杜風 43 期 特別報導

2011日本東北太平洋沖地震勘災報導

陳正興

臺大土木系教授

 

2011年3月11日的日本東北太平洋沖地震造成舉世的震撼,其規模達9.0,死亡與失蹤人數達二萬七千餘人。此次地震造成複合性的災害,除造成以往常見的地震災害外,更引致巨大的海嘯,海水席捲房舍、汽車、船隻等的即時影像,一遍又一遍地在電視上播出,讓人驚心動魄;隨後所引發的福島核安危機,更令全球擔心,可稱得上是地震災害史上最值得重視,也最令人省思的地震事件之一。

在此次日本東北地震災害中,除海嘯與核安引起全球注目外,土壤液化的災害亦相當嚴重,值得土木工程師重視與關切。筆者於震後15天即赴日本千葉與茨城地區勘查地震災害,其時因福島第一核電廠危機正高,而東北海岸地區交通仍中斷或管制,均無法進入,因此勘災區域僅限於東京灣周邊地區,以及千葉縣與茨城縣沿海地區(見圖1),勘查區域雖未及震害與海嘯最嚴重的福島、宮城與岩手三縣的沿海地區,但在距離震央二、三百公里的茨城與千葉區域,大規模與嚴重的損壞已是看都看不完,真正實地感受到地震威力的巨大,在此願將勘災所見與心得作一報導,供大家參考。

 

圖1 勘災路線圖

一、茨城縣沿海地區

勘災首日沿著茨城縣東部海岸驅車北上(見圖1中之藍線),據報導此地區大約有2~3公尺的海嘯侵襲,但沿路僅見很多房舍屋頂受震而局部損壞,並未見到海嘯災害,乃因沿岸均有一道沙丘與樹林,發揮了保護的功效,直至茨城縣那珂川口附近則有嚴重的災害,主要集中在大洗港與那珂湊漁港地區(見圖1):

  1. 大洗港

大洗港是茨城縣中部海岸的旅客航運中心,此次地震時受損相當嚴重,港內後線作業區與市區內先發生土壤液化現象,噴砂隨處可見,部份碼頭產生向海側位移,後又經海嘯侵襲,範圍達市區內主要道路(見圖2),筆者站在航運大樓前樓梯上之淤砂位置(見圖3),表示海嘯之浪高上岸約1.5m,站在那位置想像四周都是海水,汽車貨櫃等漂流衝撞,景像一定很恐怖,這是我第一次親身經歷剛經海嘯侵襲過的區域,一片狼籍,遍地廢棄的汽車(圖4),深感海嘯確實可怕,人力實在渺小,無法與其對抗的。

唯一值得安慰的是海嘯到達大洗港的時間較晚,警報疏散得宜,因此航運大廈中的旅客隨即上船駛離,而市區居民則往高地避災,據稱此區與並無任何人員傷亡,實乃平時防災訓練的功效。

 

圖2  大洗港遭海嘯侵襲後之凌亂情況

 

圖3  筆者站在航運大樓前樓梯上之淤砂位置

 

圖4  大洗港遭海嘯侵襲後棄置之汽車

2. 那珂湊漁港附近地區

那珂湊漁港是著名的海鮮美食港口,平時遊客很多,甚至有人遠從東京來此享用海鮮壽司。此次地震時亦是先後受到土壤液化與海嘯的災害,漁市場與美食中心被洗劫一空,多處堤岸破壞,其中最嚴重的是長約90m的碼頭因土壤液化而破壞,擁壁最大側移量約達6m(如圖5);鄰近道路亦因基礎土壤液化而嚴重開裂與沉陷,長約200多公尺,最大沉陷達1公尺多(如圖6)。另鄰近那珂川的堤岸亦多處毀損,圖7為因土壤液化而側潰破壤的河堤平台,長約300公尺,側移量達1公尺左右。

 

描述: 2011 TOHOKU EQ 091.JPG

圖5  那珂湊漁港碼頭因土壤液化而破壞,擁壁最大側移量約達6m

 

描述: 2011 TOHOKU EQ 163.JPG

圖6  那珂湊漁港鄰近道路因基礎土壤液化而嚴重沉陷,最大沉陷達1公尺多

 

描述: 2011 TOHOKU EQ 237.JPG

圖7  那珂川南岸河堤的側潰破壤現象,側移量達1公尺左右

 

二、千葉縣東部與茨城縣南部沿海地區

第二天的勘查行程主要集中在千葉縣東部及與茨城縣南部地區(見圖1中之紅線),這些地區之海岸、河口與渠道雖有受到海嘯的影響,並無嚴重的災害,但有很多地區發生嚴重的土壤液化災害,筆者所勘查的土壤液化區域包括下列:

1. 千葉縣香取市區

在香取市役所附近地區發生嚴重的土壤液化現象,圖8中利根水鄉路(圖中虛線)的東北側為新埋立地,在面積約1600kmX800m的範圍內,大部分地區都均發生嚴重的土壤液化與沉陷現象,市役所大樓四周的道路大約沉陷20~50cm(見圖9),社區內之住宅則相對於道路沉陷10~20cm左右,致使維生管線嚴重受損;貫穿此區域的排水溝渠兩側則發生嚴重的側潰現象,排水護岸嚴重變形,底版上浮破壞,溝渠中堆滿了液化噴出的砂(見圖10)。

在此區域臨利根川的河濱公園更發生非常嚴重的液化現象,約200mx100m範圍的綠地幾乎全部被噴砂所掩蓋(見圖11),數不盡的噴砂口連成一條一條地長形裂隙,有些長達十餘公尺(見圖12),公園側的土堤亦發生嚴重的沉陷與裂隙(見圖13),已在搶修中。

 

圖8  香取市役所附近地區發生土壤液化現象的範圍



圖9  香取市役所旁辦公室的土壤液化現象與地盤沉陷

 

描述: 2011 TOHOKU EQ 394.JPG

圖10  香取市役所附近排水溝渠中積滿液化砂

 

描述: 2011 TOHOKU EQ 477.JPG

圖11  利根川河濱公園綠地幾乎全面液化,堆滿積砂

 

描述: 2011 TOHOKU EQ 512.JPG

圖12  噴砂口串連成長形裂隙

 

描述: P1030632.JPG

圖13  利根川河濱公園堤防因基礎土壤液化而產生嚴重沉陷與裂隙

 

2. 潮來市日出社區

潮來市日出社區是在農地上填土(約2m左右)開發的社區,全區普遍液化,致使道路嚴重破壞,電桿東倒西歪(見圖14),主要是因土壤液化致使污水管線上浮或塌陷所致。

社區西側的水淨化廠亦發生嚴重的土壤液化現象,在淨水池側之草地沉陷達1公尺多(見圖15)。

 

圖14  潮來市日出社區道路嚴重破壞

 

描述: 2011 TOHOKU EQ 607.JPG

圖15  水淨化廠淨水池側之草地因液化而沉陷達1公尺多

 

3. 鹿島港及鄰近地區

在鹿島港區及附近之水淨化廠有嚴重的土壤液化現象,堆積的噴砂有達1公尺厚度者。另港區北側的風力發電機場地亦有多處發生土壤液化現象,其中有一塔柱因基礎土壤液化而傾斜達1.6°(見圖16),基礎下之樁基礎應已破壞或嚴重下沉。

 

描述: 2011 TOHOKU EQ 651.JPG

圖16  風力發電機塔柱因基礎土壤液化而傾斜

 

三、東京灣北側沿海新生地

此次勘查的區域包括東京灣北側臨海的浦安市、船橋市、習志野市與千葉市(見圖17),JR京葉線(Keigo Line)貫穿四市,據了解此線南側全部為新生地,在此次地震時大部份的區域都發生了土壤液化現象。這些區域範圍很大,無法一一走遍,日本Denki大學的Yasuda教授於災後發動學生作勘查,所標出之液化區域如圖17所示之紅色區塊,顯見大部份的區域都有液化現象,範圍之廣泛真是前所未見,這些區域都是高度開發的新區域,竟發生如此廣泛的土壤液化現象,正是用來檢驗現代建築與建設承受土壤液化能力的實際案例,頗值研究。由於數量實在太多,在此無法一一描述,僅選數張較特殊之案例供大家參考:

1. 浦安市區人孔垂直上浮(圖18)。
2. 浦安市區防災公園貯水池與人孔上浮(圖19)。
3. 浦安市住宅區道路震後第二天的噴砂情況(圖20)。
4. 浦安市區7-11傾斜與四周的噴砂(圖21)。
5. 習志野市交通公園的側潰裂隙(圖22)
6. 千葉市美浜區住宅區內尚未清除之液化砂(圖23)。
7. 習志野市香澄區民宅傾斜(圖24)。
8. 習志野市貫穿學校操場的噴砂裂隙(圖25)。
9. 習志野市道路鋪面上浮(圖26)。

 

圖17(a)  東京灣北側臨海區域

 

圖17(b)  發生土壤液化之區域(Prof. Yasuda調查)

 

圖18  浦安市區人孔垂直上浮(Prof. Towhata提供)

 

圖19  浦安市區防災公園貯水池與人孔上浮

 

圖20  浦安市區道路震後第二天的噴砂情況(Prof. Yasuda提供)

 

圖21  浦安市區7-11傾斜與四周的噴砂情況(Prof. Yoshimine提供)

 

圖22  習志野市交通公園的側潰裂隙

 

圖23  千葉市美浜區住宅區內尚未清除之液化砂


圖24  習志野市香澄區民宅傾斜

 

圖25  習志野市中貫穿學校操場的噴砂裂隙

 

圖26  習志野市道路鋪面上浮

 

總體而言,東京灣地區臨海造地是日本長年以來的土地開發方式,臨東京灣沿岸的所有土地幾乎都是新填土造成的,一片一片的新生地與新開發的市鎮,可說是工程建設的結晶。在這次地震時,東京灣臨海地區的新生地大部份地區都有發生土壤液化的現象,其中以尚未利用的素地最為嚴重,例如公園、停車場、綠地與濱海地等,而民宅地與道路用地等則次之,至於大型建物之基地則因有施作地盤改良或採深基礎而僅發生較輕微之液化現象。在發生較嚴重土壤液化的區域,在大型結構物的周邊道路與停車場等都產生沉陷(相對於結構物),而在住宅區內,則獨立住宅都相對於道路產生沉陷,道路中的維生線人孔則很多產生上浮現象,致使管線受損嚴重,所以地震後即使結構物未因土壤液化而受損,但維生管線普遍受損之情況已嚴重影響到民生問題;一般而言,電力線可在數天內搶修完成,自來水亦可在短期內以臨時管線恢復供水,但污水管線之修復則相對較困難,須較長時間才能復舊,對民生問題影響很大,至於整箇區域沉陷所造成的排水問題,亦是復建的困難工作之一。綜上所述,土壤液化所造成的維生管線受損,其實對民生問題造成很大的影響,整體損失亦是很大的。

另一最值得一提的是浦安市東北角隅的海堤內側綠地發生嚴重的側潰現象,規模非常之大(圖27),主要裂隙總長度約達500公尺以上,最大側移量約為2.5公尺(圖28),致使內側海堤產生位移,而內外側海堤間的鋪面被推擠向海側移動或凸起、或掉落於防波塊上(圖29),規模大得驚人,非親臨現場實無法感受其震憾力,是我有生以來看過規模最大的側潰災害,我站在海堤上望著兩頭看不到盡頭的巨大裂隙,不知如何描述,工程師有能力設計結構物抵抗如此巨大的力量嗎?

 

圖27(a)  浦安市東北角隅海堤內側綠地發生嚴重的側潰現象

 

圖27(b)  (a) 圖右側之側潰裂隙


圖27(c) (a) 圖左側之側潰裂隙

 

圖28  浦安市東北角隅沿海堤內側的側潰裂隙,最大側移量約為2.5公尺

 

圖29  鋪面被推擠向海側移動、或凸起、或掉落於防波塊上

勘災心得:

四天的勘災,時間有限,礙於福島核安危機與交通中斷,未能到災情真正慘重的東北地區(福島、宮城與岩手縣)勘查,僅能在東京灣周邊與鄰近地區勘查,這些地區主要為土壤液化的災害,但所見已是所經歷過規模最大、災情最嚴重的一次,感觸良多,我們知道土壤液化現象已那麼久,研究土壤液化也做得那麼多,遇大地震時,土壤液化還是一直發生,而且那麼廣泛與嚴重,我們是該防治土壤液化的發生呢?還是該與土壤液化共存而居呢?我們要向地震學習的實在還很多!