及其次生灾害发生的风险性大小，是灾害发生的时间概率、成灾范围及活动强度的综合反映。首先划定灾害发生的可能性，并依据受灾对象所处的相对位置判定其可能遭受灾害的规模和强度，综合确定其风险等级。

（1） 易发性分区评价

根据野外记录资料、外业调查表格和实际材料图，按照土层液化条件具备的充分性、沟道发育和堵塞程度及地区抗震设防烈度大小、历史灾情等综合给出各调查单元的易发性等级。如图4所示，在同样的烈度条件下，发生土层液化的必要条件包括：①地下水位埋深＜20 m;②水位以下存在少黏性土;③该少黏性土呈松散-稍密状态。在上述条件具备的前提下，水位埋深越浅，水位下少黏性土层厚度越大、渗透性越大、地下水排泄路径越远则发生液化的可能性越大。液化后，下游沟道越发育、地势高差越大、泥石流防治措施越少，则发生次生泥流灾害的可能性越大。本着这些原则，可利用层次分析法，划定不同因子的权重，进而计算其易发性指数，量化评价调查单元的易发性。具体方法可参照《地质灾害风险调查评价技术要求（1∶50 000）》［11］，在此不再赘述。

（2） 易损性分区评价

地质灾害易损性是指可能受到地质灾害威胁的所有人员和财产的伤害或损失程度。对于财产，是损坏的价值与财产总值的比率;对于人员，是在地质灾害影响范围内作为承灾体的人的死亡概率。针对土层液化及其次生灾害，根据其危害方式，若土层液化导致地面沉降、地表塌陷或地基失效，其危害范围内的受威胁人员和财产遭受危害后往往是毁灭性的，均判定为高易损。若土层液化导致次生泥流灾害，则受威胁对象内房屋的易损性可判定为中易损，受威胁人员和居民财产判定为高易损。统计不同易发性范围内受威胁人口、财产数量，得到可能造成的损失大小分区，即得到易损性分区。

（3） 风险分区评价

利用GIS软件将易发性分区和易损性分区叠加，按照灾害风险定性分析评价矩阵表给出的评判方法，得到各地段的风险性等级，即风险分区（表1）。

4积石山地震次生地质灾害风险评估

根据公开资料分析，本次灾害中地震是诱发条件、液化后呈“液态”的饱和黄土层是物质基础、现有河道是流通区、地势高差是原动力，在具备液化-泥流发生的三个充分必要条件后，发生了次生泥流灾害并造成较大的人员伤亡和财产损失。套用上述土层液化风险评估流程和风险区划分方法，对该次次生泥流灾害说明如下。

4.1灾害区地质环境概况

灾害区位于黄河北岸黄土台塬地貌区，地形整体西北高、东南低，被当地居民改造为农田，有多条呈近南北方向的冲沟发育，经常年耕种和房屋道路修建，沟道被挤占变窄;区内地层以易产生液化的粉土、细砂土等第四系黄土为主，下覆新近系泥岩、砂岩。

南侧紧邻黄河主河道，地下水位埋深较浅;当地耕作的习惯为大水漫灌，且在地震发生前不久刚结束了本轮冬灌。随着气温降低，地下水排泄出口被冻住，地下水位被抬高，淹没了区内大厚度黄土层，产生了大量“第四系饱（富）水松散粉土、砂土”，具备了土层液化的高水位、松散少黏性土层的基本条件。本次液化导致侧向流动并产生诱发泥流的机理、分布范围如图5所示。

4.2灾害发生过程

12月18日晚积石山突发6.2级地震，根据应急管理部12月22日发布的地震烈度分区图，本次地震最大烈度为Ⅷ度（8度），金田村所在的民和县中川乡即位于Ⅷ度区。震动使得沟道两侧高含水率黄土层发生液化，形成了滑动层，在沟道上游诱发滑坡，液化后土体沿着天然河沟向下游倾泻，在沿程造成零散堆积，至下游冲出后形成泥流灾害。

4.3灾害风险评估与风险区划定

按照图4的调查评估流程，假设以中川乡为调查对象。首先，室内根据设防烈度、历史震级和灾情、人口集中程度、行政区划和国土空间规划情况设计调查工作底图，根据已完成的《青海省民和县农田供水水文地质普查报告》［12］和《青海省民和县区域水文地质调查报告》［13］等资料，将地下水位、地层岩性、工程岩组等资料标示在底图上;然后，通过调查表形式快捷获取液化发生史、发生面积、造成危害，地区水位埋深、地层分布、土地利用、土地耕作方式等资料，缩小隐患调查范围;接下来，对调查范围开展外业调查、核查工作，确定存在土层液化隐患的自然村位置、人口、房屋数量及危害方式，开展易损性评价;最后，通过液化发生内部条件分析、因子权重赋值和发生的可能性赋值，划分液化易发性、易损性分区，最终得出液化风险分区，并针对性地提出防治措施、国土空间修编和土地管理建议。其灾害风险评估与风险区划判定过程如表2所列。

表2通过对四类因子（地震设防分区、自然地理条件、地质环境背景和人类活动情况）分为三个阶段开展调查：室内基础工作、发放调查表摸排和外业调查核查，确定出液化条件发育区;在区内开展危害对象统计，确定易损性；根据易发性和易损性分区最终划分出风险分区（图6）。需要说明的是，因掌握资料有限，本图仅供学术探讨使用。

5讨论

液化后因土层破坏方式不同，则产生不同的次生灾害。本次中川乡液化灾害反应为灾害链形式：即沟道上游农田经高强度灌溉后，饱水土层在地震中发生液化，并以溃散性和流动性失稳破坏方式向沟道内侧向扩离［4］，多处发生的液化点产生的饱和泥流汇集至沟道向下游排泄，进而导致本次泥流灾害的发生，造成沟道两侧特别是下游堆积区发生掩埋为主的破坏。而《建筑抗震设计规范》中液化对建（构）筑物的危害主要表现为：地基液化后在地层薄弱环节产生“砂涌”，进而导致地基沉陷，造成建（构）筑物基础的破坏，这些均归属于液化次生灾害。

本次中川乡泥流灾害所在的山前冲洪积地貌单元内，其地形地貌条件、地层岩性和所遭受的地震动强度，甚至冬灌导致的地下水位抬升等条件都是一样的，区别在于液化土体的排泄路径是否畅通，如本次草滩村泥流灾害，液化区位于沟道上游和两侧，液化土体可迅速汇集至沟道内形成泥流。而其他村落该条件发育不足，土体液化后未形成统一的排泄通道，也就未形成泥流灾害。

黄土因其独特的地质成因和赋存环境，易于产生各种类型和规模的地质灾害［11-14］，其中地震扰动和降雨及入渗等尤为典型［15-16］。国内外因地震活动产生的黄土滑坡、崩塌及震陷等灾害均产生了严重的人员伤亡和财产损失［17-19］。地震产生的黄土滑坡按其成因和变形破坏模式可分为：剪切型滑坡、液化型滑坡和震陷型滑坡［15-16，20］，其中地震液化型滑坡的规模大小、影响范围和分布特征与降雨型滑坡有较大不同［17］。2013年甘肃岷县－漳县地震诱发的永光村滑坡也具有约1 000 m的超长滑移距离和近180 m的落差，其平均运动速度为8.3 m/s［21］。尽管从分布特征和运动距离等方面较为相似，但与永光村滑坡的产生机制不同的是，本次积石山地震产生的地震滑坡诱发大范围移动的泥流，属于典型的大规模地震液化滑移［20］，具有地震触发和降雨饱和（即地震前的冬灌为主的表层黄土饱和及少部分降雪入渗的影响）耦合作用的机制，同时兼具小角度、长距离运动的泥石流状的运动特点。考虑到当地冻土深度在1.5 m左右，冻土层以上麦田地所在场地土体由于冬灌和前期降水等含水量较大，甚至处于饱和状态，亦即本身就是软塑甚至流塑状，在地震作用下则更易于产生侧向流动大变形。因此，在本次地震中，地震液化是岩土变形破坏的机理，也是诱发地震滑坡与侧向流滑等次生地质灾害的原因，滑坡和长距离泥流是破坏现象和综合作用的过程及结果，震前的冬灌及降雪入渗产生的表层饱和黄土为地震诱发的失稳和长距离流滑提供了有利的物质和物理条件，属于液化+滑坡再诱发泥石流的复合灾害链式的岩土体流动大变形。

6结论与建议

（1） 本文从地震引发土的液化作用机理、破坏方式、液化判别方法、隐患排查、风险评估、风险区划分及防治措施建议的思路展开论述，梳理出土层液化作用及其次生灾害的调查因子和风险评估流程，得出各评估单元遭受地震液化及其次生灾害的风险。

（2） 根据各单元的易发性等级和风险等级，分别编绘调查区地震液化隐患易发性分区图和风险分区图，提交规划部门进行国土空间规划的编制或修订，亦可根据具体要求开展局部大比例调查和风险区划分，服务于“五级三类”不同等级规划需求。

（3） 针对不同的易发性分区和风险分区，在开展国土空间规划、后期恢复重建和新建建构筑物时，应采取相应的防治措施，建议如下：①阻断液化发生要素，如改变传统大水漫灌的农业浇水方式，改为喷灌，防止地下水位人为抬高，疏通沟道、禁止堵塞；②对地震液化高易发区，禁止开展任何村镇规划和建设用地准入；③对地震液化中、低易发区，须进行建设项目地震液化风险评估，评估为基本适宜建设后，方可放行开展下一步初设和施工图设计工作，有效的灾害规避措施与主体工程一并验收合格后方可投入使用；④对地震液化不易发区，可按照正常的审批程序开展用地审批；⑤对已处于地震液化及次生灾害危害范围内的各类建构筑物，建议采用液化复判的方法开展更精确的风险评估，判断其遭受地震液化及次生灾害的风险，并针对性地提出搬迁或工程治理措施。

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（本文编辑：张向红）