水庫(kù)淹沒區(qū)巖土體遺址保護(hù)利用方案研究
——以皎平渡紅色革命遺址為例

丁梓涵，喬 榛，吳冠仲

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；3.國(guó)家文物局石窟保護(hù)技術(shù)重點(diǎn)科研基地，甘肅 蘭州 730000)

0 前 言

興建水庫(kù)時(shí)，須對(duì)水庫(kù)區(qū)及周邊文化遺址進(jìn)行勘測(cè)調(diào)查，對(duì)淹沒區(qū)及其影響區(qū)內(nèi)的文物古跡進(jìn)行保護(hù)，以留住文化根脈、守住民族之魂。水庫(kù)淹沒區(qū)及其影響區(qū)遺址的保護(hù)和利用，應(yīng)在地質(zhì)環(huán)境條件勘察、文物遺址性質(zhì)及保存現(xiàn)狀調(diào)查、遺址賦存載體穩(wěn)定性分析等基礎(chǔ)上，制定科學(xué)合理的保護(hù)方案和措施[1]。目前，我國(guó)已有水庫(kù)淹沒區(qū)文物保護(hù)方案多采取搬遷重建[2]，如三峽水庫(kù)淹沒區(qū)的張飛廟[3]和大昌古鎮(zhèn)[4]、三門峽水庫(kù)淹沒區(qū)的永樂宮[5]、葛洲壩水庫(kù)淹沒區(qū)的屈子祠[6]等淹沒較淺的古建筑或可移動(dòng)文物；少數(shù)采取原址保護(hù)措施，如黃羊水庫(kù)淹沒區(qū)的天梯山石窟在石窟外圍設(shè)計(jì)建造高22 m、長(zhǎng)52 m的圍堰大壩[7]，劉家峽水庫(kù)淹沒區(qū)的炳靈寺石窟采取高15 m、長(zhǎng)200 m的堤防保護(hù)措施[5-6]，三峽水庫(kù)淹沒區(qū)的白鶴梁石刻則建設(shè)水下博物館，實(shí)現(xiàn)了文物保護(hù)兼展示利用[8-10]。

皎平渡革命遺址屬于巖土體類文物，無(wú)法進(jìn)行整體搬遷復(fù)建，而水庫(kù)蓄水后將處于水下90 m深度，無(wú)法兼顧保護(hù)和展示利用的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)此深水庫(kù)淹沒區(qū)巖土體文物，通過詳細(xì)調(diào)查地質(zhì)環(huán)境、遺址病害及賦存載體情況，重點(diǎn)分析了水庫(kù)蓄水后文物本體及載體的穩(wěn)定性，提出比選方案并最終確定了“原址封護(hù)加固+異地復(fù)建展示”的保護(hù)利用方案，為類似深水庫(kù)淹沒區(qū)巖土體文物保護(hù)方案提供參考。

1 遺址概況及水庫(kù)建設(shè)

1.1 文物遺址概況

1935年5月3—9日，中央紅軍3萬(wàn)余人在皎平渡口成功渡江，擺脫了十萬(wàn)國(guó)民黨軍隊(duì)圍追堵截。皎平渡渡口山洞正是毛澤東、朱德、周恩來(lái)等中央領(lǐng)導(dǎo)人指揮紅軍“巧渡金沙江”的住所。皎平渡山洞遺址是國(guó)家重要革命文物，是全國(guó)100個(gè)紅色旅游景區(qū)和30條紅色旅游精品路線之一，是四川省第一批省級(jí)文物保護(hù)單位中革命遺址及革命紀(jì)念建筑物之一，是省級(jí)愛國(guó)主義教育基地。

皎平渡革命遺址包括11個(gè)山洞和3段穿洞。穿洞為長(zhǎng)56 m、寬1.5 m、高1.6～1.8 m的隧洞，穿洞西南面鑿有坐北向南的山洞3個(gè)，穿洞內(nèi)部鑿有坐西向東的山洞3個(gè)，穿洞東北面鑿有坐南向北的山洞5個(gè)。

1.2 水電工程建設(shè)

烏東德水電站是金沙江下游河段規(guī)劃建設(shè)的4個(gè)水電梯級(jí)最上游一級(jí)。皎平渡渡口革命遺址位于涼山州會(huì)理縣通安鎮(zhèn)中武村、金沙江左岸中武山坡腳，處于距烏東德水庫(kù)上游33 km的水庫(kù)淹沒區(qū)內(nèi)。革命遺址高程約885 m，水庫(kù)蓄水前遺址高出江水水位約10 m，水庫(kù)蓄水后遺址將被全部淹沒至常水位975 m以下90 m的深度。

2 工程地質(zhì)環(huán)境條件

遺址區(qū)位于金沙江左岸中武山坡腳、新田溝左岸溝口，南東兩側(cè)臨空，東側(cè)為金沙江、南側(cè)為新田溝，坡腳呈近直立陡壁，坡度約80°，高約13～15 m。

坡體下伏基巖為中遠(yuǎn)古界前震旦系天寶山組(Pt2tb)板巖和千枚巖，巖層呈傾向坡內(nèi)的陡傾層狀結(jié)構(gòu)，薄層～中厚狀，輕微變質(zhì)，局部可見極破碎狀的碳化現(xiàn)象，巖體卸荷、風(fēng)化程度相對(duì)較高，一定深度范圍內(nèi)有發(fā)生彎曲-拉裂變形的可能，不利于遺址賦存坡體的整體穩(wěn)定性。

3 遺址病害現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，遺址存在多種病害及不良地質(zhì)現(xiàn)象。

3.1 洞內(nèi)塌頂

7-5號(hào)洞內(nèi)存在按碎石土韻律層逐層剝落的塌頂現(xiàn)象，崩落的碎塊石土堆積于洞內(nèi)地面。7-5號(hào)山洞由前、中、后3個(gè)串聯(lián)的山洞組成，其中前洞進(jìn)深3 m、開間6 m、凈高約2.5 m，是皎平渡山洞群中洞內(nèi)空間最大的山洞，其穩(wěn)定性也相對(duì)較差。開鑿山洞的地層由歷史上不同時(shí)期多次崩塌堆積及坡面侵蝕堆積形成，洞壁可見由塊石、碎石、礫石等粗細(xì)顆粒交替的多級(jí)韻律層，崩坡積碎石土韻律層整體傾向金沙江方向，傾角較緩，約10°～20°。洞頂與碎石土韻律層基本平行，逐層塌頂將導(dǎo)致頂板提供穩(wěn)定的支撐力減小，有可能致使山洞塌方破壞。

3.2 坡體崩塌

7-5號(hào)山洞北側(cè)陡崖已發(fā)生過小規(guī)模崩塌落石。該處陡壁高約13 m，崩塌范圍沿陡壁走向長(zhǎng)約15 m，崩塌堆積厚度平均約2 m，崩塌體約520 m3。崩塌碎石土松散堆積于坡腳，堆積物主要為碎塊石、卵礫石，夾巨型孤石。在強(qiáng)降雨時(shí)松散堆積物可能發(fā)生再次失穩(wěn)溜滑，在風(fēng)化等自然營(yíng)力作用下陡崖裸露新鮮面將發(fā)生持續(xù)向內(nèi)的漸進(jìn)式坍塌。

3.3 卸荷裂隙

穿洞洞頂沿洞軸方向發(fā)育多條平行的卸荷裂隙。大部分均較短且斷續(xù)發(fā)育，其中貫通性最好的一條裂隙總長(zhǎng)度約為12 m，裂隙呈張性，張開度約2 cm，無(wú)填充，跡線基本平直，局部位置將孤石切割斷裂。卸荷裂隙破壞了坡體的完整性，降低巖土體強(qiáng)度，且為降水提供運(yùn)移通道，不利于遺址坡體的穩(wěn)定性。

3.4 局部架空松散

臨江側(cè)坡體存在兩層較貫通的松散塊碎塊石層，為不同時(shí)期多次崩塌堆積形成的碎石土韻律層，整體傾向金沙江方向，傾角較緩，約10°～20°，上層厚48 cm，下層厚39 cm；碎塊石磨圓差，呈次棱角狀，結(jié)構(gòu)松散，多處架空明顯，坡表局部已發(fā)生掉塊垮塌而成的孔洞、凹腔，會(huì)形成天然優(yōu)勢(shì)破壞面，不利于遺址坡體的穩(wěn)定性。

3.5 滲漏及滲析

遺址區(qū)坡頂為農(nóng)田，灌溉期間穿洞頂部及側(cè)壁局部出現(xiàn)間歇性滲漏，滲水量較大，出水點(diǎn)面積約1～2 m2，呈滴水形式滲漏，說明坡體內(nèi)部松散，弱膠結(jié)碎石土為水提供了良好的運(yùn)移通道。同時(shí)，遺址山洞內(nèi)壁表面白色泛鹽現(xiàn)象明顯，均出現(xiàn)在西側(cè)即靠山一側(cè)洞壁，這是由于滲水造成易溶鹽遷移，在劇烈的氣溫、干濕交替變化環(huán)境中，巖體內(nèi)易溶鹽不斷溶解、結(jié)晶，呈白色粉末析出于巖土體表面；而長(zhǎng)期作用將導(dǎo)致巖土體鈣鎂質(zhì)成分析出，弱化膠結(jié)結(jié)構(gòu)，加劇淺表層洞壁逐塊、逐層剝離劣化。

綜上所述，山洞遺址本體及賦存載體發(fā)育有多種病害，局部已發(fā)生變形破壞，不僅對(duì)遺址風(fēng)貌造成影響，還嚴(yán)重威脅文物遺址本體及賦存載體的穩(wěn)定性及安全性。

4 坡體穩(wěn)定性研究

目前天然條件下，遺址山洞有局部小型塌落、洞內(nèi)塌頂、裂縫、滲漏等不良地質(zhì)現(xiàn)象，但無(wú)整體變形現(xiàn)象，整體穩(wěn)定性較好，失穩(wěn)破壞的可能性??；由于巖土體強(qiáng)度參數(shù)迅速降低，庫(kù)水位上升，坡體前緣可能產(chǎn)生局部垮塌變形，洞內(nèi)塌頂破壞；在長(zhǎng)期庫(kù)水位作用下，堆積體細(xì)顆粒物質(zhì)流出，泥質(zhì)膠結(jié)物軟化，致使土體結(jié)構(gòu)破壞和強(qiáng)度大幅降低，對(duì)坡體和洞室的穩(wěn)定性極為不利，遺址斜坡可能出現(xiàn)滑坡及垮塌破壞。

4.1 物理模擬研究

開展物理模擬實(shí)驗(yàn)，主要目的是研究蓄水過程及蓄水后遺址賦存坡體及局部山洞穩(wěn)定性。物理模擬實(shí)驗(yàn)相似常數(shù)為1:200，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取樣的崩坡積碎石土通過顆粒級(jí)配及密度控制實(shí)現(xiàn)材料相似，采用預(yù)埋石蠟熔化形成山洞處的細(xì)部模型。通過激光掃描儀監(jiān)測(cè)坡體模型的變形，通過埋設(shè)在坡體模型內(nèi)的土壓力計(jì)和孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)水土壓力變化(見圖1)。

圖1 物理模擬實(shí)驗(yàn)方案

坡體模型在長(zhǎng)期泡水條件下，山洞結(jié)構(gòu)及附近區(qū)域最先發(fā)生破壞，進(jìn)而演化為坡體臨空面區(qū)域發(fā)生崩塌破壞。

4.2 數(shù)值模擬研究

4.2.1 二維模型穩(wěn)定性分析

在Geostudio-slope計(jì)算軟件中，根據(jù)地層巖性、風(fēng)化程度、地質(zhì)構(gòu)造將地質(zhì)剖面進(jìn)行簡(jiǎn)化分區(qū)，建立數(shù)值模型，采用Morgenstern-Prince(M-P法)搜索失穩(wěn)滑面，確定常水位975 m工況時(shí)遺址賦存坡體的不穩(wěn)定范圍(見圖2)。

圖2 坡體穩(wěn)定性系數(shù)及推測(cè)滑面

計(jì)算結(jié)果可得，在蓄水后遺址賦存坡體處于欠穩(wěn)定-不穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)滑面集中在坡肩和坡腳處，滑體范圍涵蓋了革命遺址，即水庫(kù)蓄水直接影響遺址本體及賦存坡體的安全保存。

4.2.2 三維模型穩(wěn)定性分析

根據(jù)地形和地層地質(zhì)條件建立FLAC 3D模型，定量分析邊坡由于蓄水引起的變形破壞范圍和變形破壞模式，為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

由三維模型穩(wěn)定性分析可得，蓄水工況時(shí)邊坡位移主要發(fā)生在遺址賦存坡體區(qū)域，其他部位基本無(wú)位移。在遺址區(qū)坡體前緣臨空面位移最大，在遺址區(qū)靠新田溝側(cè)位移較大。坡體主要產(chǎn)生向金沙江方向的變形，坡體前緣最先變形失穩(wěn)，然后逐漸向后垮塌。

分析認(rèn)為，由于坡體前緣即坡腳較陡，坡度約80°，臨空條件好；坡體地層為松散崩坡積弱膠結(jié)碎石土，崩坡積韻律層局部松散架空，力學(xué)強(qiáng)度較低、耐崩解性差；且坡體內(nèi)已存在貫通卸荷裂隙和滲水滲析現(xiàn)象，透水性強(qiáng)，故導(dǎo)致遺址賦存坡體前緣穩(wěn)定性差，在蓄水過程及蓄水后長(zhǎng)期淹沒工況下，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

5 保護(hù)利用方案

根據(jù)前期調(diào)研工程案例、專家咨詢意見，結(jié)合皎平渡革命遺址本體遺存現(xiàn)狀、賦存載體及遺址區(qū)實(shí)際工程地質(zhì)條件等，提出“原址水下保護(hù)展示”和“原址封護(hù)加固+異地復(fù)建展示”2種保護(hù)方案。

5.1 原地下水保護(hù)展示

目前，在國(guó)內(nèi)外深水庫(kù)淹沒的巖土文物保護(hù)類似案例是位于三峽水電站淹沒區(qū)的全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位“白鶴梁題刻”。白鶴梁題刻是從唐代廣德元年以來(lái)用刻石魚的方式記載枯水位的水下碑銘，題刻賦存于一道長(zhǎng)約1 600 m、寬約15 m的天然石英砂巖上。修建下游三峽水庫(kù)前，白鶴梁題刻淺沒于水中，枯水期露出水面；當(dāng)三峽庫(kù)區(qū)正常蓄水位達(dá)到175 m后，白鶴梁題刻將淹沒于水下約20 m深度。為了保護(hù)白鶴梁題刻這座“長(zhǎng)江古代水文站”和“世界水文資料的寶庫(kù)”，多個(gè)保護(hù)方案被提出，如“地下水晶宮”方案、“蜂巢拱頂殼”方案、“隔流隧道”方案、“就地保存，異地陳展”方案等，最終選擇并實(shí)施了葛修潤(rùn)院士提出的“無(wú)壓容器”方案[8-10]，即在白鶴梁上修建一座巨大的無(wú)壓容器將其完全籠罩，并可供游客進(jìn)入隔水觀賞。2009年白鶴梁水下博物館建成，它是目前中國(guó)修建的世界上唯一一座遺址類水下博物館，為國(guó)際水下文化遺產(chǎn)的原址保護(hù)和展示提供了成功范例。

參考白鶴梁題刻兼保護(hù)與展示利用于一體的方案，皎平渡遺址保護(hù)方案一提出“原址水下保護(hù)展示”的結(jié)構(gòu)體系。首先對(duì)坡體進(jìn)行支擋加固和注漿加固，在遺址周圍設(shè)置一圈地下防滲帷幕并連接地上基礎(chǔ)，基礎(chǔ)之上為拱形殼體結(jié)構(gòu)即穹頂護(hù)罩，形成完全防滲抗壓的密閉空間，實(shí)現(xiàn)遺址本體的不擾動(dòng)式保存；同時(shí)設(shè)置順坡向廊道，上部入口位于水庫(kù)蓄水常水位以上的岸坡，下部出口抵達(dá)遺址區(qū)，實(shí)現(xiàn)游客抵達(dá)水下參觀游覽。

在方案一提出的同時(shí)，對(duì)皎平渡遺址和白鶴梁題刻的概況進(jìn)行對(duì)比分析(見表1)，為本方案提供參考。

由表1可得，白鶴梁題刻與本項(xiàng)目皎平渡遺址雖均為水庫(kù)淹沒區(qū)遺址類文物，但工程地質(zhì)條件、遺址本體和賦存載體類型、蓄水淹沒深度、文物遺存現(xiàn)狀都相差甚遠(yuǎn)，因此白鶴梁題刻的保護(hù)理念及方案不能完全適用于皎平渡遺址。

表1 文物概況對(duì)比

5.2 原址封護(hù)加固+異地模擬展示

皎平渡遺址保護(hù)方案二采用“原址封護(hù)加固+異地模擬展示”[11]，即對(duì)遺址進(jìn)行加固回填保護(hù)，同時(shí)在淹沒線以上的區(qū)域內(nèi)選擇科學(xué)、合理的地點(diǎn)對(duì)遺址進(jìn)行模擬建造展示。

針對(duì)遺址本體，在洞室內(nèi)部采用鋼拱架支撐和碎塊砂石回填，且在洞壁噴涂防護(hù)層進(jìn)行防水隔離。針對(duì)賦存坡體，首先在遺址賦存坡體中部(遺址后方)設(shè)置抗滑樁，保證坡體穩(wěn)定性；在坡腳(遺址前緣)及遺址兩側(cè)設(shè)置弧形樁板墻，穩(wěn)固坡腳的同時(shí)抵抗蓄水后靜水壓力；對(duì)樁板墻與后方崖面之間進(jìn)行回填，并對(duì)回填土注漿加固；在遺址四周設(shè)置一圈防滲帷幕，對(duì)庫(kù)水入滲進(jìn)行二次防滲封堵，減緩庫(kù)水入滲和浸潤(rùn)對(duì)巖土體的物理化學(xué)作用；在加固區(qū)坡表設(shè)置防滲層輔以錨桿加固，防滲層與抗滑樁、樁板墻、防滲帷幕有效銜接，使加固保護(hù)區(qū)形成完整的封護(hù)加固結(jié)構(gòu)體系。

5.3 方案比選

方案一設(shè)計(jì)及建設(shè)難度較大，在深水壓環(huán)境下完全防滲抗壓的工程效果無(wú)法保證，涉及文物保存與參觀游客的人身安全，且工程造價(jià)較高、工期緊迫，在水電站蓄水前不能保證施工進(jìn)度和質(zhì)量。方案二對(duì)原址進(jìn)行就地保護(hù)，可依據(jù)較為成熟的庫(kù)區(qū)岸坡變形破壞防治技術(shù)，結(jié)合文物本體加固保護(hù)技術(shù)，共同實(shí)現(xiàn)遺址在深水庫(kù)淹沒情況下的長(zhǎng)久保存。同時(shí)在異地進(jìn)行選址復(fù)建[12]，也實(shí)現(xiàn)了革命文物有址可尋、有物可看、有史可講、有事可說的重要意義。綜上所述，方案二為水庫(kù)淹沒區(qū)皎平渡革命遺址最佳保護(hù)方案。

6 結(jié) 論

水庫(kù)淹沒區(qū)文物遺址保護(hù)和利用，應(yīng)依據(jù)地質(zhì)環(huán)境、遺址病害現(xiàn)狀、遺址賦存載體穩(wěn)定性、蓄水工況等多個(gè)方面的調(diào)查和分析，制定科學(xué)、合理的方案。以金沙江烏東德水電站上游的巖土體文物皎平渡革命遺址為例，進(jìn)行多方面分析研究，適當(dāng)參考類似文物保護(hù)案例，制定多個(gè)方案，經(jīng)過綜合比選分析，確定了最佳保護(hù)利用方案。此保護(hù)方案的分析制定過程及方法，可為水庫(kù)淹沒區(qū)文物保護(hù)利用研究作參考，旨在發(fā)揚(yáng)文物遺址所承載的重大意義，留住文化根脈、守住民族之魂。