#發行日期:1999、08

#期號:0356

#專欄:天然災害專輯

#標題:地震災害及防治

#作者:羅俊雄

地震的成因

台灣地震分布與災害

台灣之斷層分布

地震可能造成的災害

地震引致建築物的破壞

橋樑結構的破壞

建築物的防震措施

結語

表一:我國現行震度分級標準

表二:台灣地區十大災害地震震源參數及災害統計表

圖一:台灣百年來十次最慘重的地震災害分布圖

圖二:台灣活動斷層分布圖

圖三:地震造成的短柱破壞

圖四:簡支橋梁因支承長度不足造成落橋

圖五:地震力作用下橋柱中央主筋截斷部分破壞造成破壞

 

 

 

 地震災害及防治


【摘要】地震是台灣主要的天然災害之一,地面振動劇烈時,可破壤房屋及其他建築物,並常使人類生命財產蒙受嚴重損失。因此,我們應對地震有適度的認識,並具備預防地震災害的知識,才能臨危不懼,以減輕災害。

地震是台灣主要的天然災害之一,地面振動劇烈時,可破壞房屋及其他建築物,並常使人類生命財產蒙受嚴重損失。台灣位於地震帶,生活在地震帶上的人都應對地震有適度的認識,並具備預防地震災害的知識,才能臨危不懼,以減輕災害。

地震的成因

地震之基本理論為:地層受到大地應力作用,開始變形,累積能量,直到地層無法承受而斷裂錯動,並於短時間內,彈跳到新的平衡位置。長期累積的能量在這一瞬間釋放出來,產生一種彈性波,藉以將能量向四面八方傳送出去,此彈性波稱為地震波。當地震波到達地表時,引起大地的振動,即所謂的地震。曾斷裂過的地層,稱之為斷層,通常較易受力再錯動,引發地震。地層最先開始斷裂的地方即稱為震源,其位置可能接近地表,也可能在地下深處。將震源垂直向上投影到地表面上的一點,稱為震央。

規模和震度是地震學家用來衡量地震大小和地盤振動程度二種不同尺度。以釋放能量來度量一個地震的大小可說是最確實的,可是地震能量無法直接觀測,它必須根據斷層滑動面積、滑動距離及其他因素才能間接計算。地震學家採用一個在1935年由芮克特教授所提出的「地震規模」來代表地震的大小,稱之為「芮氏規模」。芮氏規模是以地震儀所記錄的地震波幅為其基礎。

一個地震應該只有一個芮氏地震規模值表示其大小,但地震發生後,各地所感受到的振動強弱不一。一般而言,距震央愈遠振動愈弱,不過地盤特別軟弱的地方,振動可能加劇。地震所造成各地振動的激烈程度稱為地震強度,簡稱震度。通常以整數來表示震度的等級,級數愈大表示震動愈激烈。震動級數主要根據人的感覺,建築物的震動情形和地形或地物受影響的程度而定,因此是一種粗略而又主觀的地震強弱表示方法。目前各國所用震度分級標準頗不一致,我國中央氣象局則採用7級分法,依次為無感、微震、輕震、弱震、中震、強震及烈震。其說明及與修定後的麥卡里震度之對應關係如表一所示。

1960年代的後期,地震及大地構造學家們根據地震震源的分布及特性,配合古地磁等詳細資料,提出了板塊構造學說。此學說說明了地球的外殼係由數個大的板塊所組成,地震之產生係因板塊運動,在其邊緣產生的碰撞或錯動所造成,所以地震大多發生於板塊邊界地帶,而板塊內部則鮮有地震發生。因此地球上的地震活動帶,事實上就是板塊的分界。

台灣地震分布與災害

根據板塊構造學說,台灣位於歐亞大陸與菲律賓海兩個板塊交會處,這兩個板塊每年大約以七、八公分的速度,相互碰撞。其碰撞的接觸位置在東部的花蓮至台東地區,台東縱谷被認為是該兩板塊的縫合帶。此兩板塊除碰撞外,在台灣東北部及南部分別有向北與向東的板塊隱沒作用。由於這兩板塊的碰撞與隱沒,台灣地區之地層承受著大地應力,使得地層易被變形進而斷裂錯動引發地震,因此地震相當頻繁激烈。以世界地震帶的分布而言,台灣是處於最大,也是最活躍的環太平洋地震帶上。

台灣地區處於環太平洋地震帶上,進一步的仔細分析,我們可以將台灣地區劃分成為三個地震帶,即東北部地震帶、東部地震帶及西部地震帶。台灣地區自儀器觀測以來一百年間(1898∼1997),災情最為慘重之十次災害地震依序為:1904年11月6日斗六地震、1906年3月17日梅山地震、1916年8月28日南投地震系列、1935年4月21日新竹─台中地震、1941年12月17日中埔地震、1946年12月5日新化地震、1951年縱谷地震系列、1959年8月15日恆春地震、1964年1月18日白河地震和1986年11月15日花蓮地震(圖一),詳細之地震震源參數及震災統計資料列於表二。由於這十次災害地震的地震規模、震源位置、地質構造、時代背景、建築物結構類型均不相同,因此各個地震的災害均有其特色。例如發生在平原區的1904年斗六地震,雖然其地震規模並不大,但因震央位於沖積平原,故建築物造成嚴重的破壞。跨越西部麓山帶與嘉南平原區的1906年梅山地震與1946年新化地震,造成顯著的右移走向滑移斷層──梅山地震斷層與新化地震斷層,並在平原地區發生大規模的地裂、噴砂與噴水等現象。發生在西部麓山帶南部的1941年中埔地震與1964年白河地震,大範圍的山崩與地滑是其特徵。中埔地震於草嶺附近造成長達7公里,深160公尺的震生湖,白河地震造成關仔嶺溫泉改道的現象。發生在西部麓山帶北部的1935年新竹──台中地震,除造成大範圍的山崩地滑外,並在苗栗、台中地區產生共軛層──獅潭與屯仔腳地震斷層。發生在中央山脈之1916年南投地震系列,在南投地區造成空前的災害。發生在花東縱谷之1951年縱谷地震系列,自10月在縱谷北端的花蓮地震起,11月在縱谷中段的台東地震,至12月在縱谷南端之台東地震止,沿著縱谷由北向南遷移,發生4個地震規模大於7的地震,整個震災地區長達一百多公里。發生在台灣南端海底的1959年恆春地震,在台灣南端石灰岩地質區造成嚴重災害。1986年花蓮地震在鄰近震央的花蓮地區並無顯著的破壞,反而是遠離震央的台北與宜蘭地區造成嚴重的災害。1998年7月17日,震央在山區的瑞里地震,山崩是最主要的地質災害。

台灣之斷層分布

地震的成因很多,如火山爆發、地面突然塌陷、地下核爆、山崩、隕石撞擊地面及斷層錯動等均可能引發地震。在諸多原因裡,以斷層錯動引發的地震最多,也最重要。全世界百分之九十以上的地震均為此種原因造成。斷層滑動的型態隨著所受外力的性質而有差異,有受到張力造成的正斷層,受到壓力造成的逆斷層,以及由剪力造成的平移斷層。通常斷層可能由正斷層(或逆斷層)與平移斷層組合而成斜滑斷層。

活動斷層的定義主要是強調斷層在某特定期間內曾發生錯移,而未來有再活動的可能性,由於研究或使用目標的不同,以及各地區地體構造環境的差異,使得有關曾經發生錯移的期間之界定並沒有統一的定義。中央地質調查所為彙整臺灣地區活動斷層資料,並考慮現有相關文獻之豐富性,乃將活動斷層定義為更新世晚期(距今約一萬年)以來曾發生錯移的斷層。為提供不同使用者的需求,並將活動斷層依其最近的活動時期,區分為二類。第一類活動斷層包括:全新世(一萬年內)以來曾經發生錯移之斷層、錯移(或潛移)現代結構物之斷層、與地震相伴發生鬼斷層(地震斷層)、錯移現代沖積層之斷層,以及地形監測證實具潛移活動性之斷層。第二類活動斷層包括:十萬年以來曾經發生錯移的斷層與錯移階地堆積物或臺地堆積層的斷層。此外,對於部分學者曾提出其為活動斷層,但目前彙編時仍無法依文獻資料加以明確歸類者,則將其暫列為存疑性活動斷層。中央地質調查所本次彙整的台灣地區活動斷層資料僅包括斷層地表長度超過5公里的部分,全部共51條,其中第一類者9條,第二類者15條,存疑性者27條,如圖二所示。

地震發生後會引起震波傳到地表面,而引致地表震動。地表震動以加速度反應表示,其單位為「cm/sec」或「gal」表示(lg=980gal)。若最大地表加速度愈大,或地表震動之時間愈長,其引起的結構物損壞程度往往會愈大。除此之外,震波之頻率內涵對造成結構物的破壞程度亦有絕對關係。當地震震波之主要頻率內涵與結構物之主要振動頻率一致時,則有共振現象發生,因而會造成結構反應有放大效應而超出其所能承受能力,以致有破壞發生。故在探討地震引致土木工程建設的災害防治時,亦有必要對地震引致結構之振動有所了解。

地震可能造成的災害

由於地殼的變動,造成了斷層的錯動,繼而引發地震,而地震波向四面八方傳遞致使地盤振動。當地面振動劇烈時,可破壞房屋及其他建築物,並常使人類生命、財產蒙受嚴重損失。一般而言,地震造成的災害可分為二類:一是直接的,即由斷層活動,造成海嘯、山崩與地裂等地變、地盤破壞及建築物振動所導致的災害;另一種則為間接的,如堤防或水壩被破壞而引起的水災,維生線遭破壞使瓦斯外洩、電線短路引起火災,或是建築物的附屬物破壞而使人員傷亡等。尤其人員之死傷大多數是被倒塌房屋所壓、掉落物體擊中、海嘯沖失、山崩掩埋或地震所引起的火災、水災中喪生。間接的災害所造成的人員與財物損失往往更大,值得特別注意。

近十年來活生生的地震災難一幕幕發生,如1985年之墨西哥大地震,1989年之Loma Prieta地震(俗稱舊金山大地震),1994年之洛杉磯北嶺地震及1995年之阪神大地震,其所造成之震憾至今尤不能忘懷。以美國及日本等經濟強國及其對土木工程建設之重視程度,這些災害性地震對其本身及國際社會均有相當程度的影響。因此,在地震頻繁地區於土木工程之各項建設中,對地震力之考量應予以充分溶入設計中,以確保各項建設能有適度之耐震性。

地震災害之防治所包含之相關領域及影響層面極廣。就相關領域方面包含著工程地質、地質學、地震學、結構工程相關課程,以及耐震設計基本理論。其涵蓋著工程師、建築師、政府單位、保險、緊急救難及相關法律之判定等。

地震引致建築物的破壞

地震造成建築物的破壞情形可依下列方式分別予以說明:

(一)弱柱行為的破壞模式(weak column mode)

(二)短柱行為的破壞:在地震力作用下,剪力作用造成短柱行為的破壞,如圖三所示。

(三)軟弱底層之破壞模式(weak story):由第一層因用途的不同而將部分結構構件除去,形成軟弱的底層。故在地震力作用下,造成第一層柱形成塑性鉸,而無法承受側向力,以致造成軟弱底層。

(四)鄰棟建築物相碰撞之破壞:因鄰棟建築物各樓層高度不一致且間隔不夠大,造成地震作用下相互碰撞,而鄰棟樓版(剛度大)碰撞到隔壁棟的柱(剛度小),而造成破壞。

(五)開孔造成的破壞:因牆壁不當開孔,造成因剪力作用而形成水平剪力破壞及垂直向剪力破壞。

(六)樑柱接頭的破壞:當地震力作用下造成柱頂、柱底及樑端彎矩及剪力之反覆載重,造成柱樑接頭處形成剪力破壞。因此,對接頭內剪力鋼筋配置須特別注意。若有弱樑設計,則可能因鋼筋握裹不良而造成樑端破壞。

(七)建築物基礎設計不當,造成地基下陷。

建築物的耐震防治考慮可分為兩大類別:一為具有救災功能之建築物防震,如學校、消防單位、警政單位等建築設施;另一為一般樓房建築物防震。有防災功能的建築物的防震尤其重要,故在設計上對以上七種破壞均要避免,且不能造成建築物的崩塌,以維持其救災功能。一般建築物則必須符合耐震設計規範。若有超高層建築物,除了滿足耐震設計規範外,也應考慮其結構之完整性及耐震性。

橋樑結構的破壞

台灣地區較令人注意之橋樑災害,首推1935年之新竹台中裂震( M=7.l)及1972年花蓮瑞穗強震(M=6.7)。而國外之地震中則有1971年美國San Fernando地震(M=6.5)、1989年美國Loma Priera地震(M=7.l)、1990年菲律賓呂宋島地震( M=7.7)、1994年美國Northridge地震(M=6.4)及1995年日本阪神地震(M=7.2)。橋樑為交通系統中不可缺少之運輸系統。其在地震中產生災害,除了直接的生命財產受損失外,更可能因交通中斷,阻礙搶救與復原工作的進行,對社會、經濟造成難以估計的傷害。因此橋樑的耐震防災問題是值得我們來深思探討的。地表引致之破壞可歸納為以下幾點:

(一)土壤液化使橋墩(台)傾斜、沈陷、位移而致落橋:橋樑損害係受土層因素影響所致。若橋墩位於地層較軟弱地區(特別是鬆軟砂質土層),因地震造成土壤液化、沈陷等因素而致落橋。此外,橋墩頂端的基座亦因土壤液化造成橋柱側向變位大而破壞其支承。

(二)簡支橋樑之支承長度不足而造成破壞:橋樑,上部結構以支承部破損、主梁位移為主。老舊橋樑因大部分為簡支結構,支承長度不足,且缺乏防止落橋裝置及措施,故地震時較易造成破壞,如圖四所示。

(三)橋柱中間部分承受剪應力造成損傷而破壞:由於地震力過大或鋼筋排列不當,橋柱中間部位因反覆載重衍生剪應力過大造成損傷,引致橋墩的破壞,如圖五所示。

(四)橋柱剪力鋼筋不足造成崩裂,橋柱因彎曲力破壞。

(五)橋墩位於軟弱土壤地區,在地震作用下,土壤液化或沈陷造成周圍土壤下陷而橋腳外露。

橋樑的耐震設計應針對其各種破壞模式,大體而言,設計時應注意以下各點:

(一)橋樑建設應選橋址,特別是要遠離活動斷層線,同時亦要考量其他天然災害。

(二)定期檢查現有橋樑,並作必要之耐震補強措施。

(三)分析橋址土壤液化潛能,以謀求改善。

(四)橋樑耐震設計宜考慮水平反力之分散,避免集中於某一橋台上。換言之,在橋台上裝置隔震設施以分散地震力。

(五)防止落橋,橋墩帽樑應有足夠支座寬度。

建築物的防震措施

從耐震觀點而言,良好耐震設計為必須條件,此外,整體耐震考量亦可減少建築物之地震威脅。建築物耐震設計所須考量之因素如下:

(一)工程位置的基地概況──含周邊之地形、地貌及人文活動狀況。同時對工址地質及土壤狀況(含地下水位、斷層走向,位置及活動情況)。

(二)結構系統──此包含柱、樑系統、剪力牆系統、基礎形成及非結構系統部分。其中最要重視主結構(構架)系統的完整性及耐震性。對於特殊結構系統(如不規則結構系統等)則更要注意其耐震設計。

(三)結構分析──重視地震力分析及設計方式,對使用分析程式及計算方法必能充分了解。

(四)結構材料──各類材料要明定其品牌及規格,並符合設計者要求。材料強度亦要與設計時採用之值相符合。

(五)重視結構設計及細部設計。

(六)施工技術及品質管制。

(七)避免不規則平面立面的結構型態、側向勁度變化的結構、扺抗側向力構架變化的結構,以及奇形結構系統。

結語

地震時,斷層的錯動,可能會破壞道路、橋樑、房屋、地基、堤防、水壩等,我們必須避免在斷層附近建築蓋這些設施。地震如果發生在海底,可能會引發海嘯,侵襲海岸及海港地帶造成人員財產損失,應注意海嘯警報。當地震波到達地表時,會造成地盤振動,可能會引起山崩、地裂、地陷、噴沙、噴水(即土壤液態化現象),破壞道路、橋樑、房屋地基、堤防、水壩等,應注意建築物的基礎耐震設計與施工,尤其在較易造成土壤液態化地區(如海埔新生地、河流截彎取直之新生地等較鬆軟地區)。地盤的振動,緊接著造成建築物的振動,可能使建築物局部受損或整個倒塌。室內傢俱、設備破壞、瓦斯因管線破損而外洩、電線短路等引起火災、核電廠事故,以及工廠毒氣外洩等災害。

地震是台灣主要的天然災害之一,為此我們必須注意建築物結構及附屬設備之耐震設計與施工,同時須普及防震知識,做好應變準備,方能減少人員傷亡與財產損失。

羅俊雄係國家地震工程研究中心主任

 

 

 
   

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