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，掌握崖體的動態(tài)定量信息對于了解崖體的狀態(tài)具有重要的意義，進(jìn)而為崖體科學(xué)合理的加固設(shè)計提供基礎(chǔ)信息。本文通過對崖體36區(qū)在天然條件下水平位移和上部土體溫度的監(jiān)測，分析了該區(qū)內(nèi)不同破壞類型、規(guī)模和機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：K854.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000－4106(2009)03－0114－06

前言

土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價的研究方法大多基于定性與定量評價之上，尤其定量的評價成為研究的熱點。邊坡的穩(wěn)定性最客觀的評價，均基于實際的工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場監(jiān)測的邊坡的應(yīng)力、變形、溫度、地下水等定量信息。因此邊坡現(xiàn)場監(jiān)測信息的分析對于土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性及動態(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)測信息分析之上，但鑒于目前我國的實際情況，大部分遺址均沒有開展大規(guī)模的信息監(jiān)測。

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地上，臺地西北高，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加固工程，通過監(jiān)測天然條件下邊坡水平位移和上部土體的溫度，本文對崖體36區(qū)的監(jiān)測信息進(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)育特點以及文物遺存的分布狀況，本區(qū)可劃分為三個亞區(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)有兩個獨立的塊體，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)測方案

基于亞區(qū)的劃分和瀕危崖體的破壞模式，每個亞區(qū)布置一個監(jiān)測斷面，監(jiān)測天然條件下的水平位移變化，監(jiān)測方案見圖2。所采用的設(shè)備為南京南瑞集團公司大壩工程監(jiān)測分公司的全自動變形監(jiān)測儀器，該儀器包括電位器式位移計、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)測儀。依托于交河故城搶險加固工程施工，監(jiān)測日期為2007年8月17日一2007年8月27日。

3監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及討論

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

1)對于底部發(fā)生凹進(jìn)且發(fā)生外傾瀕危塊體(36—1監(jiān)測的瀕危塊體)，天然條件下水平位移的變化具有突變性特點，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，可能發(fā)生坍塌。

2)對于產(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，但是在一個天氣循環(huán)內(nèi)，仍出現(xiàn)一定的波動。

3)對于產(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位移變化量具有一定的差異。

(2)從圖5可以看出，監(jiān)測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)測斷面發(fā)生了三次位移的突變，發(fā)生的時間處于6時—17時之間；36—2監(jiān)測斷面位移變化連續(xù)，且變化量小，整體上位移減??；36—3監(jiān)測斷面位移變化連續(xù)，幅度較大，發(fā)生大幅度變化的時間集中于8時－21時。

圖6反映的是三個監(jiān)測斷面8月20日位移變形量變化曲線?？梢钥闯觯惶熘畠?nèi)36—2監(jiān)測斷面沒有發(fā)生幅度較大的變形突變，說明變形非常連續(xù)，且變化絕對值較小；36—1監(jiān)測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的相關(guān)性：即溫度發(fā)生降低時，監(jiān)測斷面的位移增大；溫度發(fā)生上升時；監(jiān)測斷面的位移減小。盡管三個監(jiān)測斷面位移的變化趨勢不同，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，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)、破壞機制的差異性，決定了其水平位移變化特征的多樣性。

(2)對于遺址而言，連續(xù)動態(tài)的觀測，對于評價遺址體的保存狀態(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，具有極強的相關(guān)性：即溫度的增長與位移的增長成反比。

(4)從三個監(jiān)測斷面的有限監(jiān)測數(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，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)加強崖體各區(qū)的變形信息監(jiān)測，對于掌握崖體的動態(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工程師、劉典國助理工程師，在現(xiàn)場監(jiān)測過程中悉心的指導(dǎo)和幫助。

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