考慮降雨入滲的良渚古城老虎嶺遺址邊坡穩定性分析

董 梅，郭青嶺，孔夢悅，楊 鑫，呂亞歌

（1.浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058；2.杭州良渚古城遺址世界遺產監測管理中心，浙江 杭州 311113）

0 引 言

在我國漫長的歷史演變過程中，祖先給我們留下了大量的文化遺產，土遺址是其中重要的一部分[1]。與石質建筑和木結構建筑相比，土遺址在質地上有著致命的弱點，因為土遺址的建造材料是生土、夯土、土坯、剁泥等，已發掘的土遺址長期暴露在自然環境中極易遭受風、雨、溫度變化、地下水、圍巖、可溶鹽等的侵蝕破壞[2,3]，出現如收縮開裂、膨脹崩解、裂隙、粉化、泛堿、霉變、雨蝕等[4-7]各種損害。良渚古城遺址（位于浙江省杭州市余杭區，距今5 300—4 300年）處于南方潮濕地區，遺址長期處于高含水和干濕交替狀態，賦存環境非常惡劣，遭受多種環境地質病害，病害發生的過程和影響因素極為復雜。其中，老虎嶺遺址是良渚古城遺址外圍水利系統的重要組成部分，自發掘以來，遺址土質剖面直接暴露在空氣中，受環境影響較大，出現較多的宏微觀變形現象。

目前，有關潮濕環境土遺址的保護研究主要集中在防水加固材料[8,9]中，其他的研究方向包括病害成因探索[10,11]、潮濕環境概念探索[12]、考古探方保護[13]、土遺址監測技術和數據分析[14,15]等方面，針對土遺址邊坡穩定性的研究較少。非飽和狀態下處于穩定狀態的土質邊坡遇到降雨時由于基質吸力的降低或消失可能導致邊坡的失穩，而潮濕環境土遺址的保護也主要是水的問題[3]。在對老虎嶺遺址的長期監測數據進行分析，以及多次現場調研，發現遺址本體穩定性受地表水徑流和地下水滲流影響較大。因此，本文將考慮老虎嶺遺址的實際降雨數據，開展不同降雨入滲條件下遺址剖面的穩定性數值模擬分析，為土遺址的科學保護提供一定科學依據。

1 研究場地介紹

1.1 遺址概況

良渚古城遺址位于浙江省杭州市余杭區瓶窯鎮，包含了良渚先民建造的城址、外圍水利系統、分等級墓地以及以玉器為代表的出土器物等四類承載了“良渚古城遺址”突出普遍價值的人工遺存要素及其周邊環境，2019年被列入世界文化遺產名錄。

老虎嶺遺址隸屬于良渚遺址中的谷口高壩區，為良渚古城外圍的水利系統的重要構成，位于城址區西北約11 km處，沿東西向分布于山體間的兩座谷口中。2015年，浙江省文物考古研究所對老虎嶺遺址壩體北側早年取土破壞形成的斷面進行了整體刮面，發現在壩體的關鍵位置采用草裹泥堆筑的方式，剖面可見明顯的塊壟狀，清晰地顯示出壩體堆筑的結構和層次；并對其進行了C14年代測定，證實了其修建于 3 100—3 000 BC，連續使用至2 600 BC，屬于良渚文化中期至晚期早段遺存。

老虎嶺遺址剖面整體呈現倒“U”形。根據剖面所處的方位，可以分為3段：東剖面、南剖面、西剖面（圖 1）。東剖面為西南至東北走向，面向西北方位，長約14 m，相對高度2.1～4.1 m；南剖面為東南至西北走向，面向東北方位，長約33 m，相對高度3.2～5.9 m，為主要挖掘剖面；西剖面為南至北走向，面向東方位，長約18.7 m，相對高度2.9～4.1 m。遺址壁面整體較為陡直，壁面傾角55°～70°，土體承受的下滑力較大。尤其是剖面中部偏東區域下部土體流失，造成斜坡下部內凹變形，中部外凸。失穩區域最長15 m、最寬2.6 m，面積約29.8 m2，土體外凸約40 cm。對這一區域開展的邊坡穩定性分析的結果表明，從整體上看，邊坡尚能維持穩定，但由于邊坡下部的變形破壞和邊坡上部的植被根系、滲水破壞等的影響，邊坡表面的抗剪能力已被大幅削弱，坡口土體在強降雨條件下或長時間降雨條件下可能出現淺層滑坡。

圖1 老虎嶺遺址剖面示意圖Fig.1 Overview of the section of Laohuling site

1.2 水文及地質條件

良渚古城遺址位于長江下游的環太湖地區南部，地處浙西丘陵山地（天目山余脈）與杭嘉湖平原的過渡地帶，平原地區海拔一般為3～5 m，低山丘陵崗地海拔多為 20～50 m，地勢總體呈現西北高，東南低的趨勢。2020年7月對老虎嶺遺址鉆探取樣發現，遺址本體主要由粉質黏土組成，鉆探至15.2 m發現強風化砂巖（見表1）。

表1 鉆孔巖性記錄表Table 1 Lithological description of borehole

區域地表徑流的補給源主要是降水，故年徑流量的區域分布、年際總量變化、年內分配比例與降雨量情況相似。春秋兩季降雨量大，地表徑流流量較大，水位升高；夏冬兩季降雨量少，地表徑流流量減少，水位降低。降雨量與地表徑流流量隨季節變化較大。遺址所處天目山系是浙江省最大的暴雨中心，余杭區年平均雨量1 150～1 550 mm，年平均水面蒸發量681.5 mm，降水主要集中在5—9月，占年降水量的60%以上。

2 邊坡穩定性計算

2.1 計算原理與方法

非飽和狀態下處于穩定狀態的土質邊坡遇到降雨時由于基質吸力的降低、滲流力的增大導致安全系數逐漸降低，可能導致邊坡的失穩。研究表明應用非飽和土有效應力原理，合理選取參數，同時考慮水的滲流與邊坡內力進行耦合計算，可準確反映降雨過程中邊坡安全系數的變化規律[16-17]，在邊坡穩定性數值模擬軟件中，PLAXIS和 Geo-Studio中都可以實現非飽和土的計算。本文的數值計算在PLAXIS 3D軟件中進行，邊坡穩定性計算耦合了非飽和土滲流計算和安全系數的強度折減有限元計算，采用破裂面貫通作為失穩判據。

在非飽和土滲流計算中，基質吸力是重要影響因素[18]，但基質吸力的測量比較困難，且難以得到較為準確的結果。研究發現，非飽和土的體積含水率、滲透系數和基質吸力都會隨著飽和度而變化，它們之間的關系可用土-水特征曲線和滲透性函數來表達，更有利于在實際工程中的應用[19]。在PLAXIS軟件中內置了Van Genuchten材料模型，可通過輸入室內試驗獲得的土層顆粒級配，得到對應的水-土特征曲線和滲透性函數進行計算。

2.2 計算模型

在PLAXIS 3D中建立如圖2所示的計算模型，分析模型范圍取75 m×30 m×12.5 m（長×寬×高），單元數3 481個，節點數5 924。在模型的底面處施加固定約束，在模型的側面處施加水平約束。數值模型的尺寸參數選取的是圖 1中南剖面的真實尺寸，從現場的三維激光掃描點云數據中獲取。

圖2 數值計算模型Fig.2 Numerical simulation model

2.3 計算參數

根據現場勘察，將工程場地內地層進行概化劃分為三層。邊坡風化基巖上的一層含礫粉黏厚度很小，在數值模型中進行了簡化。計算中的材料模型選用莫爾-庫倫（M-C）強度準則，各層土體參數取值由室內土工試驗確定，詳見表 2。由于風化基巖上土層均為粉質黏土，因此采用同一種顆粒級配曲線進行數值計算，由室內試驗確定，詳見圖 3，其中縱坐標表示小于某粒徑的土的質量百分比，橫坐標表示土的粒徑的對數值。PLAXIS軟件中內置了基于Van Genuchten材料模型，可以輸入土層顆粒級配，得到對應的滲透性函數（圖 4a）和土-水特征曲線（圖4b）。圖4中Kr表示相對滲透系數，Sr表示飽和度，Ψ表示基質吸力水頭。

表2 計算參數Table 2 Mechanical parameters of soil

圖3 老虎嶺遺址粉質黏土顆粒級配曲線Fig.3 Grading curve of the silty clay in Laohuling site

圖4 老虎嶺遺址粉質黏土滲透性函數和土-水特征曲線Fig.4 Permeability function and soil-water characteristic curve of the silty clay in Laohuling site

2.4 分析工況

本文搜集了良渚古城遺址區的降雨歷史數據、2019年全年的監測數據，并進行了統計分析，制定了8種不同工況開展數值模擬分析，見表3。其中天然狀態為降雨入滲前，干燥工況即假定土體無基質吸力，小雨、中雨、大雨、暴雨、“利奇馬”臺風工況均使用了2019年場地的實際降雨監測數據。

表3 分析工況表Table 3 Condition of calculation

2.5 計算結果

在 PLAXIS 3D軟件中開展了降雨入滲前、干燥狀態和降雨入滲后的不同工況條件下邊坡的穩定性數值模擬分析，圖5、6、7分別顯示了不同工況下邊坡基質吸力及邊坡穩定性變化情況。

圖5 不同工況下基質吸力分布Fig.5 Distribution of matric suction of different rainfall conditions

圖6 不同工況下邊坡穩定性數值模擬結果Fig.6 Numerical simulation results of slope stability of different conditions

圖7 不同工況下邊坡穩定性安全系數Fig.7 Safety factor of slope stability of different conditions

2.6 計算結果分析

（1）當邊坡處于天然非飽和狀態（工況1）時，邊坡穩定性系數較高，邊坡穩定。

（2）當邊坡處于干燥狀態（工況8）時，安全系數最低。這是由于計算中的干燥工況假定土體無基質吸力，因此邊坡的安全系數會大幅降低，證明基質吸力對邊坡穩定性影響較大。

（3）降雨入滲會導致該邊坡安全系數減小，降低值處于1.0%～4.7%之間（該變化幅度值基本上處于壩坡抗滑安全系數工程等級降低一個工程等級范圍）。隨著雨水入滲，坡體中土的含水量會自上而下逐漸增加，隨著飽和度的提高，土的基質吸力下降、有效應力減小，強度降低，因此邊坡的安全系數會降低。

（4）各種降雨工況中小雨工況（工況2）下邊坡安全系數降幅最大，為8.7%。這是由于降雨速率和降雨持續時間影響邊坡安全系數降低速率。在小雨工況下，降雨速率慢、時間長，雨水有充足的時間下滲至更深處，淺層滑移面經過處土的強度降幅小。除小雨工況之外的中雨至暴雨、日最大降雨、利奇馬臺風工況下，雨水大部分通過地表徑流流失，少部分雨水入滲，且主要集中在土坡上部，淺層滑移面經過處土的強度降幅大，更容易發生淺層滑坡及雨水接觸沖刷導致土層中顆粒流失。

（5）我國長江中下游地區每年6—7月會有梅雨季節，杭州也不例外，在梅雨季，土遺址會遭遇間隙性中-大-強降雨，是遺址巡查和保護的重點時間段。本文的邊坡穩定性數值模擬依據的是2019年統計的實際雨量數據，計算結果顯示在梅雨季土遺址能夠保持整體穩定性。但對坡腳浸潤面積的觀察顯示，6—9月浸潤面積長期處于高值，長此以往，坡腳土體的力學性質將降低，邊坡整體穩定性也將隨之降低。

3 結 論

（1）非飽和狀態下處于穩定狀態的土質邊坡遇到降雨時由于基質吸力的降低、滲流力的增大導致安全系數逐漸降低，可能導致邊坡的失穩。本文采用了考慮基質吸力影響的邊坡安全系數計算方法對良渚古城老虎嶺遺址發掘剖面開展了邊坡穩定性數值模擬分析。為了使計算結果更能應用于實踐，對研究場地的歷史降雨數據進行了搜集統計，分別設計了8種不同工況進行了計算分析，其中小雨、中雨、大雨、暴雨、“利奇馬”臺風工況均使用了2019年場地的實際降雨監測數據。結果顯示，天然狀態下，邊坡的穩定性系數較高；小雨工況（3.26 mm/d，持續28 d）下伴隨降雨過程邊坡逐漸飽水，安全系數降低幅度較大；干燥狀態下邊坡無基質吸力，安全系數最低。

（2）數值模擬分析結果顯示了邊坡危險滑裂面的具體位置，可作為遺址日常監測管理的重點巡查點位，或者在危險滑裂面處安裝裂縫計等自動監測設備，掌握裂縫進展情況，及時采取處置措施。尤其是在梅雨季和夏季暴雨頻發期，應加強動態管理，關注新增裂縫以及已有裂縫的發展情況。

（3）根據數值模擬分析結果對遺址邊坡的保護工程提出如下建議：保護工程應做好邊坡的排水設施，滿足坡面水尤其是降雨和地下水等的排放要求，形成良好的雨水、用水導引排出措施，避免雨水、地下水沖刷造成滑塌、淤積等不良后果。特別應加強對坡腳的保護，避免雨水、地下水浸泡坡腳，導致強度降低，而引起邊坡失穩。場地有條件時應對整個場地設置永久性排水措施。

致謝：

本文受浙江省文物保護科技項目（2021021）及杭州良渚古城遺址世界遺產監測管理中心資助完成。