長城第一墩崖壁失穩(wěn)成因分析及治理措施探討

燕群

摘 要：文化遺產(chǎn)是人類在漫長的發(fā)展過程中所保留下來的杰作，它不是一般的資產(chǎn)，也不是一般意義的經(jīng)濟(jì)資源，是具有唯一性、不可替代性、不可再生性的特殊資源。其特殊性主要有兩點(diǎn)：一是珍稀性，二是易失性。由于自然條件的嚴(yán)酷和文物本身的脆弱性，加之保護(hù)資金投入不足，嘉峪關(guān)長城遺址開始出現(xiàn)自然損壞的現(xiàn)象，文化遺產(chǎn)的安全性受到一定的威脅，嚴(yán)重影響著嘉峪關(guān)文物景區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。本文以長城第一墩崖體為例，在調(diào)查分析崖體變形特征的基礎(chǔ)上，通過分析探討崖體錨固、河岸防護(hù)、地表排水等措施，對第一墩崖體進(jìn)行綜合治理，以達(dá)到崖體整體穩(wěn)定、保護(hù)文物安全的目的。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞；長城第一墩；崖壁加固；成因分析；治理措施

1 引言

嘉峪關(guān)長城第一墩文物景區(qū)位于河西走廊西段、嘉峪關(guān)市西南峪泉鎮(zhèn)境內(nèi)，占地面積約3.58平方公里，距聞名中外的嘉峪關(guān)關(guān)城7.5公里，距嘉峪關(guān)市區(qū)7公里。

嘉峪關(guān)長城第一墩又名“討賴河墩”和“頭墩”，地處第一墩景區(qū)的中心，位于嘉峪關(guān)關(guān)城南翼長城——“明墻”最南端、討賴河北岸高達(dá)56米的懸崖峭壁之上。它是肅州西長城的盡頭，又是明代萬里長城最西端的第一座墩臺。長城第一墩是嘉峪關(guān)長城防御體系的重要組成部分，具有重要的古代軍事威懾和防御作用，對研究古代軍事設(shè)施和古代建筑有著重要的價值，為研究中國長城提供了實(shí)物資料。

近年來，為保護(hù)墩臺，在墩北側(cè)修筑了30多米長的仿古城墻，在討賴河北岸修筑了水流改道河床和攔河壩，并對墩臺本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)措施，對墩臺表面進(jìn)行了防風(fēng)化加固措施，這些措施對第一墩的安全起到了有效的保護(hù)作用。同時為有效防止崖壁巖體在自重及外力作用下發(fā)生傾倒、崩塌等破壞，對第一墩附近及地下谷擴(kuò)建場地下方崖壁巖體進(jìn)行了系統(tǒng)錨固工程，區(qū)域崖體的穩(wěn)定性得到了提高。但第一墩至地下谷間的崖體亦有卸荷開裂，下部河水沖刷，崖體懸空的問題，若不予以治理，長時間作用，可能影響第一墩的安全，破壞第一墩特有的環(huán)境地貌。

2 工程地質(zhì)概況

第一墩所在地區(qū)在地貌上位于祁連山山前沖、洪積平原的上部，討賴河河岸的邊緣，由于河水常年沖刷、侵蝕，在場地內(nèi)形成了相對高差56m，寬170m的“U”字型非巖質(zhì)大峽谷。

工程區(qū)屬河西走廊地震帶，包括祁連山地震帶和民勤地震帶。根據(jù)歷史地震重演原則、構(gòu)造類比原則和地震地質(zhì)、地震活動及深部構(gòu)造指標(biāo)，采用分區(qū)劃段方法，判定未來百年內(nèi)，嘉峪關(guān)斷層不具備發(fā)生八度以上地震的條件。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）附錄A規(guī)定，嘉峪關(guān)市抗震設(shè)防烈度為7度。根據(jù)工程勘察成果判定，該建筑場地類別為Ⅱ類。由于該場地位于討賴河河岸的邊緣，場地內(nèi)存在有相對高差56m的非巖質(zhì)大峽谷，屬抗震不利地段。

景區(qū)內(nèi)水系以討賴河為主體，討賴河為內(nèi)陸常年性河流，其流水量隨季節(jié)的變化而增減，年平均流量為20.6m3/s，遇山洪時，河水猛漲，實(shí)測最大洪峰流量1120m3/s。在勘察場地及上游段地形坡降大，河水流速高，沖刷力強(qiáng)，當(dāng)洪峰出現(xiàn)時，河流對河床兩壁具有較強(qiáng)的沖刷。

3 崖體病害特征及成因分析

3.1 崖體的病害特征

由于長城第一墩所處的崖壁陡峭，且崖壁下部有討賴河流過，在漫長的歷史年代中，受各種自然力與人為因素的長期影響，第一墩至地下谷下部的崖壁巖體不斷卸荷開裂、風(fēng)化剝落，穩(wěn)定性逐漸降低，雖然第一墩正下方及地下谷處崖壁已進(jìn)行過錨固處理，但第一墩西側(cè)、第一墩至地下谷之間的崖壁尚未進(jìn)行過任何加固措施，此段崖壁有卸荷崩坍、河水沖刷、淘蝕的現(xiàn)象。

第一墩西側(cè)、第一墩至地下谷之間崖體存在的主要地質(zhì)病害有以下兩類：

3.1.1 裂隙切割巖體造成的崩坍

在崖壁頂部，主要分布有兩條延伸較長、貫通張開的卸荷裂隙，其中1#裂隙距崖壁邊緣約3.8m，裂隙可見范圍為第一墩東側(cè)45～90m，可見長度為45m，裂隙寬度為2～5mm；2#裂隙距崖壁2.0～5.6m，裂隙可見范圍為觀景臺至觀景臺以西78m，可見長度78m，裂隙寬度為20～800mm。裂隙切割形成危巖體，威脅著長城第一墩及地下谷的穩(wěn)定，如不對其進(jìn)行工程加固，將給長城第一墩、游人和相關(guān)設(shè)施的安全帶來極大的安全隱患。

1）A危巖區(qū)。A區(qū)位于第一墩以西46～84m范圍內(nèi)。該區(qū)危巖體沿整個崖面連續(xù)分布，呈板狀，危巖體主要由厚層礫巖組成，巖質(zhì)較軟弱，微～中風(fēng)化，表層巖體風(fēng)化較為嚴(yán)重，常呈鱗片狀剝落，存在卸荷裂隙，底部發(fā)生坍塌，局部懸空。目前，A區(qū)危巖體變形不斷加劇，卸荷裂隙不斷向后牽引發(fā)展，如果任其進(jìn)一步發(fā)展變形，將會不斷牽引第一墩下部巖體發(fā)生坍塌，嚴(yán)重威脅第一墩的穩(wěn)定性。

2）B危巖區(qū)。B區(qū)位于第一墩以西46m至第一墩以東102m范圍內(nèi)。該區(qū)危巖體分布、巖質(zhì)及風(fēng)化剝落情況與A區(qū)一致，存在卸荷裂隙。目前，B區(qū)巖體整體穩(wěn)定性相對較好，但崖壁表層片狀危巖體的穩(wěn)定性較差，不斷發(fā)生局部坍塌現(xiàn)象，若卸荷裂隙繼續(xù)不斷向后牽引發(fā)展，將影響該區(qū)巖體的穩(wěn)定，更重要的是第一墩本體就在該區(qū)正上部，該區(qū)巖體穩(wěn)定如何直接關(guān)系著第一墩本體的安全。

3）C危巖區(qū)。C區(qū)位于地下谷觀景臺至觀景臺以西78m范圍內(nèi)。該區(qū)危巖體分布、巖質(zhì)及風(fēng)化剝落情況與A區(qū)一致，存在卸荷裂隙，底部受河水淘蝕，局部懸空。目前，C區(qū)危巖體變形已非常劇烈，卸荷裂隙大范圍牽引張開，不斷向后、向東牽引發(fā)展，如果任其進(jìn)一步發(fā)展變形，該區(qū)巖體將失穩(wěn)崩塌，大片的危巖體崩塌變形將直接影響觀景臺及其后部地下谷的安全。

4）D危巖區(qū)。D區(qū)位于觀景臺以西10～45m范圍內(nèi)。該區(qū)危巖體分布、巖質(zhì)及風(fēng)化剝落情況與A區(qū)一致，存在卸荷裂隙，底部受河水淘蝕，發(fā)生坍塌、崖壁反傾。目前，D區(qū)危巖體變形已較為劇烈，由于其距離觀景臺和地下谷較近，勢必影響觀景臺和地下谷的安全。

3.1.2 河水沖刷掏蝕崖壁坡腳，造成巖體懸空

地下谷處的崖壁底部已進(jìn)行了防護(hù)，而其余部分崖壁底部巖體長年受到河水的直接沖刷，已形成了掏蝕凹槽，加劇了坡腳巖體的應(yīng)力集中和上方巖體的變形以及裂隙的擴(kuò)張，對崖壁穩(wěn)定極為不利。

3.2 病害的成因分析

3.2.1 工程區(qū)地形地貌及地層巖性是崖壁穩(wěn)定性差的內(nèi)因

工程區(qū)崖壁由于河水的沖刷、侵蝕，已經(jīng)形成了一相對高差56m、寬170m的非巖質(zhì)大峽谷，峽谷壁陡立，在坡腳處形成應(yīng)力集中，坡頂邊緣部位在卸荷作用影響下，易形成拉力帶，產(chǎn)生卸荷裂隙。從野外實(shí)地觀察，其谷壁巖性均為Q3apl卵石，泥質(zhì)膠結(jié)，巖體膠結(jié)強(qiáng)度較低，整體性差，易于變形失穩(wěn)。

3.2.2 河流沖刷和地震影響是誘發(fā)崖壁巖體失穩(wěn)的直接原因

工程區(qū)崖壁位于討賴河河岸的邊緣，由于河流在此河谷坡降大，平均流速高，特別是洪峰時流量劇增，流水對河床及河岸的沖刷侵蝕，會引起岸坡巖體的崩塌，使上部崖壁失去部分支撐。此外河水的浸泡，使坡腳部位巖體中的泥質(zhì)膠結(jié)軟化，造成巖體強(qiáng)度降低，為崖壁失穩(wěn)埋下隱患。

地震是崖壁失穩(wěn)的最不利誘因，具有突發(fā)性和直接性，特別是已經(jīng)存在貫通裂隙的危巖體，在地震狀態(tài)下極易產(chǎn)生崩塌。

3.2.3 地表水沿裂隙流入對弱化崖壁巖體穩(wěn)定有重要影響

由于現(xiàn)有卸荷裂隙張開，雨季時降雨沿裂隙流入巖體，使巖體趨于軟化，導(dǎo)致裂隙切割深度不斷增加，危巖體與母巖剝離面積擴(kuò)大，危巖體穩(wěn)定性變差。

4 崖體穩(wěn)定性評價

嘉峪關(guān)長城第一墩崖壁危巖體的破壞模式主要是傾倒崩塌破壞。傾倒崩塌破壞是指危巖體的上下部分和穩(wěn)定巖體之間均有裂隙分開，一旦發(fā)生傾倒，將以危巖體趾腳點(diǎn)為轉(zhuǎn)點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動。

根據(jù)現(xiàn)場勘察，確定可能的破壞形式，可以利用公式計算穩(wěn)定系數(shù)的大小，如表1。

5 治理措施

為確保崖壁的長期安全穩(wěn)定，治理工程應(yīng)分為崖壁加固、河岸防護(hù)、地表及巖體注漿嵌補(bǔ)、地表排水等四個部分。

5.1 崖壁錨固

根據(jù)加固范圍的危險程度及重要程度不同，將加固區(qū)域劃分為重點(diǎn)加固區(qū)、次重點(diǎn)加固區(qū)和普通加固區(qū)，其中A、C危巖區(qū)為重點(diǎn)加固區(qū)，D危巖區(qū)為次重點(diǎn)加固區(qū)，B危巖區(qū)為普通加固區(qū)。

1）A危巖區(qū)。為保證崖體整體穩(wěn)定，在危巖體中部設(shè)置六排抗剪加強(qiáng)錨桿，水平間距為6m，垂直間距為3m，共計30根；在巖體中部設(shè)置四排拉力分散型錨索，水平間距為6m，垂直間距為3m，共計20根；考慮單根錨桿抗拉強(qiáng)度為80kN，另需約78根錨桿。共提供錨固力≥162000kN。

2）B危巖區(qū)。為保證崖體整體穩(wěn)定，在危巖體中部設(shè)置三排抗剪加強(qiáng)錨桿，水平間距為6m，垂直間距為3m，共計63根；在巖體中部設(shè)置三排拉力分散型錨索，水平間距為6m，垂直間距為3m，共計63根；考慮單根錨桿抗拉強(qiáng)度為80kN，另需約146根錨桿。共提供錨固力≥39415kN。

3）C危巖區(qū)。為保證崖體整體穩(wěn)定，在危巖體上部及中部設(shè)置九排抗剪加強(qiáng)錨桿，水平間距為7m，垂直間距為3.5m，共計99根；在危巖體上部及中部設(shè)置九排拉力分散型錨索，水平間距為7m，垂直間距為3.5m，共計99根；考慮單根錨桿抗拉強(qiáng)度為80kN，另需約100根錨桿。共提供錨固力≥516000kN。

4）D危巖區(qū)。為保證崖體整體穩(wěn)定，在危巖體上部及中部設(shè)置六排抗剪加強(qiáng)錨桿，水平間距為6m，垂直間距為3m，共計36根；在危巖體上部及中部設(shè)置五排拉力分散型錨索，水平間距為6m，垂直間距為3m，共計30根；考慮單根錨桿抗拉強(qiáng)度為80kN，另需約46根錨桿。共提供錨固力≥176000kN。

5.2 地表及巖體內(nèi)部裂隙注漿

為提高加固區(qū)域巖體的整體性，結(jié)合錨固工程對地表及巖體內(nèi)部主要裂隙進(jìn)行注漿加固，以防止地表降雨沿裂隙滲入巖體內(nèi)部，從而影響巖體穩(wěn)定。漿液采用32.5R普通硅酸鹽水泥配制。在施工前，針對巖體的可注入性進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，以確定漿液配比，使注漿達(dá)到最佳效果。針對地表寬達(dá)20～800mm的裂隙，采用粘土夯填處理。

5.3 危巖體底部沖蝕凹槽嵌補(bǔ)

在對崖壁危巖體進(jìn)行錨固和注漿加固的同時，采用C25素混凝土對長期經(jīng)受河水沖刷掏蝕而形成的凹槽進(jìn)行嵌補(bǔ)加固，其中A區(qū)嵌補(bǔ)長度為15m，高度為2.5m，厚度為1.5m；C區(qū)嵌補(bǔ)長度為50m，與地下谷下部的嵌補(bǔ)墻相接，河床以下深度2.5m，河床以上高度為2.0m，總高度4.5m，平均厚度為1.5m。

5.4 地表排水

對崖壁頂部卸荷裂隙注漿后，表層寬大裂隙采用粘土夯填處理，夯填體積約為40m3，并對場地進(jìn)行平整，平整面積為3000m2，設(shè)置排水溝，水溝上部安裝漿砌卵石蓋板。

6 結(jié)語

1）崖體應(yīng)進(jìn)行綜合治理，多種措施有機(jī)結(jié)合。治理過程中把錨固與支頂及排水等各種手段方法有機(jī)地結(jié)合起來，相互補(bǔ)充、相互配合，既可以確保崖體的整體穩(wěn)定，又可以有效節(jié)約投資。從而為文物本體的安全提供保障。

2）由于加固部位的巖體計算高度、厚度及裂縫切割深度不一，施工腳手架搭設(shè)完成后，及時通知設(shè)計人員近距離復(fù)核裂隙切割情況，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整工程量，對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化處理。同時，施工單位在錨桿、錨索成孔時，對裂隙切割深度、位置、寬度進(jìn)行詳細(xì)記錄，以便于設(shè)計單位優(yōu)化錨桿（索）布置，減少錨孔數(shù)量，確保巖體的整體性和穩(wěn)定性。

3）在工程實(shí)施過程中，設(shè)置合理的變形監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測危巖體的變形、失穩(wěn)趨勢，以合理評價巖體加固效果，并為以后類似工程提供數(shù)據(jù)參考。

4）由于錨固與支頂及排水等各種手段方法，是基于文物保護(hù)保持原貌的原則而采取的保護(hù)措施，按地質(zhì)災(zāi)害治理的相關(guān)規(guī)定，須對崖壁進(jìn)行噴漿掛網(wǎng)，以防止巖體風(fēng)化及小塊巖體掉落。因此，本工程措施不能解決巖體風(fēng)化及小塊巖體掉落問題，需要文保設(shè)計單位進(jìn)一步研究提出防治辦法。

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