水庫淹沒區巖土體文物遺址保護方案研究
——以皎平渡山洞遺址為例

何 偉,吳冠仲,范宣梅,王文松,柳 楊

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059;2.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730000)

中國西南地區水系發達,水能資源豐富,積極推進大型水電工程建設不僅有助于增加清潔電力供應,更是中國經濟社會發展的具體要求。然而,大型水電工程的建設與運營勢必會改變原有的地質環境,影響庫岸邊坡的穩定性[1-5]。特別是在河谷深切的西南山區,廣泛發育著成因多樣、結構復雜的第四系堆積體,它們是典型的內、外動力耦合作用的產物,其衍生的地質災害具有隨機性、復發性和多發性的特點[6-9]。皎平渡山洞遺址位于金沙江干流烏東德水電站壩址上游的水庫淹沒區。該山洞遺址曾是毛澤東、周恩來等中央領導在此渡江后的駐扎地,它見證了當年中央主力紅軍巧渡金沙江的壯舉,承載了一段黨領導人民爭取國家獨立、民族解放的光榮革命歷史。因此,對該山洞遺址加以保護,有重要的歷史意義和現實意義。

皎平渡山洞遺址賦存于金沙江左岸第四系崩坡積和沖洪積堆積體中,上覆不均一的弱膠結碎塊石土,下伏前震旦系淺—中風化巖層,土巖界面順坡向、大致與坡面平行,這一復合結構屬于潛在不穩定體,具備滑動的條件。因此,要保護好該洞遺址,首要解決的是坡體整體穩定性問題。其次,土體在高壓水長期浸泡、滲透作用下產生泥質軟化、可溶鹽溶解或是親水膨脹性礦物膨脹,都可能導致堆積體的結構破壞或強度大幅降低,對洞室的穩定極為不利,在保障坡體整體穩定的條件下,需要進一步解決山洞局部穩定性問題。最后,山洞遺址作為巖土體文物,具有文物本體與載體不可分割的特征,并且將長期處于近90 m的深水環境中,因此,加固治理措施在考慮穩定耐久的同時,還需要在固坡與文物保護之間協同兼顧。

水庫誘發滑坡作為重大工程對地質環境影響的一種重要形式,一直是工程地質學科研究的熱點[10-16]。許多學者對水庫滑坡的成因機制、演化模式及控制因素進行了大量研究。例如:王士天等[17]認為水庫蓄水和調節致使庫區及其附近區域出現地下水位大幅度提高及顯著的動態變化會加劇水巖作用進程,最終破壞原有環境平衡而致災。王思敬等[18]提出滑動面的水理弱化以及滲壓增加引起的有效應力的降低是水庫誘發滑坡的主要原因。Tang M.G.等[19]的研究表明,水庫滑坡失穩受滑面形態、土體滲透系數、水位波動速率等多因素影響。殷躍平等[20]通過分析長江三峽工程2008—2020年庫水位實際調度曲線,建立了庫水位多年平均升降與滑坡堆積體地下水浸潤線關系,然后根據不平衡推力法計算得到滑坡的安全系數,并討論了采用中小口徑抗滑樁群對水庫滑坡進行防治的方法。然而,水庫滑坡的治理措施多是在傳統滑坡防治中采用的抗滑樁、錨索等加固措施基礎上,進一步地采取阻排水工程、壓腳、生態護坡等措施[21-22],對于涉水文物保護的案例目前還較為少見。

綜上所述,現有研究雖然在水庫滑坡機理及防治方面已經取得了較為豐富的成果,但是皎平渡山洞遺址作為國內首例深水環境下的土遺址保護工程,尚缺乏先例指導,受限于深水環境情況復雜、地質條件較差以及文物保護的重要性等特點,迫切需要探索具有針對性的保護方案。因此,本文以皎平渡山洞遺址及其賦存岸坡為研究對象,根據岸坡地形地質條件以及遺址的保護要求,綜合考慮岸坡整體穩定性、山洞局部穩定性以及長周期、高水壓下的耐久性,提出了切實可行的加固治理方案;并采用有限元法模擬了研究區的瞬態滲流場,通過分析治理前后浸潤線的位置變化進程、遺址區土體飽和度及孔隙水壓力的演化規律,驗證了方案的可行性。

1 研究區基本特征

皎平渡山洞遺址位于金沙江左岸中武山坡體前緣,此處金沙江面海拔高度為872 m,山洞位置的海拔高度為889 m。研究區三維地質模型如圖1所示,該模型涵蓋了受水庫蓄水影響的整個區域,高程范圍872～975 m?？紤]到以山洞遺址為重點研究對象,將研究區劃分為治理區和非治理區。治理區高程范圍875～910 m,順河向長約80 m,垂直河向寬約50 m;北側、東側、南側三面臨空,西側為坡頂斜坡,坡體前緣較陡,坡度約為65°,高度為13～15 m,坡頂為緩傾斜坡,坡度約為20°。非治理區高程范圍910～975 m,斜坡分兩級:下級斜坡高程范圍910～938 m,坡度為0°～20°;上級斜坡高程范圍938～975 m,坡度為30°～50°。

圖1 研究區三維地質模型Fig.1 Three-dimensional geological model of study area

研究區工程地質剖面如圖2所示。坡體由上覆崩坡積、沖洪積的堆積體及下伏基巖組成。堆積體厚度約為10～15 m,主要為泥鈣質弱膠結的碎石、塊石土,碎塊石母巖成分以白云巖為主,局部有互層狀成層韻律;下伏基巖主要為前震旦系天寶山組白云巖、板巖和千枚巖,巖層反傾坡內,傾向NW,傾角約49°,地質構造復雜,局部區域揉皺現象發育。

研究區為深切峽谷地貌,地表水排泄通暢,東側的金沙江為區內最低排泄基準面,南側發育一條近于垂直金沙江的小型沖溝新田溝。區內地下水為賦存于第四系弱膠結堆積體中的孔隙水和基巖裂隙水,受巖土體膠結程度、透水性質及斷裂構造影響具有明顯的不均一性,主要接受降雨及河流入滲補給。水庫蓄水后死水位945 m、常水位975 m,因此治理區將常年淹沒水下。調蓄期間,研究區地下水將與庫水發生較強的水力聯系。

2 治理原則與方案

2.1 治理原則

皎平渡山洞遺址的原址保護,屬于工程地質和文物保護的跨學科問題,采取工程治理措施需要多方面考慮。綜合文物保護需求和工程地質的分析,確定了如下治理原則:①保護工程需遵循“不改變文物體原狀、保護文物真實性、不造成新的破壞”為基本原則;②考慮文物的二次考古發掘,需兼顧“可識別、小干預及可逆性”的原則;③針對危及文物本體及載體穩定性和耐久性問題進行加固;④采用簡便適用、經濟合理、環保無污染、針對性強的治理方案;⑤治理方案需注意與環境的協調性和外觀的美觀性。

2.2 治理方案

基于前文所述的治理原則,對于皎平渡山洞遺址研究采用圍堰式外支內撐結構的綜合治理方案[23]。包括:抗滑樁及樁板墻、坡體注漿、坡表防滲、土方回填注漿、防滲帷幕、坡表錨噴的賦存坡體加固治理措施(圖3);以及洞壁表面隔離、洞內鋼拱架支撐、洞室回填的山洞本體加固措施(圖4)。山洞遺址加固治理方案模型如圖5所示,按照加固對象及施工順序說明如下:

圖3 賦存坡體加固治理方案示意圖Fig.3 The schematic diagram of slope reinforcement treatment scheme

a.抗滑樁及樁板墻

為了防止蓄水工況下山洞遺址賦存坡體沿土巖界面發生整體深層滑動,采用滑坡治理中常用的抗滑樁進行支擋加固(圖3、圖5-B)。在山洞后緣線性布置一排抗滑樁,為了確保樁體施工不會對山洞造成破壞,需保留足夠的安全距離;在山洞前緣北、東、南臨空側坡腳位置呈圓弧形布設一排抗滑樁;同時,前緣樁間增設混凝土擋板形成樁板墻(圖5-C),用于坡體臨空側土方回填?？够瑯恫捎镁匦位炷练綐?寬2 m,高3 m,中心距6 m。前緣抗滑樁入巖錨固長度18 m,總樁長36 m;后緣抗滑樁入巖錨固長度15 m,總樁長35 m。樁間混凝土擋板厚度為0.7 m。

圖5 山洞遺址加固治理方案模型Fig.5 Model of reinforcement scheme for cave ruins

b.坡體注漿

為了防止蓄水工況下庫水滲入坡體內部,浸潤軟化土體,造成山洞遺址潰散、坍塌而局部失穩,采用地基處理、邊坡支護中常用的注漿進行加固(圖3、圖5-D)。通過鋼花管向坡體碎塊石土壓力注漿,使得土體得到膠結改性,整體膠結程度和力學強度均得到提高。注漿孔采用梅花形布置,孔徑110 mm,中心距3 m,注漿深度進入巖層5 m,注漿材料選用水灰比為1：1的黏度時變漿液[24]。

c.坡表防滲

坡體注漿加固后,由于庫水入滲的薄弱位置在坡體表層,為了防止坡表軟化及強度降低,對表面1 m的土體進行再次加密注漿改性(圖3、圖5-E)。注漿工藝與坡體注漿相同,注漿孔穿插布置于坡體注漿孔之間,中心距減小為2 m。

d.土方回填注漿

坡體前緣與樁板墻間的空隙采用土方壓實回填,并注漿加固以增強回填土與整個坡體黏結性和自身的密實度(圖3、圖5-F)。目的在于:①使得原坡體頂部至樁板墻頂部形成平緩斜坡,消除原坡體三面臨空狀態,避免坡體發生向外傾倒、垮塌失穩;②將山洞遺址進行掩埋保護,進一步起到隔離防滲的作用。

e.防滲帷幕

為了防止高水頭作用下地下水過快滲入山洞,采用水利工程大壩防滲加固處理中常用的帷幕灌漿,距離山洞5 m處的坡體深部布置一圈弧形閉合的垂直防滲帷幕(圖3、圖5-G),弱化蓄水工況下靜水壓力和動水壓力對坡體的作用,對遺址區進行隔離防滲保護。帷幕尺寸厚2.5 m、深度70 m,上部相接于坡表防滲層,下部進入到中風化巖層,采用高壓旋噴進行灌漿,灌漿材料同坡體注漿材料。

f.坡表錨噴

g.山洞回填

考慮到山洞遺址本體是整個坡體應力集中的較為薄弱部位,為了防止發生由內而外的開裂、變形、坍塌,在洞室內部采用支撐結構進行保護(圖4)。具體包括:①洞壁表面隔離:洞壁表面噴涂具有良好彈性和抗撕裂性、具有一定強度和韌性的丙烯酸鹽保護膜,用于對洞壁淺表層的保護;②鋼拱架支撐:采用內嵌式鋼拱架對洞室內壁進行支撐加固,增加洞室抗壓能力和穩定性;③洞室回填:采取級配粒料(塊石、碎石、砂)充填于洞室內部,進一步提高洞室的抗壓能力。

3 研究區滲流場分析

3.1 滲流控制方程

研究區在蓄水和調蓄階段,土體在非飽和與飽和狀態變換,土中水的運動屬于飽和與非飽和滲流問題,滲流控制微分方程[25]表達式為:

(1)

式中:kx、ky分別為水平和垂直方向的滲透系數;H為總水頭;θ為單位體積含水量;t為時間。

體積含水量θ的改變依賴應力狀態變量(σ-μa)和(μa-μw),其中σ是總應力,μa是孔隙內的氣壓,μw是孔隙水壓力?？倯Σ蛔?孔隙氣壓為恒定大氣壓,所以單位體積含水量θ的變化是孔隙水壓力μw變化量的函數。表達式如下:

?θ=mw?μw

(2)

式中,mw為比水容量,即儲水曲線的斜率。

總水頭H定義為:

(3)

式中:γw為水的容重;y為高程。

式(3)經整理可得:

μw=γw(H-y)

(4)

式(2)與式(4)聯立可得:

?θ=mwγw?(H-y)

(5)

高程y是常量,對時間的導數為0,式(1)與式(5)聯立可得滲流控制方程如下:

(6)

3.2 滲流計算模型

選取研究區1-1′剖面,采用Geo-Studio有限元軟件SEEP/W進行模擬,治理前后的滲流計算模型如圖6所示,模型水平方向長度為282 m,垂直方向高度為195 m。邊界條件:底邊界為不透水邊界;左邊界以初始水位為界,其下為定水頭邊界,其上為不透水邊界;右邊界為不透水邊界;坡面邊界以實際庫水位為界,其下為變水頭邊界,其上為不透水邊界。初始條件采用初始水平地下水位,蓄水前為872 m,水位降落前為975 m。

圖6 滲流計算有限元模型Fig.6 The finite element model of seepage calculation

3.3 滲流計算參數

3.3.1 飽和滲透系數

注漿前,采用雙環注水試驗測試覆蓋層土體滲透性,平均飽和滲透系數為2.2×10-3cm/s。采用現場鉆孔壓水試驗測試基巖滲透性,強風化巖層透水率平均值為34.2 Lu,中風化巖層透水率平均值為7.8 Lu,平均飽和滲透系數分別為9.95×10-4cm/s和8.16×10-5cm/s。根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487—2008)附錄F巖土體滲透性分級,強風化巖層及中風化巖層分別屬于中等透水和弱透水。

注漿后,采用現場鉆孔壓水試驗測試注漿覆蓋層土體及注漿強風化層的滲透性。注漿覆蓋層(包含回填土部分)的平均飽和滲透系數為1.0×10-5cm/s。注漿強風化層平均飽和滲透系數為9.95×10-5cm/s。

根據混凝土結構抗滲等級換算,防滲帷幕及坡表防滲層滲透系數為1.0×10-6cm/s,樁間擋板及坡表錨噴層為1.0×10-8cm/s。

3.3.2 非飽和滲透系數

覆蓋層土體的非飽和滲透系數與其含水量及基質吸力密切相關。根據覆蓋層土體的飽和含水量、殘余含水量以及飽和滲透系數,采用Van Genuchten閉合方程來描述覆蓋層土體的滲透系數[26],治理前后覆蓋層的土水特征曲線見圖7,滲透系數與基質吸力關系曲線見圖8。

圖7 土水特征曲線Fig.7 Soil-water characteristic curve

圖8 滲透系數與基質吸力關系曲線Fig.8 Relation curve between permeability coefficient and matrix suction

3.4 滲流計算的工況

根據烏東德水電站蓄水方案,設置以下計算工況(表1)。

表1 滲流計算的工況Table 1 Working conditions of seepage calculation

3.5 數值模擬過程及結果分析

采用滲流瞬態分析方法,模擬研究區治理前后庫水位升降工況的瞬態滲流場,在此基礎上,對坡體內各時步的浸潤線進行了對比分析,同時根據山洞遺址區土體飽和度及孔隙水壓力數據,分析其變化規律。

3.5.1 浸潤線位置變化分析

庫水位上升階段以5 d為間隔、達到常水位后以30 d為間隔繪制浸潤線位置時程圖,治理前后浸潤線位置時程圖如圖9所示,曲線上數字為累計時間步數,代表不同時刻浸潤線位置。據圖可知:任意時間步的浸潤線高度均自坡表向坡體內部逐漸降低,強風化分界線處發生明顯轉折突變,這主要是由于覆蓋層土體及強風化巖層滲透系數遠大于中風化巖層所致。庫水向坡體內部的滲透進程可以由浸潤線位置的變化體現,總體上,浸潤線呈“S”形曲線由表及里逐漸推進,且隨著向坡體內部滲透浸潤線越密集,歷時越長。根據圖9的對比分析可知,治理區坡體內的浸潤線位置變化進程差別較大:治理前浸潤線由坡表向坡體內部呈現滯后性單向抬升,靠近坡面處基本與庫水位相接,遠離坡面逐漸滯后,浸潤線抬升速度較快,在約18 d抬升至山洞遺址;治理后浸潤線抬升遠滯后于庫水位,浸潤線密集分布在防滲結構附近,防滲帷幕圍限區內浸潤線呈現為由低到高的“包圍式”雙向抬升,抬升速度緩慢,在約150 d抬升至山洞遺址。同時,隨著庫水位升高,治理前后非治理區坡體內浸潤線位置在第60 d后趨于一致。

圖9 研究區浸潤線位置時程圖Fig.9 Time-history diagram of saturation line position in the study area

3.5.2 山洞遺址區土體飽和度分析

非飽和滲流計算的關鍵是根據飽和度計算出非飽和區的滲透系數[27]。圖10為結合庫水位線繪制的山洞遺址區土體飽和度—時間曲線,顯示水位上升各階段土體飽和度的變化。據圖可知:治理前,土體初始飽和度為0.43,隨著庫水位上升,在基質吸力作用下土體逐漸吸濕飽和,第10～18 d土體飽和度逐漸增大至1,即在水位上升的第①階段山洞遺址區土體即達到飽和狀態;治理后,遺址區土體孔隙體積減少,初始飽和度增大為0.68,第130～148 d土體飽和度逐漸增大至1,此時庫水位已進入常水位(975 m)階段。對比分析可知:治理前,山洞遺址區土體的滲透系數較大且滲流路徑短,在庫水位淹沒時即飽和;治理后,土體滲透系數減小且滲流路徑增長,土體的飽和進程遠滯后于庫水位上升進程。

3.5.3 山洞遺址區孔隙水壓力分析

庫水位升降常誘發邊坡失穩而發生滑坡的重要原因之一是坡體內部孔隙水壓力發生改變[28-29]。圖11為水位升降各階段山洞遺址區土體孔隙水壓力—時間曲線,數值計算時定義最大負壓力水頭為10 m,即初始孔隙水壓力均為-100 kPa。水位上升階段:治理前,第18 d孔隙水壓力增長至0 kPa,第①階段穩定期為30 kPa,第②階段穩定期為550kPa,第③階段穩定期為745 kPa,第④階段穩定期為845 kPa,常水位階段保持恒定;治理后,第①、②、③、④階段孔隙水壓力仍為初始值,進入常水位階段后以約1.64 kPa·d-1的速率緩慢增長。水位下降階段:治理前,孔隙水壓力隨著水位下降呈線性降低,速率為10 kPa·d-1,死水位階段保持恒定;治理后,孔隙水壓力在水位下降初期降低速率約為0.1 kPa·d-1,死水位階段約為0.51 kPa·d-1。對比分析可知:治理前,土體孔隙水壓力變化明顯具有階段性,其變化率與庫水位升降速率一致,表現為靜水壓力型;治理后,土體孔隙水壓力變化受庫水位影響較小,滯后性明顯,表現為滲流變化型。

圖10 山洞遺址區土體飽和度—時間曲線Fig.10 Soil saturation-time curve in cave ruins area

圖11 山洞遺址區土體孔隙水壓力—時間曲線Fig.11 Pore water pressure-time curve of soil in cave ruins area

4 結 論

a.針對水庫淹沒區巖土體文物采用原址保護方案時,應兼顧文物本體及載體的穩定性和耐久性問題,本文以皎平渡山洞遺址為例,提出了圍堰式外支內撐結構的綜合治理方案。對于遺址賦存岸坡采用抗滑樁、樁板墻、坡體注漿、坡表防滲、土方回填注漿、防滲帷幕及坡表錨噴進行協同加固;對于山洞本體則采用洞壁表面隔離、洞內鋼拱架支撐、洞室回填的加固措施。

b.為了驗證保護方案的可行性,采用有限元法分析了研究區的滲流場變化。結果表明,在增加工程治理措施后,有效地減緩了治理區地下水位的抬升和土體的飽和進程,明顯降低了孔隙水壓力的變化速率。采用坡體注漿及坡表防滲措施,能夠有效充填覆蓋層孔隙及強風化層裂隙,使得滲透系數大幅度減小;采用深部防滲帷幕使得地下水沿著帷幕邊界豎向繞流,延長了滲流路徑,增大了沿程水頭損失;采用樁板墻及坡表錨噴的加固措施則進一步防止坡表土體的崩解與裂縫的產生,減少了水體由坡面的直接入滲。