淺析天龍山石窟群核心區(qū)域地質(zhì)特征

于 灝 謝 楓

1.太原市文物保護(hù)研究院（天龍山石窟博物館） 山西 太原 030000

2.太原市文物保護(hù)研究院（晉祠博物館） 山西 太原 030000

天龍山原名方山,東魏時(shí)大丞相高歡就在晉陽(yáng)西的方山（今天龍山）興建了避暑離宮、開鑿了石窟,拉開了天龍山早期人文歷史的序幕。后世北齊、隋、唐、五代伴隨政權(quán)的更迭,駐守晉陽(yáng)的王侯貴族在此基礎(chǔ)上依舊建新,形成了今天著名的天龍山石窟群。其核心區(qū)域現(xiàn)存石窟25座,大小石佛造像500余尊,浮雕壁畫等1144余幅,是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

一、天龍山地理環(huán)境及地質(zhì)特征

按照我國(guó)巖體勘探的技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程對(duì)天龍山石窟群核心區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)特征勘察摸底,并做以下分析研究。

天龍山地處太原市西山36KM東南邊緣帶,屬呂梁山支脈。核心區(qū)域所處地貌類型比較簡(jiǎn)單,按成因類型分為頂部剝蝕、侵蝕中山和柳子溝侵蝕堆積溝谷兩大地貌單元,大部分是基巖裸露的山區(qū),海拔高度為800～1445 M,主要有石炭,二疊系砂巖、砂頁(yè)巖及風(fēng)化物,同時(shí)還有零星的黃土及厚度不等的殘坡積物覆蓋層。在石窟區(qū)的東、西兩峰之間,是溝谷發(fā)育的柳子溝,斷面似“V”型,天龍山區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)比較頻繁,巖體裂障比較發(fā)育,主要走向?yàn)楸睎|向和北西向,傾向多為東南和東北,富含裂隙水。

二、巖土勘察

根據(jù)我國(guó)《巖土工程勘察規(guī)范》勘察工作按復(fù)雜地基、巖土工程勘察詳勘要求來布置工作量,勘探點(diǎn)沿構(gòu)筑物角點(diǎn)布設(shè),間距控制在30M以內(nèi),控制性勘探孔深度按構(gòu)筑物基底壓力估算的壓縮層深度確定;一般性勘探孔孔深以控制主要受力層為原則?？辈觳扇√歇?dú)立坐標(biāo)系,大沽高程系。

2.1 鉆孔,水池采用GJ-150型鉆機(jī)施工,水位以上采用干鉆鉆進(jìn),水位以下采取泥漿護(hù)壁或套管護(hù)壁,雙管單動(dòng)鉆具,回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)并取土。

2.2 取樣:根據(jù)試驗(yàn)的要求,采樣原狀土試樣質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)或接近Ⅱ級(jí),15 M以上每1.5 M取土樣一件,15 M以下每2.0M取土樣一件。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),在鉆孔內(nèi)的預(yù)定深度進(jìn)行,遇卵石改用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn),采用63.5KG錘,落距76CM,自由落錘,預(yù)擊15CM,記錄每10CM和累計(jì)30CM的錘擊數(shù),并采集擾動(dòng)樣。其余構(gòu)筑物由于大型鉆機(jī)無法就位,使用背包型工程鉆機(jī),回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。如深部土層也軟弱,或上部荷載較大、沉降有嚴(yán)格要求的則采用深基礎(chǔ)。

2.4 掘探,針對(duì)坡頂殘積土層進(jìn)行探槽描述記錄。

已完成勘察工作量匯總表

例:高歡暑宮,位居?xùn)|西兩峰的交匯處,巖層傾向?yàn)楸蔽飨?傾角:10～15°,西側(cè)、南側(cè)臨空面風(fēng)化嚴(yán)重,裂隙發(fā)育,許多裂隙內(nèi)生長(zhǎng)樹木根系,長(zhǎng)期受風(fēng)化、雨水侵蝕作用,南側(cè)陡坎表面80CM厚的風(fēng)化巖已處于崩塌的邊沿,穩(wěn)定性極差。

三、地層時(shí)代及類型分析

天龍山保護(hù)區(qū)內(nèi)地層巖性出露石炭紀(jì)上統(tǒng)及二疊紀(jì)地層,石窟佛像開鑿于二疊紀(jì)地層的崖壁上,巖石是一套以陸源碎屑沉積為主的沉積巖。根據(jù)地基土構(gòu)成及巖性特征,勘探原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)資料綜合分析,在勘察深度范圍內(nèi),計(jì)劃建設(shè)場(chǎng)地地基土龍門游客中心,從上至下共分為3層,現(xiàn)依層序分述如下:

第1層 殘積土（Q2MI）,由碎石、風(fēng)化基巖塊、水泥塊等組成。該層物質(zhì)成份雜亂,結(jié)構(gòu)松散,均勻性差,呈欠壓密狀態(tài)。

第2層碎石（Q2MI）,雜色,母巖成分以砂巖與灰?guī)r為主出,磨圓度一般,稍濕、中密,顆粒級(jí)配不良、充填物為粗砂及粉土,混夾有少量漂石。

第3層 砂巖,褐黃色,強(qiáng)風(fēng)化,較軟巖,砂質(zhì)結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖體較破碎,巖芯多星短柱狀,局部呈碎塊狀。巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

按照標(biāo)準(zhǔn)勘察深度范圍內(nèi),上部為殘積土、粉土、卵礫石層,下部石炭系砂巖、泥巖。膠結(jié)物以硅質(zhì)最常見,膠結(jié)類型為孔隙式,屬堅(jiān)硬巖石,但軟化系數(shù)較低,抗凍性差,抗風(fēng)化能力中等。

四、地表水文特征

天龍山為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫9℃年平均降水量為511MM,降水量多集中在6.7.8月。柳子沙河屬黃河水系,是地下水逕流有排泄區(qū)發(fā)源于晉源區(qū)晉祠鎮(zhèn)牛家口柳子溝內(nèi),由西向東流入汾河,全長(zhǎng)15KM,屬季節(jié)性河流;白龍洞泉,位于東、西峰交匯處,白龍洞內(nèi),在古代為禱雨之所,高度與石窟同水平;

天龍寺泉,位于天龍寺內(nèi)。它們都是地下水排泄的主要途徑。成因類型為上升泉,層位在二疊紀(jì)上統(tǒng),為弱堿性水,是天龍山石窟博物館的主要飲用水源。

天龍山地下水以裂隙水分布為主,同時(shí)分布有少量的孔隙水。天龍山裂隙水含水層為基巖風(fēng)化殼和地層砂巖的成巖裂隙、構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙中,富水程度差異很大,地下水位深度隨地形而變化。化學(xué)類型多為:S0--CA、NA型水,礦化度低,PH值7.6,為堿性水。天龍山孔隙含水巖層為松散巖類,地下水賦存于巖石碎屑和松散沉積物孔隙中,各層含水層沒有統(tǒng)一的地下水位,富水性較好,水位很淺,礦化度0.5G/L左右,PH值7.1,為弱堿性水。

五、巖土抗震

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,太原市抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20G,設(shè)計(jì)地震分組為第二組。特征周期值為0.3S。擬建場(chǎng)地20.0M深度范圍內(nèi)等效剪切波速值V估算值介于500-800M/S之間,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料,覆蓋層厚度0M之間,建筑場(chǎng)地類別為I類;地基土液化判別,建設(shè)場(chǎng)地20M范圍內(nèi)不存在飽和粉土和砂土,可不考慮地基土的液化影響。根據(jù)擬建場(chǎng)地地形、地貌及地基土特征,按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》劃分,擬建構(gòu)筑物游客服務(wù)中心西南側(cè)、高歡暑宮南側(cè)、觀松閣廊亭南側(cè)陡坎均位于山體邊緣,破碎嚴(yán)重,易崩塌、滑坡等,屬對(duì)構(gòu)筑抗震不利地段,其余構(gòu)筑物均屬對(duì)構(gòu)筑抗震一般地段。場(chǎng)地各土層波速值大于140M/S,因此場(chǎng)地各土層可不考慮軟土的震陷問題。核心場(chǎng)地僅觀松閣廊亭位置上部出露濕陷性粉土,其余位置以砂巖為主,不考慮地基土的濕陷性。

觀松閣廊亭根據(jù)探井土樣濕陷性試驗(yàn)結(jié)果,依據(jù)《濕陷性黃土場(chǎng)地勘察及地基處理技術(shù)規(guī)范》（DBJ04/T312-2015）第4.4.4～5條進(jìn)行自重濕陷量與總濕陷量計(jì)算。根據(jù)T1～T2探井自重濕陷量從整平標(biāo)高算起,經(jīng)計(jì)算,知擬建場(chǎng)地屬非自重濕陷性黃土場(chǎng)地,濕陷等級(jí)為I級(jí)。根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)、標(biāo)貫試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,并結(jié)合地區(qū)建筑經(jīng)驗(yàn)綜合考慮,確定各層地基土的承載力特征值,建議結(jié)果見表:

觀松閣、廊、亭地基土承載力特征值一覽表

備注:自重溫陷量自整平標(biāo)高算起,溫陷量自基底算起。

六、結(jié)束語

經(jīng)上分析探討,計(jì)劃建設(shè)觀松閣廊亭、高歡暑宮等部分建設(shè)場(chǎng)地經(jīng)風(fēng)化、雨水侵蝕及植物根系生長(zhǎng),已嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性,垂直裂隙極其發(fā)育,隨著時(shí)間的推移或外力的影響,會(huì)出現(xiàn)邊部巖體剝離崩塌現(xiàn)象,不利于上部擋墻的穩(wěn)定,需對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理。即采用釘錨桿對(duì)表層剝離巖體進(jìn)行加固處理。從上到下布置三層錨桿,水平間距1.5M,垂直間距1.2M,梅花型布置,錨桿長(zhǎng)度上部?jī)蓪?.0M,下部6.0M,鋼筋直徑25MM,成孔直徑120MM,注漿材料采用P.042.5普通硅酸鹽水泥,水灰比0.45～0.50,錨固體28天強(qiáng)度20MPA。巖土鉆進(jìn)過程中應(yīng)注意成孔宜采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝,避免采用沖擊成孔工藝,防止振動(dòng)影響加劇巖體的分離崩塌;采取措施保證錨桿前端1.5M不充滿漿液,同時(shí)避免漿液漫流擠壓外部巖體;錨桿應(yīng)有不小于50KN的預(yù)加力,錨頭墊板尺寸為200X200MM;時(shí)隔孔施工,隨成孔隨注漿,不允許成許多孔后一次注漿;當(dāng)發(fā)生跑漿時(shí),應(yīng)間隔注漿;另需將深入巖縫中的樹木根系清除,避免繼續(xù)生長(zhǎng)擠壓巖體,發(fā)生崩塌現(xiàn)象。

本次勘察深度范圍內(nèi),場(chǎng)地地基土自上而下為:第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ML）、第四系上更新統(tǒng)沖洪積成因的粉土、卵礫石、碎石（Q2）,石炭系（C）砂巖、泥巖;勘察深度范圍內(nèi),未揭露地下水。設(shè)計(jì)地震分組為第二組,特征周期值為0.3S;擬建場(chǎng)地為非液化場(chǎng)地,類別為I類;游客服務(wù)中心西南側(cè)、高歡暑宮南側(cè)、觀松閣廊亭南側(cè)、木牌樓南側(cè)、春秋樓北側(cè)屬對(duì)建筑抗震不利地段;構(gòu)筑物可不考慮濕陷性;根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》（DBJ04/T258-2016）,太原市標(biāo)準(zhǔn)凍深為0.74M。因此綜合建議石窟群核心區(qū)域各土層承載力特征值FAK可按中拉力建議值采用。

本次勘察研究摸清了天龍山石窟群核心區(qū)域內(nèi)巖土層存在的主要風(fēng)險(xiǎn)情況。便于及時(shí)規(guī)劃保護(hù)范圍和建設(shè)控制地帶的管控實(shí)施,有利于實(shí)現(xiàn)天龍山石窟群巖體結(jié)構(gòu)科學(xué)防護(hù)設(shè)施建設(shè)。