本文载于《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

曾任王兰民、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，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和岩土地震工程研究，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。

据《中国近代地震目录》报道，1920年12月16日20时05分53宁夏海原发生8.5级地震，震级XII，震源位置： N36.7，E104.9(仪器震源)，宏观震源： N36.5，e 105

关于这次大地震受灾的调查，初期的代表性调查成果主要有3批次，第一批次是国际饥饿救助组织任命的Upton Close等人，在1921年2-4月期间调查了地震地区的受灾情况。 他们主要对地震区现场的海原、固原、会宁、静宁等地的地震灾情和人员伤亡情况，特别是地震灾情的调查结果发表在1922年的美国《关于 1920 年海原大地震死亡人数的调研报告》。

第二次是对北洋政府农商部任命的翁文灏、谢家荣等6位地震区的科学考察。 这是我国首次采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、通测等灾区的实地调查，调查地震宏观现象，分析地震成因和活动规律，考察灾情，分析资料

考察的主要成果反映在翁文滩先生撰写的《Journal of National Geography》一文和谢家荣先生撰写的《民国九年十二月十六日甘肃的地震》，前者发表在1922年《民国九年十二月甘肃地震报告》第7卷第2号，后者一节发表在《科学》 1922年第8、9号。

第三次考察是由原国家地震局兰州地震研究所原所长郭增筑先生主持的综合科学考察，该阶段考察于1958年至1980年结束，参与者主要是国家地震局兰州地震研究所、宁夏地震队的科技人员。 内容涉及地震构造、震源机制、构造应力场、地震活动性、地震前兆、地震预报、震害和抗震经验等。 主要成果是两个机构编纂，1980年出版的《地学杂志》专著。

海原大地震迎来了100周年，这次大地震在房屋抗震和地震滑坡风险防控方面给我们留下了宝贵的启示和经验。 本文在对现有震害调查资料和文献分析的基础上，补充了相关现场调查，对本次大地震中造成重大人员伤亡的两个直接主要原因——房屋倒塌破坏和黄土地震滑坡特征进行了分析研究。 评价了地震区主要结构类型房屋的抗震能力，提出了地震滑坡防治目标应与建筑物抗震设防目标协同一致，并从抗震韧性城乡建设的角度阐述了本次大地震的震害启示。

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，这次地震在震区造成了大量房屋倒塌破坏和大规模密集的黄土地震滑坡，这是造成人员伤亡的两大原因。

地震区建筑物完全倒塌的居住地的分布用图1的深蓝色圆圈表示。 据了解，建筑物完全坍塌的居民点位于震源地X—XII度震度区内，与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(根据相关文献清画) ) )。

建筑物没有完全倒塌的居住地(橙色的点)在震度IX—X度的范围内。 地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，房屋主要结构类型有穿斗木结构、混合承重结构、墙体承重结构、土窑洞等，这些房屋大部分没有专门的抗震设计措施，而且抗震性能比较好的穿斗木结构房屋很少，主要是城楼、城楼

显然，对于上述任何一种结构类型的房屋，只要在震度XI—XII范围内，或者距起震断裂带20km以内，大部分都会倒塌(如图2、图3所示)。

图02

海原县城内破坏状况( XI—XII度区) )。

图03

甘肃靖远锁汉堡全村倒平( X—XI度区、翁文灏、谢家荣摄) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )。

另一方面，随着距开发断裂带距离的增大，房屋破坏情况明显减轻，在x度区出现未完全倒塌的居民点，在IX度和度区，未完全倒塌的居民点均为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，没有专门设计抗震和隔震措施的房屋难以抵抗。

另外，地震在断裂带东南侧黄土盐梁地区造成了一系列连片大规模滑坡，密集分布区面积达4000k。

图04

西吉县一黄土山体连续地震滑坡( x度区) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )西吉县一黄土山体连续地震滑坡) ) ) ) )西吉县一黄土山体连续地震滑坡) ) )西吉县一黄土山体连续滑坡) ) ) ) ) )西吉县) ) 652 )

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于—x度区的西吉、固原、会宁、静宁、通测等，度和度区也有小规模滑坡和崩塌分布。

根据许冲等2018年最新的谷歌地球卫星图像分析，在距离震源地20000k的范围内，此次地震引起的滑坡被识别为5384个。

断裂带东侧没有发生大规模滑坡，可能是东侧主要是平缓的丘陵地形，加上黄土覆盖层薄，不易发生滑坡。

由于房屋倒塌破坏严重的地区和滑坡密集地区呈南北向分布，因此，上城区和翁文灏、谢家荣提交的震害分布图和震区图均接近南北向分布(如图6、图7所示)。

图06

1920年海原大地震的灾害分布图( Upton Close等人，1921，正文清画) ) ) )。

图07

1920年海原地震震源区分布图(据翁文灏等人介绍，1921年本文为清画() )。

考虑到地震断层南侧为上盘，这一侧黄土盐梁地形高差变化较大，一般在几十米至二百米多，黄土覆盖厚度也在几十米至一百米多，地震发生区等地震线东南向衰减缓慢，破坏范围更大房屋震害和地震滑坡震害严重的区系分布也可能受地震断层上盘效应和黄土盐梁地貌及其厚复土层扩展效应的显著影响。

地震区主要结构类型房屋的

破坏特征和抗震能力

震区五种结构类型的房屋在地震作用下的破坏特征存在明显差异，反映出其具有不同的抗震能力。 根据调查文献资料，本文对地震区五种主要结构类型房屋破坏情况进行了综合统计分析，结果见表1。 其破坏特征和抗震能力分为以下几类。 　

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

穿斗木盖房子

通过震区斗木框架的房屋主要有鞍架和偏厦两种4种形式。 (图8 )该结构房屋在柱间和檐口登高处有木梁张拉，起到圈梁作用。 另外，由于梁、柱、檩条、椽子等主要木构件之间存在较多的张拉和铆接措施，屋盖的整体性、稳定性和延性除XI—XII度区外均较好，在x度以下震度区表现出较好的抗震性能，其抗震薄弱部位主要是墙体及墙体与屋面的连接

图08

斗木造房屋的主要房屋架形式(根据相关文献清画) ) )。

从防止大地震倒塌的目标评价来看，应该具有耐受震度VIII的能力。 这样的房子当时在震区县占20%~60%，在农村占不到10%。

图09

西吉县硝河镇一间穿着斗木屋架的铺装室因地震墙壁倒塌变形( x度区、翁文灏、谢家荣摄) )。

图10

固原县前提都奖门受震壁倒架正( IX度区、翁文灏、谢家荣摄)。

图11

靖远县打拉池高质量穿斗木构架建于清末，受地震影响部分墙体倒塌，房屋框架完整，震后稍加修缮，一直使用到1979年( x度区) )。

图12

天水家寺简单的木制房屋，建于清光绪年间，因地震墙壁轻微损坏，一直使用到1971年( 1971年)

02

混合耐力家

震区混合承重房屋是局部空间屋盖或木框架与墙体的共同承重。 前者常常是三间“滚木房”，屋子里有一间屋檐的重量，两头放在硬山上。 (图13a )。 后者没有空间屋顶，纵向中间有正屋，构成一排架子，前后都靠墙壁的重量。 (图13b )，前者的抗震性能略优于后者。

图13

震区混合承重房屋的结构形式

混合承重房屋由于有局部木框架承重，仍有一定的柔性，但由于木框架整体性差，檩条边直接搭在承重墙上，檩条与墙之间没有固定连接，且檩条只有短部分搭在墙上，略有震动，比较滑。 另外，墙体一般为夯土墙或楼板墙，抗震能力差，如果有强烈的振动，会导致自身坍塌破坏，屋顶无法支撑而坍塌。

因此，在x度以上震度区，这些房屋全部倒塌，在—度区，仍有20%~50%的房屋倒塌，抗震能力只有度(图14 )。 这种房子当时在地震区比较高，一般占60%~80%。

图14a

混合承重房屋倒塌及破坏情况：隆德县政府机关混合承重房屋全部倒塌，未倒塌房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“辊椽房”地震时受到轻微破坏，一直使用到1971年(度区)。

03

墙壁的承重家

该房屋外形多为三房一厅或两户一厅的单坡水瓦房，屋面结构与混合承重房屋基本相同，其结构主要有土架梁和硬山檩条两种形式。 (图15 )该房屋主要分布在距离林区较远、木材匮乏的宁夏南部和甘肃中部等干旱地区，当时约占30%~90%，农村普遍占60%~90%。

土架梁房屋在其檩条前端由细木柱支撑，承担部分屋面重量，檩条后端有半细柱，下端与前檐平整，位于夯土墙与土墙连接处。 (图15a )。 很多硬山楼的房子中间纵向有一根通栏，两端山墙中各有一半细木柱。 (图15b )。

图15

震区混合承重房屋的结构形式( A转椽房、B通檩条) )。

这种房屋承重的前墙体采用土块单层顺序建造，山墙和后壁为双层砌，下部为土墩墙，上部为土块墙。 由于墙体有不连续面，整体性差，抗剪强度低，遇地震墙体容易倒塌。

此次地震中，在级以上震度区，该房屋全部倒塌，级区一半以上倒塌，倒塌的房屋看起来像一堆碎片。 因此，这类房屋的抗震能力最大为度。 目前，这类房屋因抗震能力差、无加固价值而基本被淘汰。

04

黄土崖窑和土块拱窑

震区崖窑多为壁龛式崖窑，是直接在黄土墙上开挖的窑洞，一般高3~3.5米，宽3米左右，深5~10米，常见崖面坡度为80~85度。

图16a

住在Upton Close等震度较低地区的黄土崖窑宿( Upton Close摄影) )。

海原地震震中位于六盘山以西，该地区黄土酥油垂直节理发育，窑体强度小，高强度区容易造成窑面塌陷，堵塞窑口，多在窑内人窒息死亡或逃跑时填埋。

因此，海原地震时，高烈度区崖窑集中的地方死亡率往往也较高。 这个崖窑的抗震能力可以评价为VII度，但现在几乎没有人居住，只是用来放置农具和垃圾。

土块拱窑是地震区抗震能力最差的房屋，其下部两侧为强夯土墙，上部为土块拱顶，前后两端土块墙只起围护作用，门窗开在侧壁或边墙上(图16b )。

图16b

土块拱形窑

由于该拱窑土块拱顶强度极低，受地震作用时拱顶在剪切、挤压、弯矩作用下很容易坍塌，度以上强度区全部坍塌，度区也有近一半坍塌。 因此土块拱窑抗震能力较低，应低于度，目前已基本淘汰。

黄土地震滑坡特征及其机理

黄土滑坡是海原大地震引发的主要岩土地震灾害，又称地震地质灾害或次生地震灾害。 这种灾害规模之大、死亡人数之多、所形成的灾害之悲惨，让最先到达地震区进行考察的Upton Close等人感到震惊。

他在1922年发表于美国《一九二年海原大地震》的文章中，以“登山的地方”为题，说：“走了一夜的山，就像瀑布涡旋的滑坡，吞没了房子和骆驼队的裂缝，大浪袭来。” 这是甘肃大地震带来的几起次生灾害的景象”、“从山顶俯瞰滑坡的沟谷，仿佛还置身于一颗正在形成的星球，谷底的每一个村庄、田地、道路、河床等，都被数量巨大的松软、干燥、凶恶的黄土掩埋

地震发生时，宁夏和海原县属于甘肃省行政区，国外文献称此次地震为甘肃大地震。 尽管海原地震已过去100年，但滑坡分布区多为农村地区，干旱气候和长期稳定的农业耕作使滑坡的多种形态得以保存至今，为地震滑坡研究提供了理想的天然场所。 因此，关于这些黄土地震滑坡的研究也一直在继续。 根据我们长期的调查研究结果，海原地震引起的黄土滑坡具有以下特征。

01

密集滑坡区坡面平缓，震前稳定性高。

海原地震在西吉、固原等地(—x度区)引起黄土滑坡的密集分布，原坡坡度一般在10~25度之间，区和度区滑坡坡度增大到20~50度之间。 调查显示，10~45度之间的滑坡占82.3% (图17 )。

图17

海原地震黄土滑坡的梯度分布

回川滑坡是密集区缓坡滑坡的典型实例，该滑坡原坡坡度为10~15度，位于海原地震IX度区(图18 )。

图18

由回川黄土地震引起的滑坡(坡度10~15度) ( IX度区) ) ) ) ) ) ) ) )。

基于实地调查和土动力学试验反演计算结果表明，该滑坡为马兰黄土层内滑坡，震前静力状态下斜坡稳定系数为3.8，斜坡完全稳定。 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，该斜坡受到IX度地动作用，峰值加速度应超过400gal。 因此，地动强度会引起坡面土体的剪切破坏，造成巨大的

02

滑坡土规模大，滑动速度高，滑动距离长

海原地震引起的黄土滑坡一般宽几百米到几千米，多为几百米到两千米多，滑动体厚几米到十几米，滑动体冲到沟谷对岸，滑动过程几秒钟内完成，可以想象滑动速度有多快。 如静宁县孙家沟滑坡宽度850米，滑坡体厚度4~6米，滑坡距离约1500米。

图19

海原地震引起的静宁县孙家沟滑坡填平了孙家沟村( IX度区)

滑坡体全部冲出滑坡，冲向沟谷对岸，填埋孙家沟村(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，它将3/4英里长的道路和路边的一排白杨移到了1英里外的河对岸。 该滑坡仍然保持其原始形态，但这发生在几秒钟内(图21 )。

图21

3/4英里长的道路和路边的一排柳树通过黄土坡推移到1英里外的河对岸，保持原来的形态( Upton Close拍摄) )。

通过对黄土高原地震滑坡滑距与坡度关系的调查统计，其中，滑距数百米至2千米多的黄土滑坡大部分由1920年海原8.5级地震引起。

03

滑坡相连，形成串珠状堰塞湖

海原地震在IX—XI度区造成了密集的大规模黄土地滑坡，滑坡密集分布区主要位于发震断裂带的东南部，涉及西吉、固原、静宁、会宁、通渭等县。 由于滑坡沿黄土河谷两侧坡面呈群体分布，滑坡土体在谷底淤塞河道，形成串珠状堰塞湖(图22 )。

图22

海原地震时，西吉县李家沟滑坡形成的串珠堰塞湖( x度区) )。

形成堰塞湖最多的滑坡分布区是西吉县李家沟，串珠堰塞湖至今仍保持原有形态(图23 )。

图23

海原地震导致西吉县李家沟群滑坡和堰塞湖( x度区)。

另外，静宁县滑坡密集区也形成了堰塞湖。 为了防止土体溃坝洪水，当地政府发行债券，组织民工开挖堰塞土体，疏通河道，避免洪水泛滥。

04

滑坡大多位于马兰黄土层( Q3 )或黄土-基岩接触面

黄土地滑坡根据滑坡相关地层的不同，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。 据调查，1920年海原地震引起的黄土地滑坡大部分为黄土层内地滑，滑坡中黄土层内地滑和黄土—基岩接触面滑坡占86%，其他两种滑坡较少。

图24

海原地震黄土滑坡类型统计结果

其中黄土层内滑坡主要滑坡分布在较均匀的黄土层内，滑坡土体主要由不同时代的黄土和黄土状土组成，滑坡光滑，坡度陡，大部分为高速滑坡。 黄土—基岩接触面滑坡分布在黄土层与基岩接触面的位置，黄土层与基岩接触面受地震作用，破坏了稳定结构，产生滑坡。 滑体主要由黄土组成，含少量基岩，倾角平缓。

05

地震和水的共同作用引起了大规模黄土地层的液化滑移

8.5级地震时，距离震源70~90km的固原石碑盐(清水河四级黄土台盐(低缓的马兰黄土层) Q3 )发生大规模、长距离的液化滑坡，滑坡土体掩埋了两个村庄，造成400多人死亡。 (图25、图26和图27 )。

图25

石碑盐黄土液化滑动后壁及后部( x度区) ) )。

图26

石碑盐黄土液化滑移区(透镜朝向滑移方向) )。

图27

石碑塬黄土液化滑移作用下的波状地形

为了揭示这种液化滑移的机理，我们在实地调查、大型探矿槽开挖及测试(图28 )、室内土动力学试验、理论分析和数值模拟计算的基础上，对1920年海原8.5级地震作用下石碑上盐黄土地层大规模液化滑移的

图28

石碑塬滑坡区钻孔与探槽布局图

图29

石碑塬滑坡区滑坡前后地层剖面

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，据当地村民的一般反映和文献报道，井水位上升到15米左右，即15米以下深度的黄土地层处于满水状态。

地震时滑坡区处于x度区，地震动使第一古土壤层下部砂质黄土层液化，孔隙水压力升高，液化物质溢出。 孔隙水上冲向第一古土壤层时，由于该层透水性差，阻碍其聚集在第一古土壤层下方，瞬间形成薄层水膜，水膜或高饱和度砂质黄土层成为大范围滑坡(带)，上覆土体有可能承载地震惯性力2

滑坡土体在运动中的拉伸破坏和液化物质的顶升耦合作用，使滑坡土体在开裂处形成谷地貌，在堆积处形成山地貌。 由于盐体土层滑动运动中时机和移动条件的差异，各部分土体的滑动距离不同，前部至后部的滑动距离逐渐变小，前部150~400米，中部50~150米，后部30~50米。

作者还对1303年山西洪洞8级地震引起的叶夫博利大规模黄土地层液化滑移和1695年山西临汾8级地震引起的东、西堡头村分离大规模黄土地层液化滑移的现场调查和测量进行了验证。

黄土地震滑坡特征及其机理

1920年海原8.5级地震给我们的启示是，与其他国内外大地震相比，它们的共性也有其独特之处。 共性提示如下

(1)地震断层两侧退让既要考虑地表破裂带的影响，也要考虑近断层地异常强烈的震动。

)2)房屋和设施抗震设防技术和抗震加固技术能确保大地震不倒塌或大地震可抢修。 地震重灾区房屋设施加固工程将产生显著减灾实效。

)3)设置抗震设防地震动参数时，应考虑场地震动放大效应和断层扫描效应。

(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，在城乡规划、工程选址和抗震设计中应做好风险评估和防治工作。

)5)地震预警、应急救援储备、演习应当考虑夜间发生大地震的情况。

笔者要强调的海原地震的独特启示是，地震滑坡防治目标与房屋抗震设计目标必须配合一致，才能实现建筑物大震不倒的防治目标。

海原地震引发的大规模黄土地滑坡和黄土地层液化滑坡掩埋了许多村庄，造成大量人员伤亡。 这些黄土坡面，特别是10~25度的缓坡，无论是静力状态还是基本震度都很稳定。

目前我国建筑物抗震设计的目标之一是抗大地震不倒，而相关工程技术标准对边坡稳定安全系数设计是对基本强度的系数设计。 不同等级对边坡安全系数的要求不同，但这种设计的边坡在大地震时容易失稳滑坡，滑坡体有可能倾倒或填埋邻近建筑物，建筑物大地震不倒的设计目标没有意义。

因此，对于周边存在建筑物的边坡，必须进行大地震抗滑抗震设计，无法保证边坡与建筑物建筑目标的协调。

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