王兰民：1920 年海原大地震震害特征与启示

本文刊登于《城市与减灾》2020年第6期：海原大地震100周年专刊，作者：王兰民等。

作者简介

王兰民，研究员，博士生导师，中国地震局黄土地震工程重点实验室主任，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，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，发表论文 200 多篇，出版《黄土动力学》等多部专著，研究成果获国家科技进步奖二等奖1 项，省部级科技进步奖7 项。

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20000k㎡， 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 of National 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。

图 01

海原大地震极震区震害分布图（据相关文献清绘）

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）。

图 02

海原县城内破坏情况（XI—XII度区）

图 03

甘肃靖远锁罕堡全村倒平（X—XI度区，翁文灏、谢家荣摄）

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 4000k㎡ 。

图 04

西吉县一黄土山体连片地震滑坡（X度区）

图 05

静宁县齐家大山连片黄土地震滑坡（IX度区）

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 20000k㎡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）。

图 06

1920年海原大地震震害分布图 （据Upton Close等, 1921，本文清绘）

图 07

1920年海原地震极震区分布图 （据翁文灏等，1921，本文清绘）

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。　

表1

海原大地震极震区各类房屋破坏情况及其抗震能力评价

01

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）。

图 08

穿斗木结构房屋的主要的屋架形式（依据相关文献清绘）

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%。

图 09

西吉县硝河镇一座穿斗木屋架铺面房受震墙倒架歪（X度区， 翁文灏、谢家荣摄）

图10

固原县前提都赏门受震墙倒架正（IX度区，翁文灏、谢家 荣摄）

图 11

靖远县打拉池一高质量穿斗木构架偏厦房屋建于清末，受震部 分墙倒，屋架完好，震后稍做维修，直至1979年仍在使用（X度区）

图 12

天水吴家寺一简单木构架房屋，建于清光绪年间，受震仅墙体轻微破坏，直至1971年仍在使用（VIII度区）

02

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。

图 13

震区混合承重房屋结构形式

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%。

图14a

混合承重房屋倒塌和破坏情况：隆德县府衙门的混合承重房屋全部倒塌，未倒的屋架为穿斗木架房屋（IX度区，Upton Close摄）

图 14b

混合承重房屋倒塌和破坏情况：静宁县红寺一“滚椽房”地震时受轻微破坏，直到1971年仍在使用（VII度区）

03

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）。

图 15

震区混合承重房屋结构形式 （a 滚椽房, b 通檩房）

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。

04

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3～3.5米，宽3米左右，深度5～10米不等 （图 16a），常见的崖面坡度为 80～85 度。

图16a

Upton Close等在低烈度区居住的黄土崖窑客栈 （Upton Close摄）

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）。

图 16b

土坯拱窑

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”。

由于地震发生时，宁夏及海原县均属于甘肃省行政区，因此， 在国外文献中称这次地震为甘肃大地震。尽管海原地震过去 100 年了，由于滑坡分布区大多为农村地区，干旱的气候和长期稳定的农业耕作使得大多数滑坡形态仍然保存至今，这为地震滑坡研究提供了一个理想的天然场所。因此，对这些黄土地震滑坡的研究也一直持续至今。根据我们的长期调查研究结果，海原地震引起的黄土滑坡具有以下特征。

01

密集滑坡区斜坡缓，震前稳定性高。

海原地震在西吉、固原等地（IX—X 度区）引起黄土滑坡密集分布，原斜坡坡度一般在 10～25 度之间，在 VIII 区 和 VII 度区的滑坡坡度增大到 20～50 度之间。经调查统计， 在 10～45 度之间的滑坡占了 82.3%（图 17）。

图 17

海原地震黄土滑坡的坡度分布

回回川滑坡是密集区缓斜坡滑动的一个典型实例，该滑坡原斜坡坡度 10～15 度，位于海原地震 IX 度区（图 18）。

图 18

回回川黄土地震滑坡（坡度10～15度）（IX度区）

基于现场调查 和土动力学试验的反演计算结果表明，该滑坡为马兰黄土层内滑坡，震前静力状态下斜坡的稳定系数为 3.8，斜坡完全处于稳定状态，而当地震动峰值加速度达到 285gal 时，斜坡处于临界失稳状态，海原地震时该斜坡遭受了 IX 度的地震动作用，峰值加速度应该大于 400gal, 因此，地震动强度足以引起斜坡土体的剪切破坏，巨大的惯性力使破坏土体沿缓斜坡下滑较远的距离。

02

滑坡土体规模大，滑速高，滑距长

海原地震引发的黄土滑坡一般数百米至数千米宽，大多在数百米至两千多米，滑动土体厚度在数米至十多米 , 滑动土体往往冲到沟谷对岸，滑动过程在几秒钟之内完成， 可以想象滑动速度有多快。例如，静宁县孙家沟滑坡宽 850米，滑动土体厚度4～6米， 滑距约 1500米（图 19）。

图 19

海原地震引发的静宁县孙家沟滑坡掩埋了孙家沟全村（IX度区）

滑动土体全部冲出了滑坡床，冲到沟谷对岸，掩埋了孙家沟村（图 20）。

图 20

静宁县孙家沟黄土地震滑坡的滑坡土体全部冲出滑坡床，冲到沟谷对岸

Upton Close 描述了极震区的另一个黄土滑坡，这个滑坡将 3/4 英里长的一段公路和路边一排杨树推移到了 1 英里远的河对岸，仍然保持原有的形态，而这一切发生在几秒钟里（图 21）。

图 21

3/4英里长的一段公路和路边一排杨树被黄土滑坡推移到了1 英里远的河对岸，仍然保持原有的形态（Upton Close摄）

我们调查统计了黄土高原地震滑坡滑距与坡度的关系，其中，滑距在数百米至两千多米的黄土滑坡大部分都是 1920 年海原 8.5 级地震引发的。

03

滑坡成群连片，形成串珠状堰塞湖

海原地震在 IX—XI 度区引发了密集的大规模黄土滑坡，滑坡密集分布区主要位于发震断裂带的东南部黄土塬梁地区，涉及西吉、 固原、静宁、会宁、通渭等县。由于滑坡沿黄土山谷两侧的山坡成群连片分布，滑坡土体在谷底阻塞河流，形成了串珠状堰塞湖（图 22）。

图 22

海原地震时西吉县李家沟滑坡形成的串珠状堰塞湖（X度区）

形成堰塞湖最多的滑坡分布区为西吉县李家沟，串珠状的堰塞湖至今仍然保持了原有的形态（图 23）。

图 23

海原地震引发西吉县李家沟成群连片滑坡与堰塞湖（X度区）

另外，静宁县的滑坡密集区当时也形成了堰塞湖，为了防止土体溃坝形成洪水，当地政府发行了债券，组织民工挖开了堰塞土体，疏通了河道，避免了洪灾发生。

04

滑动面大多位于马兰黄土层（Q3）或黄土—基岩接触面

黄土地震滑坡按照滑动面涉及的地层，主要分为黄土层内滑坡、黄土—基岩接触面滑坡、黄土—基岩滑坡、黄土— 卵石层—基岩滑坡 4 种类型。调查研究发现，1920 年海原地震引发的黄土滑坡大部分为黄土层内滑坡，滑动面位于黄土层内滑坡和黄土—基岩接触面滑坡占 86%，其他两类滑坡较少（图 24）。

图 24

海原地震黄土滑坡类型统计结果

其中，黄土层内滑坡的主滑面分布于相对均匀的黄土层内，滑坡土体主要由不同时代的黄土及黄土状土组成，滑面光滑，坡度较陡，大部分属于高速滑坡。黄土—基岩接触面滑坡的主滑面分布在黄土层与基岩接触面位置， 由于黄土层与基岩接触面受到地震作用，稳定结构遭到破坏， 产生滑坡，滑体主要由黄土组成，含有少量基岩，倾角较为平缓。

05

地震与水共同作用下触发大规模黄土地层液化滑移

1920 海原 8.5 级地震时，在距震中 70～90km 的固原石碑塬（清水河四级黄土台塬）低缓的马兰黄土层 (Q3) 中发生了大规模、长距离液化滑移 , 滑移土体掩埋了 2 个村庄， 造成了 400 多人死亡 ( 图 25、图 26、图 27)。

图 25

石碑塬黄土液化滑移后壁及后部（X度区）

图 26

石碑塬黄土液化滑移区（镜头朝向滑移方向）

图 27

石碑塬黄土液化滑移形成的波浪状地貌

为了揭示这一液化滑移的机理，我们基于现场调查、大型探槽钻孔勘探及测试（图 28）、室内土动力学试验、理论分析与数值模拟计算，对 1920 年海原 8.5 级地震引起石碑塬黄土地层大规模液化滑移的机理揭示如下（图 29、图 30）。

图28

石碑塬滑移区钻孔和探槽布局图

图29

石碑塬滑移区滑移前后地层剖面

图 30

石碑塬黄土地层地震液化滑移机理示意图

海原地震前几天，据当地村民普遍反映和文献记载，水井水位上升到15米左右，即15米深度以下黄土地层处于饱水状态。

地震时，滑移区处于X度区，在地震动作用下，第一古土壤层下部的砂质黄土层发生液化，孔隙水压力上升，液化物质上涌， 当孔隙水上涌到第一古土壤层时，由于该层透水性差而受阻汇聚在第一古土壤层之下，可能瞬间形成一薄层水膜，水膜或高饱和度的砂质黄土层成为大范围的滑动面（带），上覆土体在地震惯性力和 2°左右缓斜坡下滑力的联合作用下，沿黄土塬缓斜坡倾斜方向向西北滑移。

滑移土体由于运动中的拉裂破坏和液化物质上涌顶升耦合作用，使滑移土体在开裂部位形成波谷地形，在堆积部位形成波峰地形。由于塬体土层在滑移运动过程中的时序和运移条件的差异性，各部分土体滑移距离不同，从前部到后部的滑移距离逐渐变小，前部为 150～400米，中部为 50～150米，后部为 30～50米。

作者对 1303 年山西洪洞 8 级地震引起郇堡大规模黄土地层液化滑移和 1695 年山西临汾 8 级地震引起东、西堡头村分离的大规模黄土地层液化滑移的现场调查和勘测也验证了这一机理。

黄土地震滑坡特征及其机理

1920 年海原 8.5 级地震震害对我们的启示，与其他国内外大震相比具有共性的也有独特的。共性的启示包括 ：

（1）发震断层两侧的避让既要考虑地表破裂带的影响，也要考虑近断层场地异常强烈的地震动。

（2）房屋与设施的抗震建造技术与抗震加固技术可以确保大震不倒或大震可修。地震易发区房屋设施加固工程将会产生显著减灾实效。

（3）设定抗震设防地震动参数时应考虑场地地震动放大效应和断层上盘效应。

（4）地震滑坡、液化、震陷等地震岩土灾害是黄土高原地区严重的地震次生灾害，应在城乡规划、工程选址和抗震设计中做好风险评估与防治工作。

（5）地震预警、应急救援储备和演练应考虑夜间发生大震的情景。

笔者需要强调的海原地震的独特启示为：地震滑坡设防目标与房屋抗震设计目标需要协同匹配，这样才能保证实现建筑（构）物大震不倒的设防目标。

海原地震引发的大规模黄土滑坡和黄土地层的液化滑移掩埋了许多村庄，造成了大量的人员伤亡。而这些黄土斜坡，特别是 10～25 度的缓斜坡， 不论是在静力状态下还是基本设防烈度下都是稳定的。

目前我国建筑（构）物抗震设防的目标之一是大震不倒，但相关工程技术标准对边坡稳定安全系数设计却是按照基本设防烈度下的系数设计，尽管对不同等级边坡安全系数要求不同，但这样设计的边坡在遭遇大震时，往往会失稳滑动，滑动土体可能推倒或掩埋邻近的建筑物，从而使得建筑物大震不倒的设防目标失去意义。

因此，对于周边存在建（构）筑物的边坡， 应该按照大震不滑的设防目标进行抗震设计，才能保证边坡与建构（筑）物设防目标的协调匹配。