关于河南灵泉寺石窟地质病害及整治方法的研究

文章编号:1000󰀁7598󰀁(2000)01󰀁0056󰀁04

岩󰀁󰀁土󰀁󰀁力󰀁󰀁学

RockandSoilMechanics

󰀁󰀁󰀁󰀁Vol.21No.1󰀁󰀁󰀁󰀁Mar.2000

关于河南灵泉寺石窟地质病害及整治方法的研究

何󰀁燕

(中国科学院地质与地球物理研究所,北京󰀁100029)

*

李智毅

(中国地质大学工程技术学院,北京󰀁100083)

摘要:灵泉寺石窟是1996年国务院公布的第四批国家重点文物保护单位。千余年以来,该石窟除遭受人为破坏外,在自然营力作用下,还产生了较严重的地质病害,使石雕艺术品遭到不同程度的破坏,目前面临严重的保护任务。为此,对地质病害进行了详细的工程地质研究和地震作用分析,对石窟所在边坡的整治提出了建议。关󰀁键󰀁词:石窟,环境地质病害,准静态评价,最危险地震作用方向中图分类号:X503.5󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

作者简介:何󰀁燕,女,26岁,博士研究生,地质工程专业,目前从事岩体工程地质力学研究。

Astudyofgeologicaldiseaseanalysesandrenovationmethodsin

LingquanTempleGrottoofHenan,China

HeYan

(InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciencesBeijing100029,China)

LiZhiyi

(CollegeofEngineering,ChinaUniversityofGeosciencesBeijing100083,China)

Abstract󰀁DetailedengineeringgeologicalinvestigationshavebeencompletedonLingquanTempleGrotto,inHenanprovince.TheGrottothatwasconstructedabout1,400yearsagoandconsistmainlyofhardcompactcrystallinelimestonehasproducedseriousgeologicaldiseases.Aclassificationofthegeologicaldiseasesiscarriedoutinthepresentpaper,theyare:rockmassinstability,waterpercolationandcorrosion,andweatheringdis󰀁eases.Moreover,thereasonsforthediseasesareanalyzed.Thesafetyfactoroftherockmassandtheslopehavebeenobtainedrespectivelythroughanalyticalmethodandfiniteelementmethodbyassumingtheseismicloadingbeingpseudostatic.Finally,suggestionsaregivenforrenovatingtheGrotto.

KeyWords󰀁Grotto,geologicaldisease,pseudostaticevaluation,themostdangerousdirection

1󰀁引󰀁󰀁言

灵泉寺石窟位于河南省安阳市西南30余公里的太行山余脉,素有󰀂河朔第一古刹 之称。规模壮观的摩崖石刻群,为研究提供了珍贵的史料。为了保护这些珍贵的文物,作者通过详细的工程地质研究,对地质病害进行了分析。

地震作用是石窟区发生滑动或崩塌的主要诱发因素。考虑到石窟是长久保护的对象,有必要对当前石窟所在边坡的变形规律和不稳定变形产生的原因以及发展规律作出分析,以预测边坡在未来地震作用下产生的变形,为石窟整治提出明确、有效的参考意见。

区内新构造运动强烈。新华夏系的挽近活动可能

是本区地震频繁的原因!。根据有记载的资料,发生于本区最为强烈的1830年磁县大地震,对石窟区的影响烈度可达∀度。有迹象表明:石窟区受到地震作用影响,地震力触发了立壁岩体发生位移。大住圣窟洞脸(窟门走向95#)东侧岩壁,沿层面往临空方向位移,形成3处反坡台坎(图1),由上至下凸处位移量分别为20~30cm,10~20cm和5~10cm,构成危岩体。洞脸西侧岩壁也有类似现象形成。这种现象与水平地震力的作用有关。因此,防治石窟地质病害必须考虑地震影响。

2.2󰀁石窟岩体工程地质特征

石窟赋存的O1z碳酸盐类岩体,其岩性有结晶灰岩、花斑状结晶灰岩和大理岩,系较纯的石灰岩。大理岩是O1z灰岩受岩浆侵入的热力作用变质形成。

石窟区岩层产状85#~115#(NW~NE)∃6#~8#,为

收稿日期:1999󰀁03󰀁20。

!邯郸市幅区域地质河北省地质局调查报告(地质部分),1974。

2󰀁石窟赋存地质环境及工程地质分析

2.1󰀁窟区环境地质条件

窟区广泛分布下古生界奥陶系下统中马家沟组(O1z)的碳酸盐岩类,并有燕山期闪长岩体呈岩株状浸入其间。

第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁何󰀁燕等:关于河南灵泉寺石窟地质病害及整治方法的研究

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淀物覆盖壁面。无次生硫酸盐的腐蚀作用产生。裂隙渗水主要位于层面裂隙和溶沟、溶槽处。

(2)风化病害以物理风化为主,主要表现为裂隙状风化形式。导致石质文物材料强度的降低和完整性下降,对文物的保存很不利。3.3󰀁地质病害原因分析

(1)岩体内部作用因素󰀁%级构造结构面和层面有利于上述地质病害的产生和发展。方解石是石窟赋存的石灰岩最主要的矿物成分,溶蚀作用强。水中的CO2由外界得到补给,可不断地溶蚀岩体。岩体中的各种软弱结构面组成网络为地下渗流溶蚀提供了通道,也利于大气、雨水等风化营力侵入岩体内部。岩性和岩体结构是病害产生的物质基础。

图1󰀁大住圣窟窟门东侧立壁的块体位移

形成的3个反坡台坝

Fig.1󰀁Threeadverseslopelevelsresultingfromthe

displacementoftherockmasssurrounding

theeastwallofDazhuGrottogate

(2)外部环境因素󰀁石窟区附近曾发生过多次中强和强地震。这种低概率的随机事件一旦发生,往往使斜坡突遭变形破坏。因此,地震对石窟病害的影响不容忽视。地震波对石刻立壁的作用,主要表现为对卸荷带岩体的块体扭动错位和崩落。受自然地理因素的制约,其他外部环境对石窟区的影响较小。

缓倾向山体内部的逆向平叠坡,坡体总体稳定性尚好。根据谷德振教授(1979)对结构面的分级,岩体中发育的陡倾构造节理均属%级结构面。这些结构面的拉裂、张开,控制了石窟岩体的稳定,是主要的地质病害。

4󰀁石窟岩体稳定性分析

以下讨论如何用解析法分析立壁倾倒破坏和用有限元法分析石窟所在边坡稳定性等问题,以便为整治提供建议。

4.1󰀁倾倒破坏的解析法分析

倾倒破坏按变形体边界条件可建立不同的地质模

型分别进行稳定性验算。

模型&:变形体受三组结构面切割,已与母岩全部分离(图2a)。采用刚性体转动力矩公式计算稳定性系数K:

1LW2K=

1HT+1HP230w

(1)

3󰀁石窟环境地质病害分析

据调查,石窟的环境地质病害主要有立壁岩体失

稳破坏;渗水溶蚀和风化病害。此外,还有人为残损。为进行整治,有必要从破坏机理出发,对病害方式作进一步分类。

3.1󰀁立壁岩体失稳病害分类

立壁岩体失稳是窟区最主要的一类环境地质病害。失稳的主要形式有如下三种:

(1)倾倒破坏󰀁位于立壁岩体上的陡倾节理,一组与坡面平行,另一组与之正交,它们与层面裂隙一起,将岩体切割成似立方体形的分离块体。块体失稳时以分离体底部某一点(如图(2)a点)为支点,发生转动性倾倒。

(2)卸荷拉裂󰀁在洞窟围岩和塔龛部位皆出现。大留圣窟因位于崖畔卸荷带,岩体破碎,雕刻品系制成后由外搬入。

(3)块体错位以大住圣窟窟口两侧的立壁最为典型。其特征为:被陡倾构造节理切割的块体,沿层理面发生扭转错位并形成反坡台坎。这种现象,与石窟区在历史上多次遭受较强的水平地震力作用有关。3.2󰀁其它病害

(1)渗水和溶蚀病害󰀁大住圣窟渗水导致窟顶、北壁和东、西壁内侧形成面积较大的湿润区,碳酸盐沉[1]

式中󰀁W,L,H分别为潜在崩塌体重量、宽度和高度;T为水平地震力;Pw为孔隙水压力;H0为孔隙水压力作用强度。

编号为K75和K76两塔龛所在的潜在崩塌体长

1.5m,宽1.2m,高1.5m。按照1980年中国地震烈度表,地震烈度为∀度时,质点振动的最大水平加速度amax=353cm/s2。由式(1)得到K为2.22。即在∀度地震力作用下立壁不会发生倾倒。考虑到立壁陡峻,而引起地表震害局部变化的主要因素之一是场地局部的地形地貌条件,计算结果表明不很安全。文物需永久保存,在立壁稳定性验算中一定要计入强震这一低58

概率事件的作用,故应作加固治理。

岩󰀁󰀁土󰀁󰀁力󰀁󰀁学󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2000年

er󰀁Prager屈服准则。

模型∋:变形体后缘已被陡倾结构面或拉裂缝切割贯通,但底部岩龛尚未完全使变形体与母岩分离如图2(b)。此时变形体是否会失稳,取决于BC面上所承受的拉应力能否超过该面的容许抗拉强度。可用B点处的拉应力与岩石容许抗拉强度的比值进行稳定性验算。

图3󰀁计算剖面简化地质模型和离散单元Fig.3󰀁SimplifiedgeologicalmodelandDEM

meshforcalculationprofile

(2)计算参数选取󰀁岩石的物理力学参数借助水

(a)模型&󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁(b)模型∋

工建筑中岩石力学的经验数据。为判定选取的参数是否合理,利用FEMA.FOR程序作多次反演,以大住圣窟东侧岩壁在遭受过多次地震作用后的实测位移5~25cm作为反演的目标值。最终选定的岩石物理力学参数指标见表1。

表1󰀁岩石物理力学指标

Table1󰀁Physicalmechanicalparametersoftherockmass

弹性

岩性大理岩

模量MPa

泊松比

初始

初始

残余

残余

󰀁

单轴抗拉󰀁强度󰀁MPa0.400.20

粘结力摩擦角粘结力摩擦角容重MPa(#)MPa(#)kN/m30.2530.243

3231

0.0250.024

2221

27.327.5

[2]

图2󰀁倾倒破坏计算模型&、∋

Fig.2󰀁Calculationmodel&,∋fortopplingfailure

以西5区塔龛所在立壁(高1.5m,厚1.0m)为例。该立壁底部岩龛深0.3~1.0m不等。显然岩龛深度(0.5m时,C点不会产生拉应力。岩龛深0.75m时,在自重作用下变形体处于临界状态。当有水平地震力和侧向水压力等触发因素作用时,其稳定性系数还要下降。

模型):危岩体抗地震倾覆验算。地震是产生危岩体倾倒的重要原因,为长期保护石窟,有必要对之进行危岩体抗地震倾倒分析。大住圣窟洞脸东侧3个反步台坎如图2(a)分别可能以某转点发生转动。当潜在崩塌体在水平地震力作用下的抗倾覆稳定性系数K=1时,块体发生的位移达到极限,称为位移极限值。对3个块体分别验算(实测潜在崩塌体长2.4m、顶部宽1.4m、密度2.70t/m)的结果表明,上块体崩落有利于下块体的稳定。当单一的各台坎处于极限平衡状态时,其位移极限值以下块体为小(0.39m)。4.2󰀁边坡稳定性的有限元分析

对当前边坡变形的有限元分析是正确认识边坡稳定性状态,分析变形机理,从而确定治理目标及措施,控制边坡变形的必要手段。有限元法分析步骤如下。(1)模型建立󰀁在现有条件下采取经验与理论方法相结合的手段,根据地质资料,建立简化的边坡结构模型,如图3所示,主要考虑大理岩、结晶灰岩两种岩性材料。沿层面离散,共401个单元。模型中,边坡的底部取为固定铰链联结;内侧壁边界不考虑其水平位移。计算中,各单元借助于拟静力法考虑地震作用,不考虑地下水渗流、地应力的影响。采用弹塑性Druck󰀁3

100000.25

结晶灰岩80000.25

(3)边坡稳定性校核󰀁采用基于应力分析校核岩体单元的局部稳定性方法。单元安全系数(Fs)的计算式

[3]

如下:

Fs=

3c+I1∗tan󰀁(9+12tan󰀁∗J2)

2(2)

式中I1为应力张量第一不变量,J2为应力偏量第二不变量。

计算得到各单元(包括发生倾倒破坏的立壁所属

的单元)安全系数均大于1,说明边坡处于稳定状态。这与解析法分析立壁倾倒破坏结构相同。但由于石窟需较大的安全储备,稳定性计算中一定要考虑强震作用下使逐渐累加的位移可能会超过其允许位移值而发生破坏的情况。

(4)地震力危险方向的确定󰀁拟静力法往往可导致对边坡稳定性的过高估计,因此必须考虑地震力偏角的影响[4]。以大住圣窟为例,取地震系数Kc=0.360(相当于地震烈度∀),作用方向󰀂(指地震力入射方向与X轴正向夹角,以逆时针为正)由0#至360#变

第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁何󰀁燕等:关于河南灵泉寺石窟地质病害及整治方法的研究

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化,计算结果显示出:相对的最危险地震力作用方向大约在270#,范围为225#~315#。

(5)边坡稳定性预测󰀁由地震危险性分析+得到的50年不同超越概率P的基岩水平峰值加速度37.9Gal、113.6Gal和223.0Gal相对应的地震系数Ka分别为0.0387、0.116和0.228。鉴于石窟是永久保存的对象,须从地震力最危险作用方向上预测未来可能遭受到强震作用的石窟的稳定性,以保证石窟有足够的安全储备。预测结果表明:安全系数的分布受地震作用影响微弱。相同部位的安全系数将随超越概率的减小而减小。

的特点和边坡岩体本身所固有的动力特性。

(4)由于灵泉寺石窟及所在边坡的工程地质研究、地质病害分析及整治研究涉及面很广,而各种因素又都是互相联系着的,是一个复杂系统。因此为了取得良好的整治效果,建议从工程地质力学综合集成理论(EGMS)出发[7],进一步考察理论分析结果、专家群体经验,并考虑整治施工中的监测问题,以便在整治过程中实现监控设计[8]。

6󰀁结束语

灵泉寺石窟是宝贵的人类文化遗产,立壁岩体失稳破坏、渗水溶蚀和风化病害等各种病害已严重威胁到艺术珍品的保存,保护工作迫眉睫!其整治应贯彻综合治理方针。

致谢󰀁本文是在杨志法教授、王建锋副教授指导下完成的,在此谨致谢意!

5󰀁关于防治石刻病害建议

石刻病害已严重危害了石刻艺术品的保存,应对其进行加固处理。

(1)针对立壁岩体各类结构面发育的特点和变形破坏的形式,采用不同的加固措施。立壁底部存在软

弱夹层,因风化剥蚀而形成岩龛,可采用浆砌片石或混凝土嵌补。将危岩与完整的母岩用锚杆连结以防止其崩落。立壁上较宽大缝隙,可用固结灌浆加固,并与其他处理措施配合使用。可用撬棍将危石清除,严禁爆破。

(2)建议对渗水溶蚀和风化病害适当采取防治措施。可选用的处理措施有:采用渗入性能较好的化学浆液压力灌注,以封堵渗水裂隙,修建地表排水系统和遮阳廊等。

(3)地震是瞬即性动态过程,涉及震动方向(朝向滑体、背向滑体和横向滑体)、震动次数即前震、主震、余震效应及震级或加速度值。如何考虑多次震动效应是一难点[5]。在强震过程中,岩体都会产生并残余一定的位移。岩体的瞬时失稳只会产生有限的滑动位移,而并不意味着岩体最终失去稳定。因此,常规的以安全系数为准进行强度分析与设计的方法并不是唯一可行的方法,甚至不是较好的方法,而岩体的地震滑动位移则可能成为分析与设计的较好的参量[6]。因此,建议对灵泉寺石窟所在边坡作进一步研究。在分析地震力作用下边坡岩体的稳定性时,应注意地震力

参󰀁考󰀁文󰀁献

1󰀁胡厚田.崩塌与落石[M].北京:中国铁道出版社,1989.58

~70.

2󰀁黄运飞,冯󰀁静.计算工程地质学(理论∗程序∗实例)[M].兵器出版社,1992.170~184.

3󰀁刘汉东.小山水电站厂房高边坡岩体稳定性研究.工程地

质学报,1997,5(3):218~223.

4󰀁王建锋.斜坡稳定性随机模拟技术研究:[博士学位论文][D].武汉:中国地质大学,1997.51~52.

5󰀁崔政权.岸坡的变形、失稳预测思路(特邀报告)[A].见:第

四届全国青年工程地质大会论文集,工程地质,,,面向21世纪[C].武汉:中国地质大学出版社,1997.595~601.6󰀁薛守义,王思敬.块状岩体边坡地震滑动位移分析[J].工程地质学报,1997,5(2):131~136.

7󰀁杨志法.系统科学在工程地质力学中的应用[A].见:中国科学院研究工程地质力学开放研究实验室,1992年年报.北京:地震出版社,1993.127~136.

8󰀁杨志法,柯天河,王常敏等.五强溪水电站左岸船闸边坡开

挖监控设计的理论与实践[J].工程地质学报,1995,3(2):1~11.

+河南省地震学会.林川市银行综合楼工程场地地震安全评价工作报告.1996.