張景科　諶文武　和法國　崔　凱　任非凡　唐　軍

內(nèi)容摘要：交河故城四周發(fā)育有大量瀕危的崖體，掌握崖體的動(dòng)態(tài)定量信息對(duì)于了解崖體的狀態(tài)具有重要的意義，進(jìn)而為崖體科學(xué)合理的加固設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)信息。本文通過對(duì)崖體36區(qū)在天然條件下水平位移和上部土體溫度的監(jiān)測(cè)，分析了該區(qū)內(nèi)不同破壞類型、規(guī)模和機(jī)制的瀕危崖體的水平位移變化特征。結(jié)果表明瀕臨崖體的差異性決定了水平位移變化的差異性，但是所有的水平位移變化與自然條件下土體溫度的變化具有極強(qiáng)的相關(guān)性。研究結(jié)論為交河故城崖體后續(xù)加固工程提供了重要信息。

關(guān)鍵詞：崖體36區(qū)；工程地質(zhì)條件；水平位移變化特征；土體溫度

中圖分類號(hào)：K854.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000－4106(2009)03－0114－06

前言

土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的研究方法大多基于定性與定量評(píng)價(jià)之上，尤其定量的評(píng)價(jià)成為研究的熱點(diǎn)。邊坡的穩(wěn)定性最客觀的評(píng)價(jià)，均基于實(shí)際的工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的邊坡的應(yīng)力、變形、溫度、地下水等定量信息。因此邊坡現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息的分析對(duì)于土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)具有重要的意義。作為遺址載體的土質(zhì)邊坡兼有地質(zhì)工程與文物遺址兩種屬性。文物遺址加固的科學(xué)性建立在前期的綜合監(jiān)測(cè)信息分析之上，但鑒于目前我國的實(shí)際情況，大部分遺址均沒有開展大規(guī)模的信息監(jiān)測(cè)。

交河故城總面積35萬余m²，建筑面積22萬m²，現(xiàn)今保存在地面的建筑遺跡大多為公元3—6世紀(jì)所建，是世界上目前遺存規(guī)模最大的土遺址之一。交河故城整體位于兩河之間的柳葉形臺(tái)地上，臺(tái)地西北高，東南低，呈西北——東南向分布。高約30m，南北最長1787m，東西最寬處約310m。臺(tái)地周邊為陡崖，崖體陡峻，坡度近90度。四周陡立的邊坡均發(fā)生過不同程度的破壞，導(dǎo)致交河故城遺址不斷地消減。

依托交河故城一期搶險(xiǎn)加固工程，通過監(jiān)測(cè)天然條件下邊坡水平位移和上部土體的溫度，本文對(duì)崖體36區(qū)的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行了分析，研究了其變化特征。

1崖體36區(qū)主要工程地質(zhì)條件

1．1地形地貌

崖體36區(qū)位于交河故城東門的南側(cè)，上部有文物遺存(圖版32)，靠近東門處有三日古井。該處地勢(shì)低下，地下水位較高，崖體表面異常破碎，崖體下部為坍塌堆積物，外側(cè)為農(nóng)田(圖版33)。

36區(qū)崖體范圍為D021+12.8－D022，整個(gè)分區(qū)跨度為39m，崖體平均高度為21.88m。崖體頂部最高高程為58.18m，崖腳最低高程為34.39m。

由于戰(zhàn)亂和后期的破壞，現(xiàn)無完整的古建筑遺存。崖頂面起伏大，裂隙發(fā)育，張開度大，風(fēng)化嚴(yán)重。崖面傾角幾乎接近90度，坡底為坡積物堆積，堆積規(guī)模大，崖體整體穩(wěn)定性差。

1．2地層巖性

區(qū)內(nèi)崖體地層為湖相沉積地層，崖體出露地層均成近水平分布，地層連續(xù)性較好，巖層由上而下顆粒由細(xì)變粗。根據(jù)直立崖體的立面以及前期工程的鉆孔資料，查明該區(qū)出露地層由上至下依次為(圖1)：

圖1崖體36區(qū)地質(zhì)剖面示意圖

(1)淡黃色粉質(zhì)黏土，該區(qū)平均厚度約為3.4m，團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，垂直節(jié)理明顯，表面風(fēng)化比較嚴(yán)重，出現(xiàn)很多微裂隙。地層中含有少量鐵銹斑和鈣質(zhì)結(jié)核，成分主要以石英一長石質(zhì)為主，粒度均勻，水平狀構(gòu)造，輕微膠結(jié)，稍密，干燥。

(2)棕黃色黏土，出露厚度為2.0m，偶見礫石，含少量黏土，斑狀結(jié)構(gòu)，垂直節(jié)理，表面風(fēng)化比較嚴(yán)重，部分掏蝕成小洞，微裂隙發(fā)育。成分主要以石英一長石質(zhì)為主，粒度均勻，水平狀構(gòu)造，輕微膠結(jié)，中密，干燥。

(3)褐黃色砂層，厚1.5m，主要以細(xì)砂為主，層狀構(gòu)造，與上下土層分層明顯，風(fēng)化嚴(yán)重，該層已經(jīng)掏蝕進(jìn)去，分選性好，含黏土，粒度均勻，輕微膠結(jié)，干燥。

(4)青灰色黏土，厚3.4m，顆粒均勻，垂直節(jié)理明顯，風(fēng)化輕微，微裂隙發(fā)育。成分主要以石英一長石質(zhì)為主，地層成水平狀展布，輕微膠結(jié)，稍密，干燥。

(5)黏土、砂夾層，厚1.9m，層顏色比上層明顯發(fā)黃，團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，垂直節(jié)理明顯，表面風(fēng)化比較嚴(yán)重，微裂隙發(fā)育。地層中含有少量鐵銹斑和鈣質(zhì)結(jié)核，成分主要以石英一長石質(zhì)為主，粒度均勻，水平狀構(gòu)造，輕微膠結(jié)，稍密，干燥。

(6)卵礫石層，出露厚度1.5m。本區(qū)夾層中砂層較厚，層中黏土大部分已經(jīng)風(fēng)化剝蝕，剩下砂層膠結(jié)較好，呈層狀分布，黏土層已成空洞，分選性好，層理明顯，主要礦物成分以長石一石英質(zhì)為主，中度膠結(jié)，干燥。

1．3地質(zhì)構(gòu)造

(1)結(jié)構(gòu)面的分布、種類及組合關(guān)系

區(qū)段內(nèi)結(jié)構(gòu)面主要以裂隙切割面為主，區(qū)內(nèi)崖體裂隙包括構(gòu)造裂隙一節(jié)理與次生卸荷裂隙兩種類型。構(gòu)造裂隙一節(jié)理走向垂直于崖體的走向，次生卸荷裂隙平行于崖體的走向，兩者相互切割，造成崖體不斷地發(fā)生坍塌?，F(xiàn)存的結(jié)構(gòu)面破壞了崖體的完整性，使得崖體外傾，且分割為不同的瀕危塊體。

(2)結(jié)構(gòu)面特征

本區(qū)裂隙尤其水平裂隙下切深，最大下切深度達(dá)到15.22m，張開度大，并且填充松散土，成為崩塌體的控制裂隙。加之本區(qū)崩塌體處于迎風(fēng)面，因此本區(qū)崩塌體的破壞方式是以大塊剝落為主。迎風(fēng)面的另一特點(diǎn)是風(fēng)化層深，尤其底部黏土、砂夾層在此環(huán)境中已經(jīng)風(fēng)化剝蝕凹進(jìn)崖面，使上部崖體懸空，在長期地質(zhì)力和重力作用下，最終發(fā)生崩塌，因此該崩塌體的破壞方式以拉裂傾倒為主。各結(jié)構(gòu)面的主要特征見下表和圖2。

1．4水文地質(zhì)條件

交河故城地下水的類型為潛水，其中下部的卵礫石層為含水層，地下水的徑流主要是沿著卵礫石層的傾向，此外，還向兩側(cè)的河谷進(jìn)行排泄。崖體36區(qū)處于交河故城的地勢(shì)最低處，該處地下水位較高(圖3、圖版34)。在坡積物的下部有地下水向外側(cè)的農(nóng)田河谷滲流現(xiàn)象。

1．5亞區(qū)劃分

為科學(xué)研究崖體36區(qū)在天然條件下的水平位移變化特征，根據(jù)地形地貌、結(jié)構(gòu)面的組合與發(fā)育特點(diǎn)以及文物遺存的分布狀況，本區(qū)可劃分為三個(gè)亞區(qū)(圖3、圖版34)。

(1)36—1亞區(qū)

該亞區(qū)被次生卸荷裂隙L164與構(gòu)造裂隙一節(jié)理L165、L172、L167、ZL022組合所切割。崖頂分布著古建筑遺跡，地形變化大，裂隙密布錯(cuò)綜復(fù)雜。裂隙切割成的崩塌體規(guī)模小，主要沿崖邊成長條狀，但該亞區(qū)立面的中上部有嚴(yán)重的坍塌凹進(jìn)(圖版35)。

(2)36—2亞區(qū)

該亞區(qū)有兩個(gè)獨(dú)立的塊體，一是由裂隙L168、L169切割而成，一是由裂隙L174與L175切割而成。塊體呈條狀，均發(fā)生明顯的外傾，周圍地形變化幅度大，出現(xiàn)很多陡坎。崖體立面上風(fēng)化裂隙發(fā)育，多依附于崖面之上(圖版36)。

(3)36—3業(yè)區(qū)

該亞區(qū)被裂隙L171、L173、L170所切割，切割的外傾塊體規(guī)模遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)亞區(qū)。切割后的瀕危崖體發(fā)生明顯的外傾。該區(qū)附近即為交河故城的東門，該處地勢(shì)較低，附近有三口古井，古

井內(nèi)常年有水。崖體的表面土體較為破碎，發(fā)育密集的風(fēng)化裂隙(圖版37)。

2監(jiān)測(cè)方案

基于亞區(qū)的劃分和瀕危崖體的破壞模式，每個(gè)亞區(qū)布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)天然條件下的水平位移變化，監(jiān)測(cè)方案見圖2。所采用的設(shè)備為南京南瑞集團(tuán)公司大壩工程監(jiān)測(cè)分公司的全自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)儀器，該儀器包括電位器式位移計(jì)、DAMS—IV型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及相關(guān)數(shù)據(jù)采集軟件，量程10cm，精度0.01mm。此外，在崖體上部的土體內(nèi)埋設(shè)了美國研發(fā)的HOBO溫度濕度監(jiān)測(cè)儀。依托于交河故城搶險(xiǎn)加固工程施工，監(jiān)測(cè)日期為2007年8月17日一2007年8月27日。

3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及討論

(1)從圖4可以看出，三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的位移變化趨勢(shì)不同：其中36—3監(jiān)測(cè)曲線表現(xiàn)出較強(qiáng)的周期性，36—2監(jiān)測(cè)曲線表現(xiàn)為一定的衰減趨勢(shì)，36—1監(jiān)測(cè)曲線表現(xiàn)為較多的突變特點(diǎn)；36—3監(jiān)測(cè)的位移變化量最大，36—1監(jiān)測(cè)的位移變化量次之，36－2監(jiān)測(cè)的位移變化量最小。與36區(qū)的工程地質(zhì)條件和各亞區(qū)的形態(tài)對(duì)應(yīng)起來，可以推斷出如下結(jié)論：

1)對(duì)于底部發(fā)生凹進(jìn)且發(fā)生外傾瀕危塊體(36—1監(jiān)測(cè)的瀕危塊體)，天然條件下水平位移的變化具有突變性特點(diǎn)，說明崖體處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境因素發(fā)生突變時(shí)，可能發(fā)生坍塌。

2)對(duì)于產(chǎn)狀和崖體近乎一致，僅發(fā)生開裂外傾的規(guī)模小的塊體(36—2監(jiān)測(cè)的瀕危塊體)，其水平位移的變化幅度小，且整體呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)，但是在一個(gè)天氣循環(huán)內(nèi)，仍出現(xiàn)一定的波動(dòng)。

3)對(duì)于產(chǎn)狀和崖體近乎一致，僅發(fā)生開裂外傾的規(guī)模比較大的塊體(36—3監(jiān)測(cè)的瀕危崖體)，位移的變化具有明顯的周期性，即每天的位移變化規(guī)律具有一致性，但是瀕危崖體的日絕對(duì)位移變化量具有一定的差異。

(2)從圖5可以看出，監(jiān)測(cè)崖體的日位移變化曲線更能說明圖4所反映的規(guī)律。一天之內(nèi)，36—1監(jiān)測(cè)斷面發(fā)生了三次位移的突變，發(fā)生的時(shí)間處于6時(shí)—17時(shí)之間；36—2監(jiān)測(cè)斷面位移變化連續(xù)，且變化量小，整體上位移減?。?6—3監(jiān)測(cè)斷面位移變化連續(xù)，幅度較大，發(fā)生大幅度變化的時(shí)間集中于8時(shí)－21時(shí)。

圖6反映的是三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面8月20日位移變形量變化曲線。可以看出，一天之內(nèi)36—2監(jiān)測(cè)斷面沒有發(fā)生幅度較大的變形突變，說明變形非常連續(xù)，且變化絕對(duì)值較??；36—1監(jiān)測(cè)斷面有一處較大的變形變化的突變，其余均穩(wěn)定；36—3發(fā)生了多處變形變化的突變現(xiàn)象，且幅度較大。

(3)吐魯番地區(qū)自然條件各因素中，變化最大的是溫度，因此研究溫度變化與位移變化具有重要的指導(dǎo)意義。從圖7、圖8和圖9中，可以發(fā)現(xiàn)溫度變化與位移變化極強(qiáng)的相關(guān)性：即溫度發(fā)生降低時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面的位移增大；溫度發(fā)生上升時(shí)；監(jiān)測(cè)斷面的位移減小。盡管三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面位移的變化趨勢(shì)不同，但是與溫度變化的關(guān)系具有相同的相關(guān)性。由此可以說明，在天然條件下，溫度的變化制約著瀕危崖體水平位移的變化。

由交河故城崖體36區(qū)的工程地質(zhì)條件可知，外傾的瀕危崖體與內(nèi)側(cè)穩(wěn)定崖體發(fā)生脫離的地層為上部的粉質(zhì)黏土、黏土層，下部的地層仍內(nèi)外連續(xù)。由于崖體的開裂，造成內(nèi)外崖體的結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的差異，外部瀕危崖體受到的風(fēng)化作用最強(qiáng)，日積月累的差異造成崖體內(nèi)外土體的性質(zhì)發(fā)生極大的差異，尤其是熱膨脹冷收縮發(fā)生極大的差異，造成天然條件下，水平位移發(fā)生有規(guī)律的變化。此外，外側(cè)瀕危崖體處于極限平衡狀態(tài)，下部的砂層穩(wěn)定性質(zhì)較差，抵抗外界的變形能力也較弱，加劇了水平位移的增長。

外側(cè)瀕危崖體的幾何形態(tài)不同，其力學(xué)機(jī)制也有極大的差異，在同樣的邊界條件下，其變形具有一定的差異性，幾何尺寸小，且形狀復(fù)雜的，變形多發(fā)生較大的突變?nèi)?6—1亞區(qū)；幾何尺寸小，但是形狀規(guī)則的，變形小且穩(wěn)定，如36—2亞區(qū)；幾何尺寸大，形狀較不規(guī)則，且三面臨空的，能抵抗較大的變形，且變形具有較強(qiáng)的規(guī)律性，如36—3亞區(qū)。

4結(jié)論

(1)交河故城崖體36區(qū)各亞區(qū)的形態(tài)、破壞機(jī)制的差異性，決定了其水平位移變化特征的多樣性。

(2)對(duì)于遺址而言，連續(xù)動(dòng)態(tài)的觀測(cè)，對(duì)于評(píng)價(jià)遺址體的保存狀態(tài)具有重要的意義。

(3)交河故城崖體36區(qū)瀕危崖體水平位移的變化與土體的溫度，具有極強(qiáng)的相關(guān)性：即溫度的增長與位移的增長成反比。

(4)從三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的有限監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以說明：現(xiàn)有的崖體破壞狀態(tài)下，同樣的環(huán)境條件變化時(shí)，規(guī)模小，且?guī)缀涡螤畈灰?guī)則的瀕危崖體最容易發(fā)生坍塌破壞。該結(jié)論為交河故城崖體的主導(dǎo)破壞機(jī)制(小規(guī)模坍塌和中部砂層掏蝕——后緣拉裂——外側(cè)開裂崖體逐步開裂坍塌——外側(cè)崖體最終坍塌——內(nèi)側(cè)崖體卸荷開裂)提供了證據(jù)。

(5)加強(qiáng)崖體各區(qū)的變形信息監(jiān)測(cè)，對(duì)于掌握崖體的動(dòng)態(tài)具有重要的意義，從而為科學(xué)保護(hù)加固提供有力的基礎(chǔ)資料。

致謝：感謝敦煌研究院張魯高級(jí)工程師、劉典國助理工程師，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過程中悉心的指導(dǎo)和幫助。

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