慶陽(yáng)北石窟寺瀕危巖體變形特征分析

馬雪雅, 張理想, 陳銀橋, 張景科,2, 鄒紅宇, 谷留楊

(1. 蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000;2. 蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

石窟寺是我國(guó)體系最為完整、內(nèi)容最豐富、真實(shí)性和完整性保存最好的文物類型之一[1]。石窟寺一般開鑿于直立崖體之上,洞窟的開鑿,破壞了巖體內(nèi)原有的應(yīng)力平衡狀態(tài),產(chǎn)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象[2],加上外界環(huán)境因素影響,巖體常常沿臨空面產(chǎn)生各類裂隙,使巖土體的完整性受到破壞,發(fā)育大量瀕危巖體[1]。從危巖失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理出發(fā),陳洪凱等[3]將危巖失穩(wěn)模式分為墜落式、滑塌式和傾倒式,危巖體失穩(wěn)引起落石頻發(fā),對(duì)石窟寺區(qū)域地質(zhì)體、賦存崖體、洞窟穩(wěn)定及游客安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。近年來(lái)石窟寺危巖搶險(xiǎn)加固工程有序開展,但有關(guān)石窟瀕危巖體變形特征的研究尚未深入,對(duì)石窟瀕危巖體的變形監(jiān)測(cè)亟需推進(jìn)。

巖體變形是一個(gè)長(zhǎng)期且緩慢的過(guò)程,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)直接獲取巖體實(shí)時(shí)變形數(shù)據(jù)來(lái)分析巖體周期內(nèi)的整體變化規(guī)律和變形特征是研究巖體變形的有效手段之一。目前關(guān)于滑坡、大型壩體變形特征的研究已取得一定進(jìn)展。彭紹才等[4]基于監(jiān)測(cè)資料,分析了烏東德水電站邊坡施工期巖體變形、錨桿應(yīng)力、錨索錨固力等變化特征,探究邊坡在不同時(shí)期向外產(chǎn)生形變的主要因素。夏開宗等[5]選取了程潮鐵礦西區(qū)長(zhǎng)期的地表水平位移、沉降位移和深部巖體變形監(jiān)測(cè)成果,對(duì)不同水平下的巖體變形規(guī)律進(jìn)行了研究。在石質(zhì)文物巖體變形特征研究中,李金龍[6]對(duì)金塔寺石窟進(jìn)行數(shù)值模擬,從石窟及賦存崖體的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)結(jié)果分析崖體的力學(xué)響應(yīng)特性。陶志剛等[7]通過(guò)頂板壓力監(jiān)測(cè)、光柵監(jiān)測(cè)頂板變形和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)監(jiān)測(cè)等方法進(jìn)行圓覺洞頂板變形穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。孟志剛等[8]在對(duì)圓覺洞頂板的剝蝕速率監(jiān)測(cè)中得到位移曲線隨溫度變化的規(guī)律。Bagde[9]應(yīng)用了落石危害評(píng)級(jí)系統(tǒng)(Rockfall Hazard Rating System,RHRS)和其他經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)印度阿旃陀石窟的巖體特征進(jìn)行了研究,并對(duì)斜坡表面和石窟周圍的危巖體進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。Mineo等[10]利用無(wú)人機(jī)測(cè)量和地面地質(zhì)調(diào)查研究崖體的落石情況,并通過(guò)落石模擬確定了崖體下方文化遺產(chǎn)的保護(hù)措施。

我國(guó)的文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)在整體上適應(yīng)預(yù)防性保護(hù)與搶救性保護(hù)相結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)[11],多個(gè)文化遺產(chǎn)的綜合監(jiān)測(cè)體系基本建設(shè)完成,龍門石窟和莫高窟的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括文物本體病害監(jiān)測(cè)、區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)和游客監(jiān)測(cè)等[12-13]。巖體變形監(jiān)測(cè)已被成熟地運(yùn)用到滑坡及大型壩體變形中,有關(guān)石質(zhì)文物穩(wěn)定性的研究也取得一定進(jìn)展,但目前利用變形監(jiān)測(cè)對(duì)石窟巖體特征的分析還不夠全面,大多研究往往僅針對(duì)區(qū)域變形、崖體變形或危巖體發(fā)育中的單一尺度展開,從多尺度出發(fā)的研究較少。

本研究以甘肅慶陽(yáng)北石窟寺為例,在調(diào)查北石窟寺賦存環(huán)境的基礎(chǔ)上,采用GNSS實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)、測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)以及非接觸式裂隙監(jiān)測(cè)等方法,對(duì)北石窟寺分布區(qū)域地質(zhì)體、石窟賦存崖體和洞窟關(guān)鍵塊體的變形特征進(jìn)行分析。探究了三個(gè)尺度變形特征間的協(xié)同性,同時(shí)設(shè)置了綜合氣象站和三向振動(dòng)監(jiān)測(cè),探尋降雨量、溫度和三向振動(dòng)與北石窟寺瀕危巖體變形特征之間的相關(guān)性,為后續(xù)的北石窟寺穩(wěn)定性評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

1 北石窟寺概況

1.1 地理位置及保存現(xiàn)狀

慶陽(yáng)北石窟寺是甘肅隴東地區(qū)規(guī)模最大的石窟群之一,開窟時(shí)代早,內(nèi)容豐富,位于慶陽(yáng)市西峰區(qū)西南25 km的覆鐘山下,蒲、茹二河交匯的東岸二級(jí)階地處[14](圖1)。

圖1 北石窟寺地理位置Fig.1 Location of the North Grotto Temple

石窟集中雕刻在覆鐘山下高20 m、長(zhǎng)120 m的巖石崖體上。自北魏永平二年(公元509)建成以來(lái),經(jīng)過(guò)西魏、北周、隋、唐和宋代擴(kuò)建增修,現(xiàn)存窟龕296個(gè),大小雕像2 126尊,宋、明、清碑7座,陰刻題記和墨書題記150余方,壁畫殘跡96.7 m2,具有極高的歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值、文化價(jià)值、科學(xué)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值[15]。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性

北石窟寺崖體內(nèi)主要發(fā)育兩種裂隙,一是平行于崖體臨空面的卸荷裂隙,在自重作用下大量發(fā)育于崖壁后方,穿洞窟而過(guò),切割塑像、壁畫等文物本體;二是垂直于崖面的構(gòu)造應(yīng)力作用形成的構(gòu)造裂隙[18]。此外,不同的砂巖沉積層間的薄弱面差異性風(fēng)化,層理面廣泛分布在北石窟寺的各層洞窟和造像上,與裂隙相互切割,嚴(yán)重破壞巖體完整性。

圖2 北石窟寺地層巖性剖面圖[16]Fig.2 Stratigraphic lithology section of the North Grotto Temple[16]

1.3 工程地質(zhì)概況

據(jù)《慶陽(yáng)縣志》記載,“地震使遍地成浸,陵谷變遷,河道壅塞,死亡枕藉,城垣、衙署、學(xué)校、民房皆成破壁殘?jiān)玔17]”。1920年海原8.5級(jí)強(qiáng)烈地震后,覆鐘山崖體滑坡,巖石坍塌堆積寺院,部分洞窟被碎石和黃土所掩埋[18]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,北石窟寺分布區(qū)域地質(zhì)體上部存在一黃土滑坡體,滑坡開口西南方向,高差約58 m,寬約104 m,坡度介于41°～45°。潛在滑坡下方基巖為白堊系砂巖,上覆第四紀(jì)黃土層厚度變化范圍大,在 5～70 m 之間不等。在環(huán)境因素的長(zhǎng)期影響下,該滑坡體可能會(huì)對(duì)石窟穩(wěn)定產(chǎn)生威脅,易發(fā)生一系列區(qū)域穩(wěn)定性問(wèn)題。

北石窟寺白堊系砂巖泥質(zhì)膠結(jié)、巖質(zhì)較疏松,主要結(jié)構(gòu)面為軟弱夾層、層理面和節(jié)理裂隙。構(gòu)造裂隙組主要有8組(圖3),張開度均大于10 cm,垂直切割巖壁,大多從地面貫穿至崖頂。受降雨和地下水滲流的影響,易產(chǎn)生洞窟滲水和巖體失穩(wěn)病害[19],目前大多裂隙已被水泥砂漿或磚石填充加固?？v向發(fā)育的構(gòu)造裂隙與橫向密布的軟弱夾層相互切割,形成多處危巖,對(duì)窟區(qū)穩(wěn)定性造成威脅,直接危害部分洞窟安全。卸荷裂隙組將大塊的巖體與母體分離,形成危巖體,是巖體大范圍滑落、崩塌的側(cè)界。

圖3 構(gòu)造裂隙分布位置Fig.3 Location of tectonic fissures

經(jīng)調(diào)查,32窟內(nèi)中央立柱東壁有一瀕危的龕楣(圖4),已出現(xiàn)巖體脫落現(xiàn)象,煙熏病害嚴(yán)重。上方淺表性裂隙基于層理橫向延伸,將龕楣切割成多個(gè)關(guān)鍵塊體,周圍巖體破碎,該龕楣有墜落風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 洞窟關(guān)鍵塊體Fig.4 Key block in cave 32

2 巖體變形監(jiān)測(cè)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

針對(duì)北石窟寺現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,本次北石窟寺巖體變形監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)遵循以下原則:(1)不改變文物原狀;(2)科學(xué)性和實(shí)用性相結(jié)合;(3)針對(duì)性和可靠性相結(jié)合。針對(duì)區(qū)域地質(zhì)體范圍大、監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜的問(wèn)題,采用GNSS技術(shù),對(duì)地質(zhì)體地表位移進(jìn)行持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。針對(duì)石窟賦存崖體裂隙發(fā)育、風(fēng)化剝蝕等工程地質(zhì)問(wèn)題,采用測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)崖體內(nèi)構(gòu)造裂隙的變形特征。針對(duì)洞窟內(nèi)關(guān)鍵塊體欠穩(wěn)定問(wèn)題,采用基于圖像的非接觸式裂隙監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)窟內(nèi)淺表性裂隙進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比監(jiān)測(cè)。

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及布設(shè)位置

分別在滑坡中部基巖出露部位和主滑體上部(圖5)安裝1套GNSS變形監(jiān)測(cè)設(shè)備,對(duì)地質(zhì)體變形進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)并對(duì)比分析上部黃土層和中部基巖的變形差異,設(shè)備已于2020年10月進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試。

崖體內(nèi)多條裂隙縱向分布(圖3),分別在裂隙GZ1、GZ2、GZ3底部和GZ2中部安裝一臺(tái)測(cè)縫計(jì)(圖5),連續(xù)監(jiān)測(cè)裂隙變形,并結(jié)合溫濕度變化分析其變形規(guī)律。測(cè)縫計(jì)于2021年8月份安裝調(diào)試完畢。

32窟內(nèi)關(guān)鍵塊體位于中央立柱東壁龕楣上方,采用基于數(shù)字圖像的非接觸式裂隙監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)無(wú)損、高精度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,布設(shè)物距40 cm,數(shù)據(jù)記錄自2021年2月開始,于2021年6月趨于穩(wěn)定。

此外,2020年10月在北石窟寺設(shè)置了綜合氣象站、三向振動(dòng)監(jiān)測(cè)(表1),以探究環(huán)境因素與巖體變形特征之間的相關(guān)性,提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完整性。

表1 巖體變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容及布設(shè)位置

3 巖體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 北石窟寺分布區(qū)域地質(zhì)體變形特征

(1) 北石窟寺分布區(qū)域地表位移變化分析

整體來(lái)看,潛在滑坡主滑體上部(BSK01)位移呈突發(fā)性變化,突變前后位移波動(dòng)平緩[圖6(a)],中部隆起基巖出露部位(BSK02)位移則遵循先緩慢增長(zhǎng)后變形逐漸恢復(fù)的規(guī)律,最后一次監(jiān)測(cè)偏移量在±1 mm以內(nèi)[圖6(b)]。X、Y、Z三個(gè)監(jiān)測(cè)方向分別對(duì)應(yīng)東(+)西(-)向、南(-)北(+)向和垂直向的位移,即垂直于石窟寺賦存崖體方向、沿石窟分布方向和垂直地面的方向。

圖6 區(qū)域地質(zhì)體位移量與環(huán)境因素對(duì)比 (2021-01-01—12-31)Fig.6 Comparison between regional geological body displacement and environmental factors (2021-01-01—12-31)

監(jiān)測(cè)周期內(nèi),BSK01在X正方向偏移15.1 mm,Y正方向偏移5.8 mm,垂直方向上產(chǎn)生10.1 mm的沉降,總體表現(xiàn)為東北向沉降,與滑坡體順斜坡滑動(dòng)趨勢(shì)相反。BSK02偏移量在8月份達(dá)到最大值,其中X、Y向偏移近8 mm,后逐漸恢復(fù)至0 mm附近波動(dòng),Z方向波動(dòng)范圍大但整體偏移量變化較小。BSK02的變形集中在高溫季節(jié),符合巖體熱脹冷縮效應(yīng)。BSK01安裝于地質(zhì)體表面黃土層上,BSK02布設(shè)在基巖出露部位,兩測(cè)點(diǎn)直線距離約31 m,巖性和監(jiān)測(cè)環(huán)境不同,監(jiān)測(cè)結(jié)果存在差異。

目前主流的GNSS滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)為采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(Real-time kinematic,RTK)載波相位差分技術(shù)進(jìn)行單歷元實(shí)時(shí)解算,滑坡監(jiān)測(cè)結(jié)果容易受到觀測(cè)噪聲和粗差的影響[20]。遮擋干擾嚴(yán)重的復(fù)雜場(chǎng)景會(huì)直接影響到GNSS的定位精度。BSK01附近植被樹木較多,全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)信號(hào)易被遮擋,相應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果易受影響。

(2) 三向振動(dòng)、環(huán)境因素與地質(zhì)體變形相關(guān)性分析

經(jīng)分析,北石窟寺南側(cè)100 m車輛經(jīng)過(guò)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)石窟寺所在區(qū)域地質(zhì)體的變形特征影響不大,但區(qū)域地質(zhì)體變形與降雨有高度相關(guān)性。

圖6中,三向振動(dòng)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為車輛經(jīng)過(guò)時(shí)北石窟寺的加速度響應(yīng),監(jiān)測(cè)周期內(nèi)最大振動(dòng)加速度為0.011 8 m/s2,小于地震烈度Ⅰ度下的振動(dòng)加速度0.018 m/s2[21],且地質(zhì)體位移不隨振動(dòng)加速度變化而變化。北石窟寺巖體變形與振動(dòng)因素的相關(guān)性不大,但仍需考慮車輛振動(dòng)的長(zhǎng)期累積影響。

2021年北石窟寺的累計(jì)降雨量為866.1 mm,主要分布在8—10月份。大部分降雨集中時(shí)段對(duì)應(yīng)偏移量有不同程度的增加,在降雨較少的11、12月位移波動(dòng)較為平緩。圖6(a)顯示10月2日至10月7日BSK01產(chǎn)生了較大偏移,同時(shí)BSK02偏移量逐漸回到0 mm附近。經(jīng)查詢,突變前3日內(nèi)最大風(fēng)力為3級(jí),最大溫差為16.3 ℃,且無(wú)地震記錄。突變前10日內(nèi)累計(jì)降雨量為92.7 mm,占全年降雨量的10.7%,其中10月3日到10月5日連續(xù)日降雨量超過(guò)25 mm。由此判斷,地質(zhì)體表面黃土層變形與連續(xù)降雨高度相關(guān)。

滑坡體的形成與發(fā)展,除了受坡體自身性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌特征影響外,降雨是一個(gè)重要的誘發(fā)因素[22],降雨過(guò)程中,土體含水率增加,基質(zhì)吸力和土顆粒間有效應(yīng)力降低,導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低[23],BKS01監(jiān)測(cè)點(diǎn)在儀器自重和降雨入滲的作用下產(chǎn)生沉降變形。由于滑坡體物質(zhì)結(jié)構(gòu)和滲透性不同,滑坡變形對(duì)不同強(qiáng)度和時(shí)長(zhǎng)的降雨響應(yīng)存在不同的滯后時(shí)間[24]。在年降雨基本保持穩(wěn)定的前提下,北石窟寺分布區(qū)域地質(zhì)體上覆黃土層在降雨集中時(shí)段發(fā)生形變的可能性較大。

3.2 石窟賦存崖體變形特征

(1) 崖體裂隙寬度變化分析

由圖7可知,自2021年8月至12月,崖體內(nèi)裂隙GZ1、GZ2的寬度逐漸增大,變形量呈波動(dòng)式上升。裂隙GZ3變形緩慢,監(jiān)測(cè)周期內(nèi)最大變形量為0.17 mm。3條裂隙的變形量日變化規(guī)律高度一致(圖9),每24 h隨溫度變化反復(fù)波動(dòng),每日最大波動(dòng)為0.43 mm。

圖7 構(gòu)造裂隙(GZ1,GZ2,GZ3)變形量年變化(2021-08-22—12-31)Fig.7 Annual variation in deformation of fissures (GZ1,GZ2, and GZ3) (2021-08-22—12-31)

圖8 裂隙GZ1、GZ2、GZ3變形量月變化Fig.8 Monthly variation in deformation of fissures GZ1,GZ2, and GZ3

圖9 裂隙GZ1、GZ2、GZ3變形量日變化Fig.9 Daily variation in deformation of fissures GZ1, GZ2, and GZ3

在裂隙GZ2中,8—10月裂隙中部和底部的寬度變化基本一致,但11月開始逐漸產(chǎn)生接近0.5 mm的變形差距,且差距緩慢增大[圖8(b)],說(shuō)明在相同環(huán)境下,隨著溫度降低,裂隙GZ2中段未填充部位變形速率大于底部。

(2) 溫度與崖體變形相關(guān)性分析

延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)周期至次年3月,能直觀地看出裂隙變形與環(huán)境溫度之間有強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)性。如圖10(a)～10(c)所示,裂隙的變形量在1—2月達(dá)到最大,后隨溫度上升逐漸下降。變形量與對(duì)應(yīng)溫度線性擬合后的擬合優(yōu)度R2分別為0.961 5、0.978 8、0.944 7[圖10(d)～10(f)],可見兩者呈高度負(fù)相關(guān)。3條裂隙底部寬度日平均增長(zhǎng)率分別為0.001 2 mm/d、0.002 0 mm/d、0.000 3 mm/d,變形快慢與變形量-溫度間相關(guān)性強(qiáng)弱相對(duì)應(yīng),結(jié)合裂隙變形量在溫度回升后緩慢下降的變化規(guī)律,判斷崖體裂隙無(wú)進(jìn)一步的張開或縮小趨勢(shì)。

圖10 裂隙變形量與溫度變化曲線及裂隙變形量與溫度關(guān)系曲線Fig.10 Crack deformation and temperature change curve (a.GZ1,b.GZ2-1,c.GZ3) and relationship between crack deformation and temperature (d.GZ1,e.GZ2-1,f.GZ3)

長(zhǎng)期以來(lái),關(guān)于溫度變化使巖體位移產(chǎn)生偏差原因的探究主要集中在溫差引起的巖石縮脹效應(yīng)以及溫差對(duì)位移傳感器的影響。巖體在地形、地貌、結(jié)構(gòu)、風(fēng)化程度等多種條件控制下,各部分發(fā)生變溫時(shí)將引起熱脹冷縮的變形[25],1 ℃的溫度梯度,巖體內(nèi)可產(chǎn)生0.4～0.5 MPa的地應(yīng)力變化,巖土體表面溫差會(huì)引起巖石表面產(chǎn)生脹縮變形[26]。另一方面,陶志剛等[7]通過(guò)圓覺洞頂板應(yīng)力監(jiān)測(cè)和室內(nèi)溫度補(bǔ)償試驗(yàn),得到巖體呈現(xiàn)夏季變形增大,冬季變形恢復(fù)的主要原因是監(jiān)測(cè)儀器受長(zhǎng)期溫度變化的影響不能自動(dòng)糾正溫度變化從而引起的位移偏差。

3.3 洞窟關(guān)鍵塊體變形特征

(1) 32窟內(nèi)淺表性裂隙變形分析

32窟內(nèi)沿層理發(fā)育淺表性裂隙變形量在0 mm附近±2 mm范圍內(nèi)持續(xù)波動(dòng),無(wú)擴(kuò)張或閉合趨勢(shì)。

監(jiān)測(cè)初期,裂隙變形集中在2月份,且變形量在±0.5 mm以內(nèi)。4月下旬到5月數(shù)據(jù)中斷前,變形量增大至3.86 mm,恢復(fù)記錄后數(shù)據(jù)在±1.82 mm內(nèi)均勻波動(dòng)(圖11)?？邇?nèi)關(guān)鍵塊體變形監(jiān)測(cè)精度為0.01 mm,在精確捕捉裂隙變形的同時(shí)易受人為和環(huán)境擾動(dòng)。裂隙位于中央立柱東壁龕楣上,與其他裂隙相互交錯(cuò)切割巖體,在佛龕上方形成墜落型危巖。目前來(lái)看,裂隙寬度的小范圍波動(dòng)屬可恢復(fù)變形,說(shuō)明該危巖在當(dāng)前狀態(tài)下發(fā)生墜落的可能性較小。

圖11 32窟內(nèi)淺表性裂隙變形量年變化 (2021-01-01—12-31)Fig.11 Annual variation in deformation of superficial fissure in cave 32 (2021-01-01—12-31)

(2) 環(huán)境因素與洞窟關(guān)鍵塊體變形相關(guān)性分析

圖12顯示,淺表性裂隙變形與溫度有一定相關(guān)性?？邇?nèi)日溫達(dá)到最高時(shí),對(duì)應(yīng)裂隙張開度為當(dāng)日最小值,相反,日溫最低時(shí),張開度最大。此外,溫濕度以及變形量在11月6日同時(shí)下降,下降后裂隙變形量整體減小。

3.4 跨尺度巖體變形協(xié)同性分析

目前三個(gè)尺度巖體變形量均在小范圍內(nèi)變化,相互之間影響較小,三者之間無(wú)協(xié)同性(圖13)。

圖13 三個(gè)尺度變形量對(duì)比圖Fig.13 Comparison between deformations at three scales

基于現(xiàn)有資料初步分析,各尺度巖體變形特征間的差異與監(jiān)測(cè)環(huán)境、變形方向和監(jiān)測(cè)精度等因素有關(guān)。北石窟寺分布區(qū)域地質(zhì)體表面被黃土覆蓋,松軟易失陷,且監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近有植被分布,監(jiān)測(cè)結(jié)果易受復(fù)雜環(huán)境因素影響。GNSS定位精度可達(dá)毫米級(jí),監(jiān)測(cè)X、Y、Z三個(gè)方向的位移,只有當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精度小于滑坡變形時(shí),才能及時(shí)監(jiān)測(cè)出滑坡變形。北石窟寺賦存崖體為砂巖崖體,密度較小,抗壓強(qiáng)度較低[26],且崖面風(fēng)化非常嚴(yán)重。構(gòu)造裂隙在崖體上縱向分布,寬度在南北方向變化,測(cè)縫計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂隙0.001 mm的變形。32窟內(nèi)環(huán)境溫濕度變化整體小于窟外,且窟內(nèi)受人為因素影響較大,裂隙監(jiān)測(cè)精度為0.04 mm,寬度豎直方向上發(fā)生變化。三尺度巖體變形的主要影響因素各不相同,探究其協(xié)同性時(shí)需多種因素綜合考慮。

基于對(duì)北石窟寺三個(gè)尺度巖體變形特征的分析,在石窟穩(wěn)定性評(píng)估工作中,三個(gè)不同尺度的巖體變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可為潛在滑坡、石窟賦存崖體以及洞窟關(guān)鍵塊體穩(wěn)定狀態(tài)的定性判斷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為失穩(wěn)閾值的確定提供參考。在變形預(yù)測(cè)分析工作中,可為后期變形預(yù)測(cè)模型的選擇提供依據(jù),長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬分析的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文采用了多種監(jiān)測(cè)技術(shù),通過(guò)一年的數(shù)據(jù)采集,對(duì)慶陽(yáng)北石窟寺瀕危巖體變形特征進(jìn)行研究,得到如下結(jié)論:

(1) 地質(zhì)體潛在滑坡上部黃土層位移呈現(xiàn)突發(fā)性變化,總體表現(xiàn)為連續(xù)降雨后產(chǎn)生與潛在滑動(dòng)趨勢(shì)相反的沉降,沉降前后位移波動(dòng)平緩,中部隆起基巖出露部位位移呈現(xiàn)先緩慢增長(zhǎng)后變形逐漸恢復(fù)的規(guī)律,符合巖體熱脹冷縮效應(yīng)。

(2) 石窟賦存崖體內(nèi)構(gòu)造裂隙變形與溫度變化高度負(fù)相關(guān),且每日變形隨溫度變化反復(fù)波動(dòng),1—2月變形量達(dá)到全年最大。在相同環(huán)境下,隨著溫度降低,裂隙GZ2中部變形速率大于底部。

(3) 32窟內(nèi)淺表性裂隙變形量在0 mm附近±2 mm范圍內(nèi)持續(xù)波動(dòng),無(wú)進(jìn)一步擴(kuò)張或閉合趨勢(shì)。裂隙變形量的波動(dòng)受溫濕度影響,且窟內(nèi)砂巖巖性脆弱,易受人為擾動(dòng)。

(4) 目前三個(gè)尺度的巖體變形在相互之間影響較小,無(wú)協(xié)同性。下一步建議基于精度、變形方向等多種因素的考慮對(duì)不同尺度的協(xié)同性進(jìn)行深入探究。此外,對(duì)于受溫度或降雨影響較大的部分,后期延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)周期后可考慮進(jìn)行溫度補(bǔ)償校正和降雨集中時(shí)段持續(xù)對(duì)比分析。

致謝：感謝中國(guó)文化遺產(chǎn)研究院劉建輝、陳衛(wèi)昌老師及蘭州大學(xué)劉小偉、和法國(guó)、原鵬博老師在現(xiàn)場(chǎng)研究工作中提供的幫助和指導(dǎo)。