日本311地震與海嘯 5周年慎思

前言

日本東北地區於2011年3月11日下午2時46分,發生規模M9的毀滅性地震,震央離開日本海岸邊約150公里,震源深度地下24公里,為極淺層之地震,見圖1。本次地震所造成之最大地表加速度最高達3,000gal,為極罕見之大地震。陸地上所測得地動之加速度,仙台K-net之自由場加速度峰值為1,808 gal,約為921地震之兩倍。附近幾個主要之建物內部所紀錄之加速度峰值如表1所示。資料顯示,靠近震央之建築物,其垂直向振動頗大,而高層區之加速度峰值則放大許多。

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圖1  日本311地震震央位置

 

表1  鄰近震央之建物監測之加速度

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圖2  各方向之模擬反應譜【1】

地震之災損

 本次地震雖然震度頗大,惟鄰近震央之建築物損害不算嚴重,地震所造成之主要震害,為部分地質液化,與室內櫥櫃倒塌,雖有少部分之建築物遭到破壞,但並未有嚴重之建築物倒塌事件。震區附近某學術機構之A棟綜合研究大樓,為地上13層之鋼骨結構,從1樓至10樓裝設油壓阻尼(oil damper),其中有4組阻尼之能量為150噸,地震後情況良好,並無受損。B棟長方形配置之9層樓SRC建築,以前曾經補強過,本次地震在短向(橫向)之外牆,呈現剪力牆橫向斷裂與梁柱接頭裂損,見照片1。

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照片1  B棟之剪力牆與梁柱接頭裂損

C棟建築物為8層樓之建築物,於短向(橫向)之中央短跨穿梁處,各層均有混凝土破碎損壞,屬於短梁受剪破壞,見照片2。D棟為2樓之RC造建築物,於長向(縱向)之中間柱,呈現混凝土爆裂與主筋屈折,屬於45o之剪力斷裂,詳照片3。均為建築物震害之典型模式。

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  照片2   C棟短梁破壞  

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照片3  D棟柱子剪斷

海嘯的形成

 地震係由於地殼長期擠壓,累積能量,在一定期間後會發生地殼反彈或錯動而釋放能量,乃至發生地殼震動。如果在海域內之海溝產生地殼錯動,地震之同時會將海水面擠高而引發海嘯,如圖3所示。

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圖3  板塊擠壓與錯動衍生地震與海嘯

311地震發生於下午2:46,而海嘯於3:16抵達陸地。短短30分鐘,海浪傳遞了150公里,其時速約為300公里,與台灣高鐵之行車速度一樣快速。海嘯發生時,雖然日本全國發布海嘯警報,惟本次海嘯共造成約15,000人死亡,8,000人失蹤,海嘯沖毀之房屋不計其數。海嘯災害之地區以宮城縣之仙台、石卷,女川町與福島縣之福島等地最為嚴重。許多民眾剎那間房屋全毀,親人永隔,個人財產瞬間化為烏有,心靈重建之任務,十分艱鉅,令人心酸。福島核災所引起之後遺症,更是令人膽戰心驚。當年6月15日,筆者搭乘新幹線前往災區調查,途中經過福島車站時,只見高鐵車站旅客稀落,寥寥無幾,災情之悽慘可見一斑。台灣人民感同身受,寄以無限同情,發揮最高愛心,捐款遠超過世界各國。

宮城縣災損

 宮城縣為日本沿海最靠近震央之縣,行經宮城縣遭受海嘯侵襲的沿海地區時,沿途所見怵目驚心,所有飽受海嘯肆虐地區,幾乎全部夷為平地,寸草不留,見照片4。日本的民宅普遍以木結構建築,雖然在外海亦高築防嘯堤,仍然難擋毀滅性之大海嘯,幾無倖免。台灣是個海島國家,四面鄰海,地震也頻繁,如有鄰近之海溝,有關海嘯的探討與研究,值得重視。

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照片4  宮城縣廢墟

照片5,筆者所站之背景,為某學校校舍與活動中心,建築物本身並未受到地震與海嘯的損害。日本全國各地普遍設有廣播器,地震發生時,到處都可聽到海嘯警報的廣播。本次地震發生在下午2時3刻,警報廣播時,學生都躲在校舍樓上避難,靜待家長前來接應。地震發生時,家長陸續趕到學校接應子女,約隔20餘分,不見海嘯到來,學生紛紛從高樓的校舍,轉往一樓的活動中心等候,不料巨浪轟然出現,沖走了80幾名學生與10幾位家長,有的家長與老師,眼見學生一個個被海浪捲走,呼天不應,叫地不靈,慟哉。這個事件,讓我們深切體會,海嘯警報發佈後必須等到警報解除才算真正安全。

 

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照片5  災害警報解除之體驗

仙台市災損

 通往往仙台機場之高速道路左側,因臨近海岸,建物與設施,受海嘯沖毀嚴重,幾乎夷為平地,機場附近漂流損壞之廢鐵堆積如山;高速道路右側,則因受高速道路屏障,民宅顯然安然無恙,沿途兩側之受災形成強烈對比。遭海水淹沒之農田,因受鹽分浸泡,歷經3個多月,仍然未長出一草一木,十分貧瘠。

石卷災損

 石卷原為高級住宅區,依山傍水,風景秀麗,海嘯過後,田園房屋幾乎全毀,少數倖免於難之建築,亦殘缺不堪,狀極淒慘。海嘯肆虐後,現場空無一物,受難災民流連忘返,情何以堪!部分別墅雖未倒壞,但牆體破碎不堪。日本之建築物設計規範,並無明確規定如何抵抗海嘯之侵襲,經過本次大海嘯之後,產官學已著手探討,海嘯對建築物的影響。

 石卷港口於遭受地震與海嘯同時侵襲後,已全部夷為平地,見照片6。退潮之海嘯,刮走陸地上之瓦斯氣槽與油箱等易燃物,由於漂流碰撞,且管線斷裂,到處瓦斯漏氣、油桶漏油,加上電纜線漏電短路,造成多處火海,宛如世界末日,慘不忍睹。照片7為火害過後之冷凍倉庫。對於建築物與公共維生設施,顯然應該考慮地震與海嘯同時發生之影響與設計,甚至於應考慮防火之安全措施。

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照片6  石卷港口夷為平地  

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照片7  火害過後之庫房

女川町災損

女川町離震央僅約160公里,為日本重要之漁港,其出海隘口之兩側,有優異之山麓屏障。港區之建築物大部分為鋼結構與鋼筋混凝土構造,多數作為冷凍倉庫、批發市場與辦公用建築物。許多漁獲之加工廠,雖然骨架仍然存在,但牆體與屋面都已遭受嚴重破壞,見照片8。推測海嘯對構造物之影響,除了靜水頭之壓力外,尚有高速衝浪之動能、不同地況之漩渦、與退潮之巨大虹吸壓力等,均值得研究探討。

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照片8  建物遭海嘯清空

 海嘯對女川港,不僅造成許多水災,也造成不少的庫房爆炸事件,照片9為女川港區之庫房爆炸破裂之現況,鋼筋混凝土構造的庫房,支離破碎。對於危險物品的儲放或特殊之庫房,其構造物之設計,除應考慮耐震與耐風外,鄰近海邊有海嘯侵襲之虞的建築物,另需考慮海嘯的作用,如果庫房內有特殊之水、電、油、氣等,錯綜複雜之設施,則還需要顧及爆炸之影響。

 

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照片9庫房爆炸

結語

311地震之規模與震度,固然空前厲害,但由於日本工程界的施工技術嚴謹,幸未釀成巨大之地震災害,值得國人學習效法。在地震頻繁的海島國家,嚴謹地調查海底的地理與水文是必要的,如果缺乏海嘯的防範機制,其毀滅與損壞是全面的,而且會造成不可估計的維生系統大災難。雖然日本的海嘯頻率,十分頻繁,防災的措施也十分嫻熟,仍然無法避免空前的災難,值得我們警惕與未雨綢繆。

【參考文獻】

1.日本東北大學(2011年3月11日)。311地震資料。

2.陳純森(2015年11月)。工程事件之鑑識預防與法務,科技圖書公司。

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