长城第一墩崖壁失稳成因分析及治理措施探讨

燕群

摘 要：文化遗产是人类在漫长的发展过程中所保留下来的杰作，它不是一般的资产，也不是一般意义的经济资源，是具有唯一性、不可替代性、不可再生性的特殊资源。其特殊性主要有两点：一是珍稀性，二是易失性。由于自然条件的严酷和文物本身的脆弱性，加之保护资金投入不足，嘉峪关长城遗址开始出现自然损坏的现象，文化遗产的安全性受到一定的威胁，严重影响着嘉峪关文物景区的可持续发展。本文以长城第一墩崖体为例，在调查分析崖体变形特征的基础上，通过分析探讨崖体锚固、河岸防护、地表排水等措施，对第一墩崖体进行综合治理，以达到崖体整体稳定、保护文物安全的目的。

关键词：关键词；长城第一墩；崖壁加固；成因分析；治理措施

1 引言

嘉峪关长城第一墩文物景区位于河西走廊西段、嘉峪关市西南峪泉镇境内，占地面积约3.58平方公里，距闻名中外的嘉峪关关城7.5公里，距嘉峪关市区7公里。

嘉峪关长城第一墩又名“讨赖河墩”和“头墩”，地处第一墩景区的中心，位于嘉峪关关城南翼长城——“明墙”最南端、讨赖河北岸高达56米的悬崖峭壁之上。它是肃州西长城的尽头，又是明代万里长城最西端的第一座墩台。长城第一墩是嘉峪关长城防御体系的重要组成部分，具有重要的古代军事威慑和防御作用，对研究古代军事设施和古代建筑有着重要的价值，为研究中国长城提供了实物资料。

近年来，为保护墩台，在墩北侧修筑了30多米长的仿古城墙，在讨赖河北岸修筑了水流改道河床和拦河坝，并对墩台本体结构进行了补强措施，对墩台表面进行了防风化加固措施，这些措施对第一墩的安全起到了有效的保护作用。同时为有效防止崖壁岩体在自重及外力作用下发生倾倒、崩塌等破坏，对第一墩附近及地下谷扩建场地下方崖壁岩体进行了系统锚固工程，区域崖体的稳定性得到了提高。但第一墩至地下谷间的崖体亦有卸荷開裂，下部河水冲刷，崖体悬空的问题，若不予以治理，长时间作用，可能影响第一墩的安全，破坏第一墩特有的环境地貌。

2 工程地质概况

第一墩所在地区在地貌上位于祁连山山前冲、洪积平原的上部，讨赖河河岸的边缘，由于河水常年冲刷、侵蚀，在场地内形成了相对高差56m，宽170m的“U”字型非岩质大峡谷。

工程区属河西走廊地震带，包括祁连山地震带和民勤地震带。根据历史地震重演原则、构造类比原则和地震地质、地震活动及深部构造指标，采用分区划段方法，判定未来百年内，嘉峪关断层不具备发生八度以上地震的条件。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）附录A规定，嘉峪关市抗震设防烈度为7度。根据工程勘察成果判定，该建筑场地类别为Ⅱ类。由于该场地位于讨赖河河岸的边缘，场地内存在有相对高差56m的非岩质大峡谷，属抗震不利地段。

景区内水系以讨赖河为主体，讨赖河为内陆常年性河流，其流水量随季节的变化而增减，年平均流量为20.6m3/s，遇山洪时，河水猛涨，实测最大洪峰流量1120m3/s。在勘察场地及上游段地形坡降大，河水流速高，冲刷力强，当洪峰出现时，河流对河床两壁具有较强的冲刷。

3 崖体病害特征及成因分析

3.1 崖体的病害特征

由于长城第一墩所处的崖壁陡峭，且崖壁下部有讨赖河流过，在漫长的历史年代中，受各种自然力与人为因素的长期影响，第一墩至地下谷下部的崖壁岩体不断卸荷开裂、风化剥落，稳定性逐渐降低，虽然第一墩正下方及地下谷处崖壁已进行过锚固处理，但第一墩西侧、第一墩至地下谷之间的崖壁尚未进行过任何加固措施，此段崖壁有卸荷崩坍、河水冲刷、淘蚀的现象。

第一墩西侧、第一墩至地下谷之间崖体存在的主要地质病害有以下两类：

3.1.1 裂隙切割岩体造成的崩坍

在崖壁顶部，主要分布有两条延伸较长、贯通张开的卸荷裂隙，其中1#裂隙距崖壁边缘约3.8m，裂隙可见范围为第一墩东侧45～90m，可见长度为45m，裂隙宽度为2～5mm；2#裂隙距崖壁2.0～5.6m，裂隙可见范围为观景台至观景台以西78m，可见长度78m，裂隙宽度为20～800mm。裂隙切割形成危岩体，威胁着长城第一墩及地下谷的稳定，如不对其进行工程加固，将给长城第一墩、游人和相关设施的安全带来极大的安全隐患。

1）A危岩区。A区位于第一墩以西46～84m范围内。该区危岩体沿整个崖面连续分布，呈板状，危岩体主要由厚层砾岩组成，岩质较软弱，微～中风化，表层岩体风化较为严重，常呈鳞片状剥落，存在卸荷裂隙，底部发生坍塌，局部悬空。目前，A区危岩体变形不断加剧，卸荷裂隙不断向后牵引发展，如果任其进一步发展变形，将会不断牵引第一墩下部岩体发生坍塌，严重威胁第一墩的稳定性。

2）B危岩区。B区位于第一墩以西46m至第一墩以东102m范围内。该区危岩体分布、岩质及风化剥落情况与A区一致，存在卸荷裂隙。目前，B区岩体整体稳定性相对较好，但崖壁表层片状危岩体的稳定性较差，不断发生局部坍塌现象，若卸荷裂隙继续不断向后牵引发展，将影响该区岩体的稳定，更重要的是第一墩本体就在该区正上部，该区岩体稳定如何直接关系着第一墩本体的安全。

3）C危岩区。C区位于地下谷观景台至观景台以西78m范围内。该区危岩体分布、岩质及风化剥落情况与A区一致，存在卸荷裂隙，底部受河水淘蚀，局部悬空。目前，C区危岩体变形已非常剧烈，卸荷裂隙大范围牵引张开，不断向后、向东牵引发展，如果任其进一步发展变形，该区岩体将失稳崩塌，大片的危岩体崩塌变形将直接影响观景台及其后部地下谷的安全。

4）D危岩区。D区位于观景台以西10～45m范围内。该区危岩体分布、岩质及风化剥落情况与A区一致，存在卸荷裂隙，底部受河水淘蚀，发生坍塌、崖壁反倾。目前，D区危岩体变形已较为剧烈，由于其距离观景台和地下谷较近，势必影响观景台和地下谷的安全。

3.1.2 河水冲刷掏蚀崖壁坡脚，造成岩体悬空

地下谷处的崖壁底部已进行了防护，而其余部分崖壁底部岩体长年受到河水的直接冲刷，已形成了掏蚀凹槽，加剧了坡脚岩体的应力集中和上方岩体的变形以及裂隙的扩张，对崖壁稳定极为不利。

3.2 病害的成因分析

3.2.1 工程区地形地貌及地层岩性是崖壁稳定性差的内因

工程区崖壁由于河水的冲刷、侵蚀，已经形成了一相对高差56m、宽170m的非岩质大峡谷，峡谷壁陡立，在坡脚处形成应力集中，坡顶边缘部位在卸荷作用影响下，易形成拉力带，产生卸荷裂隙。从野外实地观察，其谷壁岩性均为Q3apl卵石，泥质胶结，岩体胶结强度较低，整体性差，易于变形失稳。

3.2.2 河流冲刷和地震影响是诱发崖壁岩体失稳的直接原因

工程区崖壁位于讨赖河河岸的边缘，由于河流在此河谷坡降大，平均流速高，特别是洪峰时流量剧增，流水对河床及河岸的冲刷侵蚀，会引起岸坡岩体的崩塌，使上部崖壁失去部分支撑。此外河水的浸泡，使坡脚部位岩体中的泥质胶结软化，造成岩体强度降低，为崖壁失稳埋下隐患。

地震是崖壁失稳的最不利诱因，具有突发性和直接性，特别是已经存在贯通裂隙的危岩体，在地震状态下极易产生崩塌。

3.2.3 地表水沿裂隙流入对弱化崖壁岩体稳定有重要影响

由于现有卸荷裂隙张开，雨季时降雨沿裂隙流入岩体，使岩体趋于软化，导致裂隙切割深度不断增加，危岩体与母岩剥离面积扩大，危岩体稳定性变差。

4 崖体稳定性评价

嘉峪关长城第一墩崖壁危岩体的破坏模式主要是倾倒崩塌破坏。倾倒崩塌破坏是指危岩体的上下部分和稳定岩体之间均有裂隙分开，一旦发生倾倒，将以危岩体趾脚点为转点发生转动。

根据现场勘察，确定可能的破坏形式，可以利用公式计算稳定系数的大小，如表1。

5 治理措施

为确保崖壁的长期安全稳定，治理工程应分为崖壁加固、河岸防护、地表及岩体注浆嵌补、地表排水等四个部分。

5.1 崖壁锚固

根据加固范围的危险程度及重要程度不同，将加固区域划分为重点加固区、次重点加固区和普通加固区，其中A、C危岩区为重点加固区，D危岩区为次重点加固区，B危岩区为普通加固区。

1）A危岩区。为保证崖体整体稳定，在危岩体中部设置六排抗剪加强锚杆，水平间距为6m，垂直间距为3m，共计30根；在岩体中部设置四排拉力分散型锚索，水平间距为6m，垂直间距为3m，共计20根；考虑单根锚杆抗拉强度为80kN，另需约78根锚杆。共提供锚固力≥162000kN。

2）B危岩区。为保证崖体整体稳定，在危岩体中部设置三排抗剪加强锚杆，水平间距为6m，垂直间距为3m，共计63根；在岩体中部设置三排拉力分散型锚索，水平间距为6m，垂直间距为3m，共计63根；考虑单根锚杆抗拉强度为80kN，另需约146根锚杆。共提供锚固力≥39415kN。

3）C危岩区。为保证崖体整体稳定，在危岩体上部及中部设置九排抗剪加强锚杆，水平间距为7m，垂直间距为3.5m，共计99根；在危岩体上部及中部设置九排拉力分散型锚索，水平间距为7m，垂直间距为3.5m，共计99根；考虑单根锚杆抗拉强度为80kN，另需约100根锚杆。共提供锚固力≥516000kN。

4）D危岩区。为保证崖体整体稳定，在危岩体上部及中部设置六排抗剪加强锚杆，水平间距为6m，垂直间距为3m，共计36根；在危岩体上部及中部设置五排拉力分散型锚索，水平间距为6m，垂直间距为3m，共计30根；考虑单根锚杆抗拉强度为80kN，另需约46根锚杆。共提供锚固力≥176000kN。

5.2 地表及岩体内部裂隙注浆

为提高加固区域岩体的整体性，结合锚固工程对地表及岩体内部主要裂隙进行注浆加固，以防止地表降雨沿裂隙渗入岩体内部，从而影响岩体稳定。浆液采用32.5R普通硅酸盐水泥配制。在施工前，针对岩体的可注入性进行现场试验，以确定浆液配比，使注浆达到最佳效果。针对地表宽达20～800mm的裂隙，采用粘土夯填处理。

5.3 危岩体底部冲蚀凹槽嵌补

在对崖壁危岩体进行锚固和注浆加固的同时，采用C25素混凝土对长期经受河水冲刷掏蚀而形成的凹槽进行嵌补加固，其中A区嵌补长度为15m，高度为2.5m，厚度为1.5m；C區嵌补长度为50m，与地下谷下部的嵌补墙相接，河床以下深度2.5m，河床以上高度为2.0m，总高度4.5m，平均厚度为1.5m。

5.4 地表排水

对崖壁顶部卸荷裂隙注浆后，表层宽大裂隙采用粘土夯填处理，夯填体积约为40m3，并对场地进行平整，平整面积为3000m2，设置排水沟，水沟上部安装浆砌卵石盖板。

6 结语

1）崖体应进行综合治理，多种措施有机结合。治理过程中把锚固与支顶及排水等各种手段方法有机地结合起来，相互补充、相互配合，既可以确保崖体的整体稳定，又可以有效节约投资。从而为文物本体的安全提供保障。

2）由于加固部位的岩体计算高度、厚度及裂缝切割深度不一，施工脚手架搭设完成后，及时通知设计人员近距离复核裂隙切割情况，根据实际情况调整工程量，对设计进行优化处理。同时，施工单位在锚杆、锚索成孔时，对裂隙切割深度、位置、宽度进行详细记录，以便于设计单位优化锚杆（索）布置，减少锚孔数量，确保岩体的整体性和稳定性。

3）在工程实施过程中，设置合理的变形监测系统，实时监测危岩体的变形、失稳趋势，以合理评价岩体加固效果，并为以后类似工程提供数据参考。

4）由于锚固与支顶及排水等各种手段方法，是基于文物保护保持原貌的原则而采取的保护措施，按地质灾害治理的相关规定，须对崖壁进行喷浆挂网，以防止岩体风化及小块岩体掉落。因此，本工程措施不能解决岩体风化及小块岩体掉落问题，需要文保设计单位进一步研究提出防治办法。

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