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砂涌是什么?地震土壤液化如何防控

2023-12-21 来源:北京科学中心

12月18日23时59分,甘肃临夏州积石山县发生6.2级地震,隆冬子夜,这是最糟糕的时间,几分钟之内,震感蔓延到西安、西宁、兰州等地,截至目前已经有至少113人遇难,血淋淋的数字背后是鲜活生命的消失。

即使没亲身经历过地震的人,看到现场监控视频和灾后的新闻报道,也可以想象到地震来临时,天地轰鸣,万物倾倒的画面。

除此之外,这次地震还引发了另一场灾难——砂涌。你很难想想,隆冬腊月,大地在人们的认知中已经被寒风冻得“邦邦硬”,突然一阵山崩地裂中涌出如潮水一样的泥浆,浪高甚至到达了3米,铺天盖地,仿佛源源不绝。

与积石山县接壤的青海省海东市民和县的两个村——金田村和草滩村,被此次沙涌包围、覆盖、冲毁当地房屋,导致20名群众失联。事发后,青海省消防救援总队连夜组织救援。

那么,砂涌是什么?

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砂涌从何而来

很多大地震发生后,都会出现所谓的“砂涌现象”。在强震发生之后,由于地壳的震动,地下深处的含水沙土会出现强烈的液化现象,液化的沙层沿一定的通道受挤压变形,直达地表,形成“砂涌”。

简单来说,大家去海边或河边时,可能会发现靠近水源的地面踩一踩就会渗出水来,而且越踩越软,甚至最后变成像砂浆或泥浆一样的,这就是土壤液化。当这种液化发生在大地深层时,土壤就会像“挤奶油”一样,从裂口喷涌出来。

这个现象在1953年才会首次提出,直到1964年美国阿拉斯加和日本新泻先后发生了两次大地震,引发了显著的液化现象和灾害,地震液化研究才开始被科研和工程界所重视。

根据研究,并不是所有的土壤遇到地震都会液化,例如尚未发现5.0级以下地震有触发土壤液化的案例。

一般而言,土壤发生液化需要四个条件:一是土壤(无粘性)处于较为松散的状态,密实或者具有粘性的土壤不会液化;二是土壤位于地下水位以下,土壤中的孔隙被水所充满(即被水“浸泡”),也就是土壤处于饱和状态;三是地震作用的往返动力荷载要有足够的强度(即地震震级要达到中强震以上),强度太小亦难触发液化;四是土壤处于封闭状态,以保证在地震时间期内的水不能很快渗透到周围。所以,土壤液化不是一种特殊的地质现象,但也不是随便一个地方都会出现。

而这次砂涌出现在金田村,就和附近的一条河沟关系密切。

根据青海省民和县中川乡乡干部祁奋勇介绍,“这个地方,以前旁边有一条夏季雨季的时候稍微有点水的干沟,沟里平时没有水。这次地震以后,由于地下水位比较高,把底下的泥浆全部翻上来,在北边是一个二级台阶,土质比较疏松,冲下来的。”

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只有砂土地会发生液化吗?

提到地震土壤液化,一般都被称为“砂土液化”,实际上这一称呼是狭隘的,或者说不准确的。

早期震害调查发现的液化土类多为砂土,所以“砂土液化”渐渐成为惯用名称,扎根于公众认知当中。但随着震后调查资料的不断累积,实际液化的土类也在不断扩充,如1976年我国唐山大地震后发现了大量的粉砂(颗粒直径小于砂土)液化,2008年汶川地震确认了全球最大规模的天然沉积砾性土(颗粒直径大于砂土)液化,1993年美国关岛地震以及2010年海地地震出现了珊瑚土液化,还有研究表明黄土也可以液化,等等。这些震害现象极大扩展了可液化土的范畴,砂土液化只是其中的一类。

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砂涌与余震无直接关系

从本世纪初开始,国内外几次重大地震中,因土壤液化导致的工程破坏和社会灾害所占的比重越来越大,所以土壤液化被学者称为防震减灾工作中的一颗“毒瘤”,成为越来越凶狠的隐形杀手。从宏观现象上看,土壤液化会引起:喷水冒砂(图2a)、横向侧移扩展(图2b)、流动破坏(图2c)、地表往复震荡(图2d)、地面沉降(图2e)、地基丧失承载力(图2f)等相应形式的震害发生。

但在本次地震中,砂涌与地下含水层的含水量有关,也跟挤压变形的程度有关。砂涌比较多,不一定代表着后续可能来大地震;不发生砂涌,也不代表后面就安全;二者没有直接关系,只是一次正常的现象。

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地震土壤液化如何防控?

目前防御地震土壤液化最主要的手段是震前对工程场地的液化可能性进行预测,然后依据预测结果以及建筑物重要程度采用适当的地基加固处理方法。这种方法已经写入了各国的抗震设计规范,其中《建筑物抗震设计规范 GB 50011-2010》中的液化判别方法是我国科学家提出的适于我国国情,具有中国特色,且工程应用最广泛、最权威的液化判别方法,被国际学者称为“中国方法”。

对于存在液化可能性的场地通常采用以下防御措施:将可液化土换成非液化土、将地下水位降低或减小可液化土的饱和程度、增加可液化土的密实程度、加强排水性使地震时孔压能够快速消散、采用复合地基增加可液化土的强度等。

然而,现阶段可液化地基处理方面与建筑物的抗震加固措施相比,依然存在技术复杂、造价较高等问题,这也是近期大地震中,包括许多发达国家在内仍然出现大规模严重液化灾害的重要原因之一。在这个课题中,我们面对的不是经过我们自主选择、研究分析和设计的产品,而是天然的、性质复杂的岩土,问题更加复杂,研究难度更大。

截止目前,因为天气寒冷,金田村的砂涌还处于半冻结状态,救援人员一边用石块、木柴等在砂涌中铺出一条救生通道以便展开救援,一边用挖掘机清理淤泥。

让我们一起为青海受灾的村庄祈福,希望他们能够尽快恢复正常的生活和工作。同时,也希望大家能够关注自然灾害的防范和应对工作,共同守护我们的家园。

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责任编辑:朝艳