庆阳北石窟寺濒危岩体变形特征分析

2023-10-18马雪雅张理想陈银桥张景科邹红宇谷留杨

地震工程学报 2023年5期

马雪雅, 张理想, 陈银桥, 张景科,2, 邹红宇, 谷留杨

(1. 兰州大学土木工程与力学学院, 甘肃兰州 730000;2. 兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室, 甘肃兰州 730000)

0 引言

石窟寺是我国体系最为完整、内容最丰富、真实性和完整性保存最好的文物类型之一[1]。石窟寺一般开凿于直立崖体之上,洞窟的开凿,破坏了岩体内原有的应力平衡状态,产生应力重分布现象[2],加上外界环境因素影响,岩体常常沿临空面产生各类裂隙,使岩土体的完整性受到破坏,发育大量濒危岩体[1]。从危岩失稳的力学机理出发,陈洪凯等[3]将危岩失稳模式分为坠落式、滑塌式和倾倒式,危岩体失稳引起落石频发,对石窟寺区域地质体、赋存崖体、洞窟稳定及游客安全产生严重威胁。近年来石窟寺危岩抢险加固工程有序开展,但有关石窟濒危岩体变形特征的研究尚未深入,对石窟濒危岩体的变形监测亟需推进。

岩体变形是一个长期且缓慢的过程,现场监测技术通过直接获取岩体实时变形数据来分析岩体周期内的整体变化规律和变形特征是研究岩体变形的有效手段之一。目前关于滑坡、大型坝体变形特征的研究已取得一定进展。彭绍才等[4]基于监测资料,分析了乌东德水电站边坡施工期岩体变形、锚杆应力、锚索锚固力等变化特征,探究边坡在不同时期向外产生形变的主要因素。夏开宗等[5]选取了程潮铁矿西区长期的地表水平位移、沉降位移和深部岩体变形监测成果,对不同水平下的岩体变形规律进行了研究。在石质文物岩体变形特征研究中,李金龙[6]对金塔寺石窟进行数值模拟,从石窟及赋存崖体的应力场和位移场结果分析崖体的力学响应特性。陶志刚等[7]通过顶板压力监测、光栅监测顶板变形和全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)监测等方法进行圆觉洞顶板变形稳定性评价。孟志刚等[8]在对圆觉洞顶板的剥蚀速率监测中得到位移曲线随温度变化的规律。Bagde[9]应用了落石危害评级系统(Rockfall Hazard Rating System,RHRS)和其他经验方法对印度阿旃陀石窟的岩体特征进行了研究,并对斜坡表面和石窟周围的危岩体进行风险评估。Mineo等[10]利用无人机测量和地面地质调查研究崖体的落石情况,并通过落石模拟确定了崖体下方文化遗产的保护措施。

我国的文化遗产监测在整体上适应预防性保护与抢救性保护相结合的发展趋势[11],多个文化遗产的综合监测体系基本建设完成,龙门石窟和莫高窟的监测内容主要包括文物本体病害监测、区域环境监测和游客监测等[12-13]。岩体变形监测已被成熟地运用到滑坡及大型坝体变形中,有关石质文物稳定性的研究也取得一定进展,但目前利用变形监测对石窟岩体特征的分析还不够全面,大多研究往往仅针对区域变形、崖体变形或危岩体发育中的单一尺度展开,从多尺度出发的研究较少。

本研究以甘肃庆阳北石窟寺为例,在调查北石窟寺赋存环境的基础上,采用GNSS实时变形监测、测缝计监测以及非接触式裂隙监测等方法,对北石窟寺分布区域地质体、石窟赋存崖体和洞窟关键块体的变形特征进行分析。探究了三个尺度变形特征间的协同性,同时设置了综合气象站和三向振动监测,探寻降雨量、温度和三向振动与北石窟寺濒危岩体变形特征之间的相关性,为后续的北石窟寺稳定性评估奠定基础。

1 北石窟寺概况

1.1 地理位置及保存现状

庆阳北石窟寺是甘肃陇东地区规模最大的石窟群之一,开窟时代早,内容丰富,位于庆阳市西峰区西南25 km的覆钟山下,蒲、茹二河交汇的东岸二级阶地处[14](图1)。

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

石窟集中雕刻在覆钟山下高20 m、长120 m的岩石崖体上。自北魏永平二年(公元509)建成以来,经过西魏、北周、隋、唐和宋代扩建增修,现存窟龛296个,大小雕像2 126尊,宋、明、清碑7座,阴刻题记和墨书题记150余方,壁画残迹96.7 m2,具有极高的历史价值、艺术价值、文化价值、科学价值和社会价值[15]。

1.2 地质构造及地层岩性

北石窟寺崖体内主要发育两种裂隙,一是平行于崖体临空面的卸荷裂隙,在自重作用下大量发育于崖壁后方,穿洞窟而过,切割塑像、壁画等文物本体;二是垂直于崖面的构造应力作用形成的构造裂隙[18]。此外,不同的砂岩沉积层间的薄弱面差异性风化,层理面广泛分布在北石窟寺的各层洞窟和造像上,与裂隙相互切割,严重破坏岩体完整性。

图2 北石窟寺地层岩性剖面图[16]Fig.2 Stratigraphic lithology section of the North Grotto Temple[16]

1.3 工程地质概况

据《庆阳县志》记载,“地震使遍地成浸,陵谷变迁,河道壅塞,死亡枕藉,城垣、衙署、学校、民房皆成破壁残垣[17]”。1920年海原8.5级强烈地震后,覆钟山崖体滑坡,岩石坍塌堆积寺院,部分洞窟被碎石和黄土所掩埋[18]。经现场调查,北石窟寺分布区域地质体上部存在一黄土滑坡体,滑坡开口西南方向,高差约58 m,宽约104 m,坡度介于41°～45°。潜在滑坡下方基岩为白垩系砂岩,上覆第四纪黄土层厚度变化范围大,在 5～70 m 之间不等。在环境因素的长期影响下,该滑坡体可能会对石窟稳定产生威胁,易发生一系列区域稳定性问题。

北石窟寺白垩系砂岩泥质胶结、岩质较疏松,主要结构面为软弱夹层、层理面和节理裂隙。构造裂隙组主要有8组(图3),张开度均大于10 cm,垂直切割岩壁,大多从地面贯穿至崖顶。受降雨和地下水渗流的影响,易产生洞窟渗水和岩体失稳病害[19],目前大多裂隙已被水泥砂浆或砖石填充加固。纵向发育的构造裂隙与横向密布的软弱夹层相互切割,形成多处危岩,对窟区稳定性造成威胁,直接危害部分洞窟安全。卸荷裂隙组将大块的岩体与母体分离,形成危岩体,是岩体大范围滑落、崩塌的侧界。

图3 构造裂隙分布位置Fig.3 Location of tectonic fissures

经调查,32窟内中央立柱东壁有一濒危的龛楣(图4),已出现岩体脱落现象,烟熏病害严重。上方浅表性裂隙基于层理横向延伸,将龛楣切割成多个关键块体,周围岩体破碎,该龛楣有坠落风险。

图4 洞窟关键块体Fig.4 Key block in cave 32

2 岩体变形监测方案

2.1 设计原则

针对北石窟寺现场实际情况,本次北石窟寺岩体变形监测方案的设计遵循以下原则:(1)不改变文物原状;(2)科学性和实用性相结合;(3)针对性和可靠性相结合。针对区域地质体范围大、监测环境复杂的问题,采用GNSS技术,对地质体地表位移进行持续实时监测。针对石窟赋存崖体裂隙发育、风化剥蚀等工程地质问题,采用测缝计监测崖体内构造裂隙的变形特征。针对洞窟内关键块体欠稳定问题,采用基于图像的非接触式裂隙监测技术对窟内浅表性裂隙进行实时对比监测。

2.2 监测内容及布设位置

分别在滑坡中部基岩出露部位和主滑体上部(图5)安装1套GNSS变形监测设备,对地质体变形进行长期连续监测并对比分析上部黄土层和中部基岩的变形差异,设备已于2020年10月进行了现场安装和调试。

崖体内多条裂隙纵向分布(图3),分别在裂隙GZ1、GZ2、GZ3底部和GZ2中部安装一台测缝计(图5),连续监测裂隙变形,并结合温湿度变化分析其变形规律。测缝计于2021年8月份安装调试完毕。

32窟内关键块体位于中央立柱东壁龛楣上方,采用基于数字图像的非接触式裂隙监测技术对其进行变形监测,实现无损、高精度、实时数据采集,布设物距40 cm,数据记录自2021年2月开始,于2021年6月趋于稳定。

此外,2020年10月在北石窟寺设置了综合气象站、三向振动监测(表1),以探究环境因素与岩体变形特征之间的相关性,提高监测系统的完整性。

表1 岩体变形监测内容及布设位置

3 岩体变形监测结果分析

3.1 北石窟寺分布区域地质体变形特征

(1) 北石窟寺分布区域地表位移变化分析

整体来看,潜在滑坡主滑体上部(BSK01)位移呈突发性变化,突变前后位移波动平缓[图6(a)],中部隆起基岩出露部位(BSK02)位移则遵循先缓慢增长后变形逐渐恢复的规律,最后一次监测偏移量在±1 mm以内[图6(b)]。X、Y、Z三个监测方向分别对应东(+)西(-)向、南(-)北(+)向和垂直向的位移,即垂直于石窟寺赋存崖体方向、沿石窟分布方向和垂直地面的方向。

图6 区域地质体位移量与环境因素对比 (2021-01-01—12-31)Fig.6 Comparison between regional geological body displacement and environmental factors (2021-01-01—12-31)

监测周期内,BSK01在X正方向偏移15.1 mm,Y正方向偏移5.8 mm,垂直方向上产生10.1 mm的沉降,总体表现为东北向沉降,与滑坡体顺斜坡滑动趋势相反。BSK02偏移量在8月份达到最大值,其中X、Y向偏移近8 mm,后逐渐恢复至0 mm附近波动,Z方向波动范围大但整体偏移量变化较小。BSK02的变形集中在高温季节,符合岩体热胀冷缩效应。BSK01安装于地质体表面黄土层上,BSK02布设在基岩出露部位,两测点直线距离约31 m,岩性和监测环境不同,监测结果存在差异。

目前主流的GNSS滑坡监测技术为采用实时动态(Real-time kinematic,RTK)载波相位差分技术进行单历元实时解算,滑坡监测结果容易受到观测噪声和粗差的影响[20]。遮挡干扰严重的复杂场景会直接影响到GNSS的定位精度。BSK01附近植被树木较多,全球定位系统(Global Positioning System,GPS)信号易被遮挡,相应的监测结果易受影响。

(2) 三向振动、环境因素与地质体变形相关性分析

经分析,北石窟寺南侧100 m车辆经过产生的振动对石窟寺所在区域地质体的变形特征影响不大,但区域地质体变形与降雨有高度相关性。

图6中,三向振动的主要监测内容为车辆经过时北石窟寺的加速度响应,监测周期内最大振动加速度为0.011 8 m/s2,小于地震烈度Ⅰ度下的振动加速度0.018 m/s2[21],且地质体位移不随振动加速度变化而变化。北石窟寺岩体变形与振动因素的相关性不大,但仍需考虑车辆振动的长期累积影响。

2021年北石窟寺的累计降雨量为866.1 mm,主要分布在8—10月份。大部分降雨集中时段对应偏移量有不同程度的增加,在降雨较少的11、12月位移波动较为平缓。图6(a)显示10月2日至10月7日BSK01产生了较大偏移,同时BSK02偏移量逐渐回到0 mm附近。经查询,突变前3日内最大风力为3级,最大温差为16.3 ℃,且无地震记录。突变前10日内累计降雨量为92.7 mm,占全年降雨量的10.7%,其中10月3日到10月5日连续日降雨量超过25 mm。由此判断,地质体表面黄土层变形与连续降雨高度相关。

滑坡体的形成与发展,除了受坡体自身性质、地质构造和地形地貌特征影响外,降雨是一个重要的诱发因素[22],降雨过程中,土体含水率增加,基质吸力和土颗粒间有效应力降低,导致土体抗剪强度降低[23],BKS01监测点在仪器自重和降雨入渗的作用下产生沉降变形。由于滑坡体物质结构和渗透性不同,滑坡变形对不同强度和时长的降雨响应存在不同的滞后时间[24]。在年降雨基本保持稳定的前提下,北石窟寺分布区域地质体上覆黄土层在降雨集中时段发生形变的可能性较大。

3.2 石窟赋存崖体变形特征

(1) 崖体裂隙宽度变化分析

由图7可知,自2021年8月至12月,崖体内裂隙GZ1、GZ2的宽度逐渐增大,变形量呈波动式上升。裂隙GZ3变形缓慢,监测周期内最大变形量为0.17 mm。3条裂隙的变形量日变化规律高度一致(图9),每24 h随温度变化反复波动,每日最大波动为0.43 mm。

图7 构造裂隙(GZ1,GZ2,GZ3)变形量年变化(2021-08-22—12-31)Fig.7 Annual variation in deformation of fissures (GZ1,GZ2, and GZ3) (2021-08-22—12-31)

图8 裂隙GZ1、GZ2、GZ3变形量月变化Fig.8 Monthly variation in deformation of fissures GZ1,GZ2, and GZ3

图9 裂隙GZ1、GZ2、GZ3变形量日变化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宽度变化基本一致,但11月开始逐渐产生接近0.5 mm的变形差距,且差距缓慢增大[图8(b)],说明在相同环境下,随着温度降低,裂隙GZ2中段未填充部位变形速率大于底部。

(2) 温度与崖体变形相关性分析

延长监测周期至次年3月,能直观地看出裂隙变形与环境温度之间有强烈的负相关性。如图10(a)～10(c)所示,裂隙的变形量在1—2月达到最大,后随温度上升逐渐下降。变形量与对应温度线性拟合后的拟合优度R2分别为0.961 5、0.978 8、0.944 7[图10(d)～10(f)],可见两者呈高度负相关。3条裂隙底部宽度日平均增长率分别为0.001 2 mm/d、0.002 0 mm/d、0.000 3 mm/d,变形快慢与变形量-温度间相关性强弱相对应,结合裂隙变形量在温度回升后缓慢下降的变化规律,判断崖体裂隙无进一步的张开或缩小趋势。

图10 裂隙变形量与温度变化曲线及裂隙变形量与温度关系曲线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)

长期以来,关于温度变化使岩体位移产生偏差原因的探究主要集中在温差引起的岩石缩胀效应以及温差对位移传感器的影响。岩体在地形、地貌、结构、风化程度等多种条件控制下,各部分发生变温时将引起热胀冷缩的变形[25],1 ℃的温度梯度,岩体内可产生0.4～0.5 MPa的地应力变化,岩土体表面温差会引起岩石表面产生胀缩变形[26]。另一方面,陶志刚等[7]通过圆觉洞顶板应力监测和室内温度补偿试验,得到岩体呈现夏季变形增大,冬季变形恢复的主要原因是监测仪器受长期温度变化的影响不能自动纠正温度变化从而引起的位移偏差。

3.3 洞窟关键块体变形特征

(1) 32窟内浅表性裂隙变形分析

32窟内沿层理发育浅表性裂隙变形量在0 mm附近±2 mm范围内持续波动,无扩张或闭合趋势。

监测初期,裂隙变形集中在2月份,且变形量在±0.5 mm以内。4月下旬到5月数据中断前,变形量增大至3.86 mm,恢复记录后数据在±1.82 mm内均匀波动(图11)。窟内关键块体变形监测精度为0.01 mm,在精确捕捉裂隙变形的同时易受人为和环境扰动。裂隙位于中央立柱东壁龛楣上,与其他裂隙相互交错切割岩体,在佛龛上方形成坠落型危岩。目前来看,裂隙宽度的小范围波动属可恢复变形,说明该危岩在当前状态下发生坠落的可能性较小。

图11 32窟内浅表性裂隙变形量年变化 (2021-01-01—12-31)Fig.11 Annual variation in deformation of superficial fissure in cave 32 (2021-01-01—12-31)

(2) 环境因素与洞窟关键块体变形相关性分析

图12显示,浅表性裂隙变形与温度有一定相关性。窟内日温达到最高时,对应裂隙张开度为当日最小值,相反,日温最低时,张开度最大。此外,温湿度以及变形量在11月6日同时下降,下降后裂隙变形量整体减小。

3.4 跨尺度岩体变形协同性分析

目前三个尺度岩体变形量均在小范围内变化,相互之间影响较小,三者之间无协同性(图13)。

图13 三个尺度变形量对比图Fig.13 Comparison between deformations at three scales

基于现有资料初步分析,各尺度岩体变形特征间的差异与监测环境、变形方向和监测精度等因素有关。北石窟寺分布区域地质体表面被黄土覆盖,松软易失陷,且监测点附近有植被分布,监测结果易受复杂环境因素影响。GNSS定位精度可达毫米级,监测X、Y、Z三个方向的位移,只有当实时监测精度小于滑坡变形时,才能及时监测出滑坡变形。北石窟寺赋存崖体为砂岩崖体,密度较小,抗压强度较低[26],且崖面风化非常严重。构造裂隙在崖体上纵向分布,宽度在南北方向变化,测缝计实时监测裂隙0.001 mm的变形。32窟内环境温湿度变化整体小于窟外,且窟内受人为因素影响较大,裂隙监测精度为0.04 mm,宽度竖直方向上发生变化。三尺度岩体变形的主要影响因素各不相同,探究其协同性时需多种因素综合考虑。

基于对北石窟寺三个尺度岩体变形特征的分析,在石窟稳定性评估工作中,三个不同尺度的岩体变形监测数据可为潜在滑坡、石窟赋存崖体以及洞窟关键块体稳定状态的定性判断提供基础数据,为失稳阈值的确定提供参考。在变形预测分析工作中,可为后期变形预测模型的选择提供依据,长期监测数据可进一步验证数值模拟分析的准确性。