慶陽北石窟寺瀕危巖體變形特征分析

馬雪雅, 張理想, 陳銀橋, 張景科,2, 鄒紅宇, 谷留楊

(1. 蘭州大學土木工程與力學學院, 甘肅 蘭州 730000;2. 蘭州大學西部災害與環境力學教育部重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

石窟寺是我國體系最為完整、內容最豐富、真實性和完整性保存最好的文物類型之一[1]。石窟寺一般開鑿于直立崖體之上,洞窟的開鑿,破壞了巖體內原有的應力平衡狀態,產生應力重分布現象[2],加上外界環境因素影響,巖體常常沿臨空面產生各類裂隙,使巖土體的完整性受到破壞,發育大量瀕危巖體[1]。從危巖失穩的力學機理出發,陳洪凱等[3]將危巖失穩模式分為墜落式、滑塌式和傾倒式,危巖體失穩引起落石頻發,對石窟寺區域地質體、賦存崖體、洞窟穩定及游客安全產生嚴重威脅。近年來石窟寺危巖搶險加固工程有序開展,但有關石窟瀕危巖體變形特征的研究尚未深入,對石窟瀕危巖體的變形監測亟需推進。

巖體變形是一個長期且緩慢的過程,現場監測技術通過直接獲取巖體實時變形數據來分析巖體周期內的整體變化規律和變形特征是研究巖體變形的有效手段之一。目前關于滑坡、大型壩體變形特征的研究已取得一定進展。彭紹才等[4]基于監測資料,分析了烏東德水電站邊坡施工期巖體變形、錨桿應力、錨索錨固力等變化特征,探究邊坡在不同時期向外產生形變的主要因素。夏開宗等[5]選取了程潮鐵礦西區長期的地表水平位移、沉降位移和深部巖體變形監測成果,對不同水平下的巖體變形規律進行了研究。在石質文物巖體變形特征研究中,李金龍[6]對金塔寺石窟進行數值模擬,從石窟及賦存崖體的應力場和位移場結果分析崖體的力學響應特性。陶志剛等[7]通過頂板壓力監測、光柵監測頂板變形和全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)監測等方法進行圓覺洞頂板變形穩定性評價。孟志剛等[8]在對圓覺洞頂板的剝蝕速率監測中得到位移曲線隨溫度變化的規律。Bagde[9]應用了落石危害評級系統(Rockfall Hazard Rating System,RHRS)和其他經驗方法對印度阿旃陀石窟的巖體特征進行了研究,并對斜坡表面和石窟周圍的危巖體進行風險評估。Mineo等[10]利用無人機測量和地面地質調查研究崖體的落石情況,并通過落石模擬確定了崖體下方文化遺產的保護措施。

我國的文化遺產監測在整體上適應預防性保護與搶救性保護相結合的發展趨勢[11],多個文化遺產的綜合監測體系基本建設完成,龍門石窟和莫高窟的監測內容主要包括文物本體病害監測、區域環境監測和游客監測等[12-13]。巖體變形監測已被成熟地運用到滑坡及大型壩體變形中,有關石質文物穩定性的研究也取得一定進展,但目前利用變形監測對石窟巖體特征的分析還不夠全面,大多研究往往僅針對區域變形、崖體變形或危巖體發育中的單一尺度展開,從多尺度出發的研究較少。

本研究以甘肅慶陽北石窟寺為例,在調查北石窟寺賦存環境的基礎上,采用GNSS實時變形監測、測縫計監測以及非接觸式裂隙監測等方法,對北石窟寺分布區域地質體、石窟賦存崖體和洞窟關鍵塊體的變形特征進行分析。探究了三個尺度變形特征間的協同性,同時設置了綜合氣象站和三向振動監測,探尋降雨量、溫度和三向振動與北石窟寺瀕危巖體變形特征之間的相關性,為后續的北石窟寺穩定性評估奠定基礎。

1 北石窟寺概況

1.1 地理位置及保存現狀

慶陽北石窟寺是甘肅隴東地區規模最大的石窟群之一,開窟時代早,內容豐富,位于慶陽市西峰區西南25 km的覆鐘山下,蒲、茹二河交匯的東岸二級階地處[14](圖1)。

圖1 北石窟寺地理位置Fig.1 Location of the North Grotto Temple

石窟集中雕刻在覆鐘山下高20 m、長120 m的巖石崖體上。自北魏永平二年(公元509)建成以來,經過西魏、北周、隋、唐和宋代擴建增修,現存窟龕296個,大小雕像2 126尊,宋、明、清碑7座,陰刻題記和墨書題記150余方,壁畫殘跡96.7 m2,具有極高的歷史價值、藝術價值、文化價值、科學價值和社會價值[15]。

1.2 地質構造及地層巖性

北石窟寺崖體內主要發育兩種裂隙,一是平行于崖體臨空面的卸荷裂隙,在自重作用下大量發育于崖壁后方,穿洞窟而過,切割塑像、壁畫等文物本體;二是垂直于崖面的構造應力作用形成的構造裂隙[18]。此外,不同的砂巖沉積層間的薄弱面差異性風化,層理面廣泛分布在北石窟寺的各層洞窟和造像上,與裂隙相互切割,嚴重破壞巖體完整性。

圖2 北石窟寺地層巖性剖面圖[16]Fig.2 Stratigraphic lithology section of the North Grotto Temple[16]

1.3 工程地質概況

據《慶陽縣志》記載,“地震使遍地成浸,陵谷變遷,河道壅塞,死亡枕藉,城垣、衙署、學校、民房皆成破壁殘垣[17]”。1920年海原8.5級強烈地震后,覆鐘山崖體滑坡,巖石坍塌堆積寺院,部分洞窟被碎石和黃土所掩埋[18]。經現場調查,北石窟寺分布區域地質體上部存在一黃土滑坡體,滑坡開口西南方向,高差約58 m,寬約104 m,坡度介于41°～45°。潛在滑坡下方基巖為白堊系砂巖,上覆第四紀黃土層厚度變化范圍大,在 5～70 m 之間不等。在環境因素的長期影響下,該滑坡體可能會對石窟穩定產生威脅,易發生一系列區域穩定性問題。

北石窟寺白堊系砂巖泥質膠結、巖質較疏松,主要結構面為軟弱夾層、層理面和節理裂隙。構造裂隙組主要有8組(圖3),張開度均大于10 cm,垂直切割巖壁,大多從地面貫穿至崖頂。受降雨和地下水滲流的影響,易產生洞窟滲水和巖體失穩病害[19],目前大多裂隙已被水泥砂漿或磚石填充加固。縱向發育的構造裂隙與橫向密布的軟弱夾層相互切割,形成多處危巖,對窟區穩定性造成威脅,直接危害部分洞窟安全。卸荷裂隙組將大塊的巖體與母體分離,形成危巖體,是巖體大范圍滑落、崩塌的側界。

圖3 構造裂隙分布位置Fig.3 Location of tectonic fissures

經調查,32窟內中央立柱東壁有一瀕危的龕楣(圖4),已出現巖體脫落現象,煙熏病害嚴重。上方淺表性裂隙基于層理橫向延伸,將龕楣切割成多個關鍵塊體,周圍巖體破碎,該龕楣有墜落風險。

圖4 洞窟關鍵塊體Fig.4 Key block in cave 32

2 巖體變形監測方案

2.1 設計原則

針對北石窟寺現場實際情況,本次北石窟寺巖體變形監測方案的設計遵循以下原則:(1)不改變文物原狀;(2)科學性和實用性相結合;(3)針對性和可靠性相結合。針對區域地質體范圍大、監測環境復雜的問題,采用GNSS技術,對地質體地表位移進行持續實時監測。針對石窟賦存崖體裂隙發育、風化剝蝕等工程地質問題,采用測縫計監測崖體內構造裂隙的變形特征。針對洞窟內關鍵塊體欠穩定問題,采用基于圖像的非接觸式裂隙監測技術對窟內淺表性裂隙進行實時對比監測。

2.2 監測內容及布設位置

分別在滑坡中部基巖出露部位和主滑體上部(圖5)安裝1套GNSS變形監測設備,對地質體變形進行長期連續監測并對比分析上部黃土層和中部基巖的變形差異,設備已于2020年10月進行了現場安裝和調試。

崖體內多條裂隙縱向分布(圖3),分別在裂隙GZ1、GZ2、GZ3底部和GZ2中部安裝一臺測縫計(圖5),連續監測裂隙變形,并結合溫濕度變化分析其變形規律。測縫計于2021年8月份安裝調試完畢。

32窟內關鍵塊體位于中央立柱東壁龕楣上方,采用基于數字圖像的非接觸式裂隙監測技術對其進行變形監測,實現無損、高精度、實時數據采集,布設物距40 cm,數據記錄自2021年2月開始,于2021年6月趨于穩定。

此外,2020年10月在北石窟寺設置了綜合氣象站、三向振動監測(表1),以探究環境因素與巖體變形特征之間的相關性,提高監測系統的完整性。

表1 巖體變形監測內容及布設位置

3 巖體變形監測結果分析

3.1 北石窟寺分布區域地質體變形特征

(1) 北石窟寺分布區域地表位移變化分析

整體來看,潛在滑坡主滑體上部(BSK01)位移呈突發性變化,突變前后位移波動平緩[圖6(a)],中部隆起基巖出露部位(BSK02)位移則遵循先緩慢增長后變形逐漸恢復的規律,最后一次監測偏移量在±1 mm以內[圖6(b)]。X、Y、Z三個監測方向分別對應東(+)西(-)向、南(-)北(+)向和垂直向的位移,即垂直于石窟寺賦存崖體方向、沿石窟分布方向和垂直地面的方向。

圖6 區域地質體位移量與環境因素對比 (2021-01-01—12-31)Fig.6 Comparison between regional geological body displacement and environmental factors (2021-01-01—12-31)

監測周期內,BSK01在X正方向偏移15.1 mm,Y正方向偏移5.8 mm,垂直方向上產生10.1 mm的沉降,總體表現為東北向沉降,與滑坡體順斜坡滑動趨勢相反。BSK02偏移量在8月份達到最大值,其中X、Y向偏移近8 mm,后逐漸恢復至0 mm附近波動,Z方向波動范圍大但整體偏移量變化較小。BSK02的變形集中在高溫季節,符合巖體熱脹冷縮效應。BSK01安裝于地質體表面黃土層上,BSK02布設在基巖出露部位,兩測點直線距離約31 m,巖性和監測環境不同,監測結果存在差異。

目前主流的GNSS滑坡監測技術為采用實時動態(Real-time kinematic,RTK)載波相位差分技術進行單歷元實時解算,滑坡監測結果容易受到觀測噪聲和粗差的影響[20]。遮擋干擾嚴重的復雜場景會直接影響到GNSS的定位精度。BSK01附近植被樹木較多,全球定位系統(Global Positioning System,GPS)信號易被遮擋,相應的監測結果易受影響。

(2) 三向振動、環境因素與地質體變形相關性分析

經分析,北石窟寺南側100 m車輛經過產生的振動對石窟寺所在區域地質體的變形特征影響不大,但區域地質體變形與降雨有高度相關性。

圖6中,三向振動的主要監測內容為車輛經過時北石窟寺的加速度響應,監測周期內最大振動加速度為0.011 8 m/s2,小于地震烈度Ⅰ度下的振動加速度0.018 m/s2[21],且地質體位移不隨振動加速度變化而變化。北石窟寺巖體變形與振動因素的相關性不大,但仍需考慮車輛振動的長期累積影響。

2021年北石窟寺的累計降雨量為866.1 mm,主要分布在8—10月份。大部分降雨集中時段對應偏移量有不同程度的增加,在降雨較少的11、12月位移波動較為平緩。圖6(a)顯示10月2日至10月7日BSK01產生了較大偏移,同時BSK02偏移量逐漸回到0 mm附近。經查詢,突變前3日內最大風力為3級,最大溫差為16.3 ℃,且無地震記錄。突變前10日內累計降雨量為92.7 mm,占全年降雨量的10.7%,其中10月3日到10月5日連續日降雨量超過25 mm。由此判斷,地質體表面黃土層變形與連續降雨高度相關。

滑坡體的形成與發展,除了受坡體自身性質、地質構造和地形地貌特征影響外,降雨是一個重要的誘發因素[22],降雨過程中,土體含水率增加,基質吸力和土顆粒間有效應力降低,導致土體抗剪強度降低[23],BKS01監測點在儀器自重和降雨入滲的作用下產生沉降變形。由于滑坡體物質結構和滲透性不同,滑坡變形對不同強度和時長的降雨響應存在不同的滯后時間[24]。在年降雨基本保持穩定的前提下,北石窟寺分布區域地質體上覆黃土層在降雨集中時段發生形變的可能性較大。

3.2 石窟賦存崖體變形特征

(1) 崖體裂隙寬度變化分析

由圖7可知,自2021年8月至12月,崖體內裂隙GZ1、GZ2的寬度逐漸增大,變形量呈波動式上升。裂隙GZ3變形緩慢,監測周期內最大變形量為0.17 mm。3條裂隙的變形量日變化規律高度一致(圖9),每24 h隨溫度變化反復波動,每日最大波動為0.43 mm。

圖7 構造裂隙(GZ1,GZ2,GZ3)變形量年變化(2021-08-22—12-31)Fig.7 Annual variation in deformation of fissures (GZ1,GZ2, and GZ3) (2021-08-22—12-31)

圖8 裂隙GZ1、GZ2、GZ3變形量月變化Fig.8 Monthly variation in deformation of fissures GZ1,GZ2, and GZ3

圖9 裂隙GZ1、GZ2、GZ3變形量日變化Fig.9 Daily variation in deformation of fissures GZ1, GZ2, and GZ3

在裂隙GZ2中,8—10月裂隙中部和底部的寬度變化基本一致,但11月開始逐漸產生接近0.5 mm的變形差距,且差距緩慢增大[圖8(b)],說明在相同環境下,隨著溫度降低,裂隙GZ2中段未填充部位變形速率大于底部。

(2) 溫度與崖體變形相關性分析

延長監測周期至次年3月,能直觀地看出裂隙變形與環境溫度之間有強烈的負相關性。如圖10(a)～10(c)所示,裂隙的變形量在1—2月達到最大,后隨溫度上升逐漸下降。變形量與對應溫度線性擬合后的擬合優度R2分別為0.961 5、0.978 8、0.944 7[圖10(d)～10(f)],可見兩者呈高度負相關。3條裂隙底部寬度日平均增長率分別為0.001 2 mm/d、0.002 0 mm/d、0.000 3 mm/d,變形快慢與變形量-溫度間相關性強弱相對應,結合裂隙變形量在溫度回升后緩慢下降的變化規律,判斷崖體裂隙無進一步的張開或縮小趨勢。

圖10 裂隙變形量與溫度變化曲線及裂隙變形量與溫度關系曲線Fig.10 Crack deformation and temperature change curve (a.GZ1,b.GZ2-1,c.GZ3) and relationship between crack deformation and temperature (d.GZ1,e.GZ2-1,f.GZ3)

長期以來,關于溫度變化使巖體位移產生偏差原因的探究主要集中在溫差引起的巖石縮脹效應以及溫差對位移傳感器的影響。巖體在地形、地貌、結構、風化程度等多種條件控制下,各部分發生變溫時將引起熱脹冷縮的變形[25],1 ℃的溫度梯度,巖體內可產生0.4～0.5 MPa的地應力變化,巖土體表面溫差會引起巖石表面產生脹縮變形[26]。另一方面,陶志剛等[7]通過圓覺洞頂板應力監測和室內溫度補償試驗,得到巖體呈現夏季變形增大,冬季變形恢復的主要原因是監測儀器受長期溫度變化的影響不能自動糾正溫度變化從而引起的位移偏差。

3.3 洞窟關鍵塊體變形特征

(1) 32窟內淺表性裂隙變形分析

32窟內沿層理發育淺表性裂隙變形量在0 mm附近±2 mm范圍內持續波動,無擴張或閉合趨勢。

監測初期,裂隙變形集中在2月份,且變形量在±0.5 mm以內。4月下旬到5月數據中斷前,變形量增大至3.86 mm,恢復記錄后數據在±1.82 mm內均勻波動(圖11)。窟內關鍵塊體變形監測精度為0.01 mm,在精確捕捉裂隙變形的同時易受人為和環境擾動。裂隙位于中央立柱東壁龕楣上,與其他裂隙相互交錯切割巖體,在佛龕上方形成墜落型危巖。目前來看,裂隙寬度的小范圍波動屬可恢復變形,說明該危巖在當前狀態下發生墜落的可能性較小。

圖11 32窟內淺表性裂隙變形量年變化 (2021-01-01—12-31)Fig.11 Annual variation in deformation of superficial fissure in cave 32 (2021-01-01—12-31)

(2) 環境因素與洞窟關鍵塊體變形相關性分析

圖12顯示,淺表性裂隙變形與溫度有一定相關性?？邇热諟剡_到最高時,對應裂隙張開度為當日最小值,相反,日溫最低時,張開度最大。此外,溫濕度以及變形量在11月6日同時下降,下降后裂隙變形量整體減小。

3.4 跨尺度巖體變形協同性分析

目前三個尺度巖體變形量均在小范圍內變化,相互之間影響較小,三者之間無協同性(圖13)。

圖13 三個尺度變形量對比圖Fig.13 Comparison between deformations at three scales

基于現有資料初步分析,各尺度巖體變形特征間的差異與監測環境、變形方向和監測精度等因素有關。北石窟寺分布區域地質體表面被黃土覆蓋,松軟易失陷,且監測點附近有植被分布,監測結果易受復雜環境因素影響。GNSS定位精度可達毫米級,監測X、Y、Z三個方向的位移,只有當實時監測精度小于滑坡變形時,才能及時監測出滑坡變形。北石窟寺賦存崖體為砂巖崖體,密度較小,抗壓強度較低[26],且崖面風化非常嚴重。構造裂隙在崖體上縱向分布,寬度在南北方向變化,測縫計實時監測裂隙0.001 mm的變形。32窟內環境溫濕度變化整體小于窟外,且窟內受人為因素影響較大,裂隙監測精度為0.04 mm,寬度豎直方向上發生變化。三尺度巖體變形的主要影響因素各不相同,探究其協同性時需多種因素綜合考慮。

基于對北石窟寺三個尺度巖體變形特征的分析,在石窟穩定性評估工作中,三個不同尺度的巖體變形監測數據可為潛在滑坡、石窟賦存崖體以及洞窟關鍵塊體穩定狀態的定性判斷提供基礎數據,為失穩閾值的確定提供參考。在變形預測分析工作中,可為后期變形預測模型的選擇提供依據,長期監測數據可進一步驗證數值模擬分析的準確性。

4 結論

本文采用了多種監測技術,通過一年的數據采集,對慶陽北石窟寺瀕危巖體變形特征進行研究,得到如下結論:

(1) 地質體潛在滑坡上部黃土層位移呈現突發性變化,總體表現為連續降雨后產生與潛在滑動趨勢相反的沉降,沉降前后位移波動平緩,中部隆起基巖出露部位位移呈現先緩慢增長后變形逐漸恢復的規律,符合巖體熱脹冷縮效應。

(2) 石窟賦存崖體內構造裂隙變形與溫度變化高度負相關,且每日變形隨溫度變化反復波動,1—2月變形量達到全年最大。在相同環境下,隨著溫度降低,裂隙GZ2中部變形速率大于底部。

(3) 32窟內淺表性裂隙變形量在0 mm附近±2 mm范圍內持續波動,無進一步擴張或閉合趨勢。裂隙變形量的波動受溫濕度影響,且窟內砂巖巖性脆弱,易受人為擾動。

(4) 目前三個尺度的巖體變形在相互之間影響較小,無協同性。下一步建議基于精度、變形方向等多種因素的考慮對不同尺度的協同性進行深入探究。此外,對于受溫度或降雨影響較大的部分,后期延長監測周期后可考慮進行溫度補償校正和降雨集中時段持續對比分析。

致謝：感謝中國文化遺產研究院劉建輝、陳衛昌老師及蘭州大學劉小偉、和法國、原鵬博老師在現場研究工作中提供的幫助和指導。