南方干濕巖體遺址的地質(zhì)病害與防治工程中國南方大型古遺址主要環(huán)境地質(zhì)病害及其防治對策研究

南方干濕巖體遺址的地質(zhì)病害與防治工程中國南方大型古遺址主要環(huán)境地質(zhì)病害及其防治對策研究

1環(huán)境地質(zhì)病害分析隨著文化事業(yè)和考古發(fā)掘的蓬勃發(fā)展，中國南方的考古發(fā)掘和挖掘出了大量的古遺址、木結(jié)構(gòu)和其他文物。在這些遺址中有相當一部分是屬于低山丘陵巖體遺址,如浙江紹興市印山越國王陵、湖北隨州市擂鼓墩曾侯乙墓和銅綠山古銅礦遺址等。這些遺址都位于地殼表層風化巖體內(nèi),圍巖破碎,透水性強,遇水或擾動后極易失穩(wěn)破壞,而遺址所處的南方氣候濕潤多雨,年平均降雨量一般在800mm以上,最大可達1500mm以上。使大部分古遺址處于高含水狀態(tài),并處于干濕交替狀態(tài),賦存環(huán)境非常惡劣,常發(fā)生各種環(huán)境地質(zhì)病害,如地下水滲水對遺址及其文物造成腐蝕和破壞、圍巖物理力學性質(zhì)退化引起的遺址基坑邊坡變形破壞以及由于環(huán)境因素改變引起的地面變形等。如不及時治理將嚴重影響遺址及其古文物的保存。但由于古遺址保護是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,它既不同于邊坡加固、基坑排水等普通的巖土工程,也不同于北方干燥遺址保護工程,它涉及文物保護、地質(zhì)工程、巖土工程等不同的領(lǐng)域和學科,又沒有現(xiàn)成的規(guī)程規(guī)范可做依據(jù)。因此,盡管近幾年來,國家重視對古遺址的保護,采取了一系列保護措施。然而其效果并不理想,究其原因是許多遺址保護方案僅從文物保護角度提出的,沒有注意到古遺址保護工程實際上是一項地質(zhì)工程,應(yīng)從遺址所處的地質(zhì)條件研究入手,結(jié)合文物自身特點及文物保護要求,才能得出符合實際的工程方案。因此,系統(tǒng)開展對中國南方大型古遺址環(huán)境地質(zhì)病害與防治對策研究具有十分重要的意義。本文以印山越國王陵為例對中國南方潮濕巖體遺址環(huán)境地質(zhì)病害及其影響因素作簡要分析,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合文物保護要求及其工程特點探討這類遺址保護工程須解決的關(guān)鍵問題和防治對策。2主要環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害及其影響因素2.1環(huán)境地質(zhì)問題由于自然環(huán)境變遷及人類活動等的作用,使古遺址破壞而影響其長期保存,引起各種環(huán)境地質(zhì)問題或環(huán)境地質(zhì)病害?？偫ㄆ饋碇袊戏焦胚z址中的環(huán)境地質(zhì)病害[4~11]主要有如下類型:(1)文物變質(zhì)、溶解、水解、坑壁邊坡、可溶性鹽沉降水的特性由于地下水或大量降水形成的滲水引起的病害,包括:霉菌、真菌及低等植物滋生、基坑圍巖物理力學性質(zhì)退化、木構(gòu)件等文物變質(zhì)腐爛、溶解、水解及沖刷潛蝕、干縮脹裂、地面沉降、坑壁邊坡變形和可溶鹽沉淀覆蓋等等。這些病害直接起因于地下水的循環(huán)交替作用和地下水位波動,危害大,影響面廣,幾乎每個遺址都存在此類病害,只是由于所處的水文地質(zhì)條件不同,其病害類型及程度不同而已。因此,治水是遺址保護的關(guān)鍵,也是其后續(xù)保護措施得以實施和初見成效的前提條件。(2)整性降低引起的病害主要是由于圍巖內(nèi)發(fā)育各種類型裂隙(結(jié)構(gòu)面),導(dǎo)致圍巖體破碎完整性降低引起的各種病害,包括:裂隙張開松動、裂隙滲水、巖崩、巖石風化剝落及邊坡變形失穩(wěn)等進而使遺址與文物遭受破壞。這些病害的嚴重程度和病害類型受巖體中結(jié)構(gòu)面類型、發(fā)育程度及網(wǎng)絡(luò)特征控制。(3)人類活動引起的破壞這類病害包括采石爆破、振動、開采地下水等人類活動及大氣污染等引起的木構(gòu)件腐蝕、圍巖松動開裂變形、地面沉降等,進而使遺址及古文物遭受破壞。2.2引發(fā)遺址地質(zhì)病害的主要因素影響古遺址環(huán)境地質(zhì)病害與保護的因素主要有:遺址區(qū)地形地貌、圍巖地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造、地下水和人類活動,降雨及地震等。地下水是引起遺址及木構(gòu)件各種病害如腐蝕霉變、圍巖變形破壞等的直接因素,直接受控于遺址區(qū)地形地貌、地層巖性及降雨等條件。人類活動、地震等是遺址地質(zhì)病害的誘發(fā)因素,主要通過擾動或破壞遺址原有封閉的地質(zhì)環(huán)境,改變遺址賦存條件來起作用的。綜上分析可知,影響遺址及其木構(gòu)件原地保存的最基本的因素是遺址區(qū)地形地貌、圍巖巖性及地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件等。3遺址保護工程面臨的問題古遺址保護工程[12~14]包括治水工程、巖土體加固工程及邊坡加固工程等,它與通常的地質(zhì)工程有很大的不同,其特點有:(1)要求高,如徹底疏干的遺址要求圍巖和文物的含水率在40%以下,因此,遺址疏干比普通基坑疏干要求要高得多,同時文物保護工程不允許有任何破壞與功能失效發(fā)生,必須長期保持穩(wěn)定可靠;(2)被疏干的地下水不是普遍意義上的地下水,除重力水外,還涉及到毛細水和部分結(jié)合水,這就要求地下水位長期保持在遺址底板高程減去土層毛細上升高度的水平上;(3)服務(wù)年限長,一般來說遺址要求長期保護,這就要求為其保護服務(wù)的地質(zhì)工程是一種能長期保持穩(wěn)定和正常運行的永久工程;(4)工程中必須考慮文物特點,以不影響文物景觀和文物內(nèi)含為原則,即地質(zhì)工程與文物景觀相容。由此可見,遺址保護工程是一項復(fù)雜的地質(zhì)工程,涉及多方面的理論與技術(shù)。在遺址保護中既有遺址自身的病害與問題需要解決,另外,在工程施工及使用過程中,由于地下水的下降還會帶來諸如地面沉降、邊坡穩(wěn)定及地下水資源枯竭等問題,進而影響遺址區(qū)的環(huán)境和文物的保護,概括起來防治工程中需要解決的問題有:(1)巖土體分布(特別是含水層、隔水層分布)及其滲透性;(2)巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況及巖土體物理力學性質(zhì);(3)地下水位的分布狀況以及變化趨勢;(4)遺址區(qū)水文地質(zhì)模型建立及地下水滲流場模擬計算;(5)基坑邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施;(6)遺址區(qū)疏干排水方案論證;(7)巖土體加固措施及工程方案論證;(8)各類工程效果預(yù)測及其對遺址環(huán)境的影響分析,如排水工程實施后的效果與滲流場變化趨勢及其影響的預(yù)測等。4基于工程模擬的鹽砂+工程,發(fā)揮工程技術(shù)優(yōu)勢,及在治理工程中的技術(shù)方面治理工程研究的基本思路如圖1所示。由此可見,遺址保護工程要求從工程設(shè)計的角度布置水文工程地質(zhì)勘探工作,并且要求文物保護工作參與其中,做到治理工程與文物保護協(xié)調(diào)一致,同時根據(jù)施工與監(jiān)測信息的不斷反饋,調(diào)整工程設(shè)計,達到工程設(shè)計的優(yōu)化。在治理工程中,工程地質(zhì)條件是遺址保護工程方案論證與設(shè)計的基礎(chǔ),工程勘察是最基礎(chǔ)的工作,工程方案論證是核心。工程勘察、滲流場數(shù)值模擬、工程監(jiān)測及巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用不僅為遺址保護地質(zhì)工程優(yōu)化設(shè)計成為可能,而且使地質(zhì)工程設(shè)計更可靠、更便捷。5道長48.7m的墓印山越國王陵位于浙江紹興市城西南約13km,是20世紀重大發(fā)現(xiàn)之一,據(jù)考古發(fā)掘:該墓建于2500年前的春秋末期,墓坑系人工鑿巖而成,墓坑長46m,寬14m,深12.4m;墓道長54m,底寬3.4~8.7m,開口寬6.5~14m;墓室(槨室)為橫斷面呈等腰三角形木結(jié)構(gòu),用189根枋木搭建而成,長34.8m,寬6.7m,高5.5m。陵園四周為總長888m的隍壕環(huán)繞。這在我國歷代墓葬考古中是首次發(fā)現(xiàn)。為研究越文化及其與周圍文化關(guān)系等提供了寶貴的資料。由于時代久遠,加上盜墓活動,暴露時間長,古墓遺址產(chǎn)生了嚴重的地質(zhì)病害,其中最主要的病害是地下水滲水引起木槨的霉變腐爛和墓坑巖體邊坡變形破壞等。5.1墓址區(qū)地質(zhì)概況印山越國王陵地處丘陵地帶,總地勢南高北低。受巖性和地質(zhì)構(gòu)造的控制,墓區(qū)地貌上為一系列呈NE~SW向展布的串珠狀剝蝕殘丘。印山為相對獨立的小山包,主峰海拔高41.7m,山下最低處高程12m,大墓座西朝東建于印山135主峰之上。整個陵園面積包括隍壕在內(nèi)約8500m2。本區(qū)屬亞熱帶季風型,氣候溫和、濕潤,四季分明。年均氣溫16.5℃,盛夏季節(jié)平均氣溫28.7℃,極端高氣溫可達41.1℃。年平均降水量為1583mm,墓址區(qū)出露的地層有:寒武系下統(tǒng)荷塘組淺黃色、灰色薄層泥巖及硅質(zhì)巖;燕山期褐紅色、褐色斜長玢巖和第四系不同成因的含碎塊石粉土、黏土,含泥碎石土及青(白)膏泥。墓區(qū)巖土體特別是表層巖土體滲透性強,一般為中至強透水性,往深部因裂隙閉合透水性相應(yīng)變小。地下水位14~17m,低于墓坑底板。地下水主要靠大氣降水補給。由于降水形成的暫時性水流,在墓坑四周見十多處滲水。墓址區(qū)位于背斜西北翼,整體為一傾向北西的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)巖層薄而且軟弱,小褶曲、節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎。墓坑壁巖體風化嚴重,掉塊及小型崩塌等現(xiàn)象時有發(fā)生。5.2為墓坑邊坡穩(wěn)定和防治對策(1)基于赤平投影分析的邊坡巖體穩(wěn)定性印山越王陵墓坑邊坡高11.5m,坡角80°,其中北壁長46m,以反向坡為主,西壁長14m,為斜交坡。由硅質(zhì)巖、斜長玢巖組成,巖體軟弱,發(fā)育有4~5組結(jié)構(gòu)面,完整性差。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及穩(wěn)定性計算認為:該邊坡整體穩(wěn)定性好,不會產(chǎn)生整體滑動和大規(guī)模崩塌滑坡。但是,由于巖體中結(jié)構(gòu)面組合形成了形狀大小各不相同的塊體,在重力、地下水等作用下將成為不穩(wěn)定分離體而產(chǎn)生滑動、傾倒掉塊等破壞現(xiàn)象。本文采用赤平投影方法來分析這種分離體的穩(wěn)定性。其方法是將結(jié)構(gòu)面和邊坡面按產(chǎn)狀同時投影到吳氏網(wǎng)中;然后得出結(jié)構(gòu)面兩兩之間的交線,如果交線傾向邊坡外且傾角小于邊坡角時,則認為該分離體有可能沿該交線產(chǎn)生滑動,否則就不可能沿該交線產(chǎn)生滑動,只能產(chǎn)生傾倒破壞;最后進行穩(wěn)定性計算。利用赤平投影原理分析邊坡巖體穩(wěn)定性的步驟如下:(1)在邊坡面上選擇代表性的點,進行巖體結(jié)構(gòu)面實測統(tǒng)計得出該處巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組數(shù)及其產(chǎn)狀;(2)將各組結(jié)構(gòu)面與邊坡面的產(chǎn)狀投影到吳氏網(wǎng)中,兩兩組合得到結(jié)構(gòu)面的交線產(chǎn)狀,剔除與邊坡面傾向相反或夾角大于90°的交線;(3)利用實體比例投影法對可能滑動失穩(wěn)的分離體投影,求得其體積與形狀;(4)計算可能滑動楔形體的穩(wěn)定性系數(shù),評價其穩(wěn)定性。圖2,3分別為北壁斜長玢巖和西壁硅質(zhì)巖結(jié)構(gòu)面赤平投影圖與實體投影圖。分析結(jié)果表明:墓坑邊坡巖體存在7類不穩(wěn)定分離體,其規(guī)模一般為0.01~0.30m3。這些分離體在滲水及風化等作用下穩(wěn)定性差,將產(chǎn)生崩塌或掉塊現(xiàn)象。(2)巖塊黨組織加固護坡技術(shù)穩(wěn)定性分析表明:邊坡整體穩(wěn)定性好,不會產(chǎn)生整體滑動和大規(guī)模崩塌滑坡,因此,加固的對象主要是各類不穩(wěn)定巖塊崩塌、掉塊及表面巖體風化、剝落等,相應(yīng)的措施應(yīng)以淺表層加固和護坡為主。具體措施為:高分子化學材料滴注+短錨。即在短錨桿加固不穩(wěn)定塊體的基礎(chǔ)上,采用強度高、適宜灌(滴)注加固的環(huán)氧樹脂灌漿材料滴注,達到全面加固邊坡巖體的目的。并在邊坡下部每隔一定間距用PVC管預(yù)留排水管,以排除邊坡巖體中的地下水。5.3地下水的透水性墓區(qū)巖體中節(jié)理、裂隙、層面等結(jié)構(gòu)面發(fā)育,巖體破碎,完整性差,風化強烈,地表巖體滲透性強,一般為中至強透水性,往深部因裂隙閉合透水性相應(yīng)變小。地下水主要靠大氣降水補給,地下水位14~17m,低于墓坑底板。墓區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可概化為如下模型:上部由劇強風化基巖孔隙裂隙——第四系孔隙含水層組成中、強透水含水體,中部由基巖裂隙含水層組成弱透水含水體,下部為微風化和新鮮基巖組成相對隔水層。(2)地面防滲鋪蓋+排水暗溝水文地質(zhì)條件分析可知:目前地下水位處于墓坑底以下,坑內(nèi)所見滲水是雨季大氣降水形成的暫時性滲水,滲水強度與延續(xù)時間受降雨強度和持續(xù)時間影響,動態(tài)變化大。因此,排水工程的關(guān)鍵是完全杜絕大氣降水和生活污水入滲形成的地下水進入墓坑,并排除墓坑圍巖內(nèi)的地下水,使之達到徹底疏干遺址的目的。具體方案為:地面防滲鋪蓋+排水暗溝。即在遺址四周設(shè)置地面防滲鋪蓋(見圖4),目的是杜絕大氣降水和生活污水入滲;排水暗溝布置在墓坑內(nèi)(見圖5),以明挖回填方式進行,并在墓坑東側(cè)設(shè)置集水井。整個暗溝系統(tǒng)向東南方向傾斜,使地下水沿暗溝流向東南角的集水井,集水井內(nèi)的水再通過水泵抽出地表。6南方遺址保護的環(huán)境地質(zhì)條件通過本文研究可以得如下結(jié)論:(1)中國南方潮濕巖體遺址的環(huán)境地質(zhì)病害是多方面的,包括滲水病害(水害)、圍巖失穩(wěn)造成的病害和環(huán)境因素改變引起的病害等。(2)由于南方獨特的地質(zhì)地理條件,與北方遺址相比,其環(huán)境地