北京人山洞遺址穩(wěn)定性研究

隗建華 康凱 鄭健 曹溪 吳昌宇

［DOI］10.3969/j.issn.1672-0407.2023.23.056

［摘 要］北京人山洞遺址是古人類學(xué)、舊石器時(shí)代考古學(xué)和第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)等眾多研究領(lǐng)域的發(fā)源地。在長期自然營力作用下，遺址區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)多處脫落點(diǎn)并存在潛在的危險(xiǎn)巖土體。本文通過多款建模軟件采用逆向建模的方法，建立盡可能還原北京人山洞遺址原貌的大型復(fù)雜三維仿真數(shù)值模型，并運(yùn)用FLAC3D軟件對北京人山洞遺址研究區(qū)的巖土體穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析。

［關(guān)鍵詞］周口店；強(qiáng)度折減法；三維仿真；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性

［中圖分類號］G26文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

本文通過應(yīng)力強(qiáng)度比和塑性區(qū)分布等計(jì)算結(jié)果得出周口店猿人洞遺址的整體穩(wěn)定性及潛在薄弱區(qū)域。并基于強(qiáng)度折減法確定潛在薄弱位置的安全系數(shù)。通過對關(guān)鍵剖面應(yīng)力強(qiáng)度比、塑性區(qū)分布的變化趨勢進(jìn)行分析，得到周口店猿人洞遺址潛在破壞位置可能的破壞模式，指出周口店遺址重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域。結(jié)果表明：遺址區(qū)目前整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，灰?guī)r層及強(qiáng)膠結(jié)鈣質(zhì)角礫巖層基本未產(chǎn)生明顯變形，猿人洞西側(cè)壁及西側(cè)南壁為變形破壞關(guān)鍵部位，巖土體劣化、失穩(wěn)時(shí)，猿人洞西側(cè)南壁下方凹陷處首先發(fā)生壓剪變形和破壞，繼而在該層上緣發(fā)生拉剪變形和破壞，塑性區(qū)貫通后發(fā)生巖坡整體巖坡失穩(wěn)；如變形繼續(xù)，灰燼層開始發(fā)生塑性滑移。

1 研究背景

在我國，石質(zhì)文物分布非常廣泛，所處環(huán)境條件十分復(fù)雜^［1］。對石質(zhì)文物所賦存巖土體穩(wěn)定性的研究是使其能夠繼續(xù)長久存在的先決條件，為此，相關(guān)研究人員展開了大量的研究工作。孫進(jìn)忠根據(jù)太原西山大佛工程地質(zhì)條件對可能影響其巖體穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了分析^［2］；孫博通過對云岡石窟中第19窟西側(cè)耳窟建立三維實(shí)體數(shù)值模型，采用有限差分軟件對其進(jìn)行了地震動力穩(wěn)定性的計(jì)算及分析^［3］；吳冠仲基于可靠度理論對皎平渡山洞遺址二維剖面在降雨、地震等不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量評價(jià)及穩(wěn)定性分級^［4］。

在三維仿真數(shù)值模型構(gòu)建方面，現(xiàn)主要集中于采礦及地質(zhì)工程等領(lǐng)域，受限于計(jì)算機(jī)的性能及計(jì)算效率，對于邊坡穩(wěn)定性的研究，大多以二維平面模型為主^［5］。但石質(zhì)古建筑及遺址一般建立在較為穩(wěn)定的地層當(dāng)中，由于長期自然營力的影響，發(fā)生破壞的主要部位在遺址表層，因此對其數(shù)值模型的構(gòu)建有著相較邊坡、隧道等工程更為特殊的要求。對于這類數(shù)值建模需要更為精細(xì)地表達(dá)遺址表層的形貌。

北京人山洞遺址作為世界上同一時(shí)期中資源最豐富、最齊全且最有價(jià)值的古人類遺址及古生物遺址群，因其自身的重要價(jià)值，在1987年被列入《世界遺產(chǎn)名錄》。經(jīng)歷了上萬年的歷史變遷，遺址本體出現(xiàn)掉塊、滑移、塌方等現(xiàn)象，對北京人山洞遺址的穩(wěn)定性及破壞模式進(jìn)行分析研究，進(jìn)而采取科學(xué)有效的監(jiān)測手段十分必要。因此，本文以北京人山洞遺址巖土體作為研究對象，結(jié)合現(xiàn)有研究區(qū)相關(guān)資料，通過三維仿真數(shù)值模擬的方法得出當(dāng)前遺址區(qū)整體穩(wěn)定性及變形破壞關(guān)鍵部位，并基于強(qiáng)度折減法確定潛在薄弱位置的穩(wěn)定情況，確定其安全系數(shù)及可能的破壞模式，優(yōu)化遺址區(qū)的監(jiān)測方案。

2 數(shù)值模型構(gòu)建

2.1 三維地質(zhì)模型構(gòu)建

北京人山洞遺址區(qū)穩(wěn)定性的研究分析不同于普通邊坡。由于遺址本體破壞部位主要在遺址表層，因此數(shù)值模型構(gòu)建的精細(xì)化程度顯得尤為重要。本文采用逆向建模法^［6］，建立盡可能還原北京人山洞遺址原貌的大型復(fù)雜三維仿真精細(xì)化數(shù)值模型。構(gòu)建的整體幾何模型如圖1所示。模型區(qū)域平面大小為160m×150m，底部標(biāo)高為0m，頂部135m左右。采用局部加密的四面體單元，模型共有單元939 154個(gè)，節(jié)點(diǎn)134 823個(gè)。

2.2 地層材料參數(shù)

根據(jù)《北京市周口店北京人遺址地質(zhì)病害治理物探勘察工作報(bào)告》以及現(xiàn)場觀測可知，研究區(qū)域包含四種巖石：猿人洞周邊灰?guī)r、猿人洞內(nèi)的強(qiáng)膠結(jié)角礫巖、猿人洞內(nèi)西側(cè)壁和西側(cè)南壁的弱膠結(jié)角礫巖以及山頂洞至猿人洞局部的灰燼層^［7］。由于鴿子堂前期已通過錨桿進(jìn)行加固，因此鴿子堂頂部和南側(cè)巖層設(shè)為強(qiáng)膠結(jié)角礫巖^{［8，9］}。根據(jù)常見灰?guī)r和礫巖的情況，并結(jié)合《周口店遺址保護(hù)工程報(bào)告》^［10］，確定巖性參數(shù)（采用摩爾—庫倫模型）如表1所示。

2.3 分析內(nèi)容

數(shù)值模擬結(jié)果中不同指標(biāo)可表征模型所處狀態(tài)下的不同信息。位移和等效應(yīng)變可給出變形模式及關(guān)鍵部位，彈塑性狀態(tài)可以查看計(jì)算過程及達(dá)到平衡后巖土體是否達(dá)到塑性破壞以及破壞模式^［11］。應(yīng)力強(qiáng)度比指巖土體的強(qiáng)度與當(dāng)前應(yīng)力的比值，該值越小，則巖土體越趨于破壞：達(dá)到抗剪強(qiáng)度時(shí)，該值為1；達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，該值為0^［12］。彈塑性狀態(tài)和應(yīng)力強(qiáng)度比可以給出巖土體當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)、潛在破壞位置及破壞模式。

2.4 監(jiān)測部位

首先通過模型整體的應(yīng)力強(qiáng)度比及塑性區(qū)分布得到模型整體穩(wěn)定性及變形破壞關(guān)鍵部位。為進(jìn)一步明確變形破壞關(guān)鍵部位可能的破壞模式及破壞機(jī)理，對比分析關(guān)鍵部位三個(gè)剖面的位移、彈塑性狀態(tài)、應(yīng)力強(qiáng)度比等力學(xué)狀態(tài)。

3 結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)狀條件下整體穩(wěn)定性

圖2為現(xiàn)狀條件下數(shù)值模型總體應(yīng)力強(qiáng)度比云圖（計(jì)算發(fā)現(xiàn)猿人洞外圍基本處在穩(wěn)定狀態(tài)，此處不予展示）。

由圖2可知，遺址研究區(qū)應(yīng)力強(qiáng)度比均大于1，說明現(xiàn)狀條件下整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但猿人洞南壁至猿人洞西壁弱膠結(jié)鈣質(zhì)角礫巖層與強(qiáng)膠結(jié)鈣質(zhì)角礫巖交界上緣及該巖層溶洞高度以下位置應(yīng)力強(qiáng)度比接近1，說明此處易出現(xiàn)剪切變形發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象。所以該部位為猿人洞遺址區(qū)變形破壞的關(guān)鍵部位。

3.2 強(qiáng)度折減法確定局部穩(wěn)定性

上述分析可知，猿人洞周邊強(qiáng)膠結(jié)角礫巖和灰?guī)r保持穩(wěn)定，主要在弱膠結(jié)角礫巖和灰燼層會發(fā)生破壞。因此，逐步折減弱膠結(jié)礫巖和灰燼層的強(qiáng)度，并查看折減后的區(qū)域穩(wěn)定性，以此確定其安全系數(shù)。通過簡化試算可得模型的安全系數(shù)大致在1.55左右，因此選擇折減系數(shù)F的變化區(qū)間為1.2～2.15，變化間隔為0.05。

3.2.1 不同折減強(qiáng)度下猿人洞的位移

當(dāng)強(qiáng)度折減小于1.4時(shí)，猿人洞西側(cè)壁底部發(fā)生相對較大的順坡向位移，剖面上弱膠結(jié)角礫巖層主要在底部發(fā)生較大位移，但并未與上部一齊移動，即塑性區(qū)未貫通。當(dāng)強(qiáng)度折減大于1.6時(shí)，西側(cè)南壁發(fā)生相對較大的順坡向位移，剖面弱膠結(jié)角礫巖層的塑性區(qū)貫通，發(fā)生較大位移。由于西側(cè)南壁受到更弱的邊界約束，在弱膠結(jié)角礫巖層失穩(wěn)后發(fā)生了比西側(cè)壁更大的位移。

3.2.2 不同折減強(qiáng)度下猿人洞的塑性區(qū)分布

當(dāng)強(qiáng)度折減小于1.4時(shí)，西側(cè)壁部分范圍達(dá)到塑性剪切破壞，而西側(cè)南壁弱膠結(jié)角礫巖層的上緣局部達(dá)到塑性受拉破壞。當(dāng)強(qiáng)度折減大于1.6時(shí)，弱膠結(jié)角礫巖層大部分已出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，且在該層上緣出現(xiàn)明顯的受拉破壞區(qū)。弱膠結(jié)角礫巖層大部分發(fā)生剪切破壞，上緣發(fā)生受拉破壞?；覡a層也開始出現(xiàn)塑性破壞區(qū)。

3.2.3 不同折減強(qiáng)度下猿人洞的應(yīng)力強(qiáng)度比

當(dāng)強(qiáng)度折減小于1.4時(shí)，弱膠結(jié)角礫巖層下緣部分巖體趨于破壞強(qiáng)度，該層上緣局部趨近抗剪強(qiáng)度。當(dāng)強(qiáng)度折減大于1.6時(shí)，弱膠結(jié)角礫巖層大部分達(dá)到抗剪或抗拉強(qiáng)度，同時(shí)在上緣局部區(qū)域也達(dá)到了抗拉強(qiáng)度，且灰燼層底部的應(yīng)力強(qiáng)度比大部分趨近于1。

綜合上述計(jì)算結(jié)果可知，遺址區(qū)域的失穩(wěn)順序及變形破壞模式如圖3所示（序號代表破壞順序）。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)發(fā)生變形破壞的先后順序及破壞模式，總結(jié)不同區(qū)域的監(jiān)測方案如表2所示。

4 結(jié)語

通過三維仿真數(shù)值模擬的方法計(jì)算北京人山洞遺址區(qū)整體穩(wěn)定性現(xiàn)狀，并基于強(qiáng)度折減法確定潛在薄弱位置的穩(wěn)定情況，確定其安全系數(shù)。對比分析模型整體、塑性區(qū)分布和應(yīng)力強(qiáng)度比等模擬結(jié)果，得出如下主要結(jié)論：

一是猿人洞周邊石灰?guī)r和強(qiáng)膠結(jié)層比較穩(wěn)定，猿人洞西側(cè)壁和南側(cè)壁的弱膠結(jié)角礫巖層和灰燼層安全儲備較低，但目前也處于穩(wěn)定狀態(tài)（安全系數(shù)為1.6）。

二是在遺址本體變形發(fā)展過程中，猿人洞西側(cè)南壁弱膠結(jié)角礫巖下方凹陷高度處首先發(fā)生壓剪變形和破壞，繼而在該層上緣發(fā)生拉剪變形和破壞；塑性區(qū)貫通后，弱膠結(jié)角礫巖發(fā)生整體巖坡失穩(wěn)，滑裂面位于弱膠結(jié)礫巖與強(qiáng)膠結(jié)礫巖的交界面。

三是根據(jù)前述遺址本體穩(wěn)定性及變形破壞模式的分析可知，猿人洞變形的關(guān)鍵部位位于猿人洞內(nèi)西側(cè)壁和西側(cè)南壁的弱膠結(jié)角礫巖層及西側(cè)南壁的灰燼層中，因此后期應(yīng)將其作為重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域。

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［作者簡介］隗建華，女，北京人，北京周口店北京人遺址管理處，副主任，本科，研究方向：不可移動文物保護(hù)管理與可移動文物展示利用。

康凱，男，北京人，北京周口店北京人遺址管理處，副主任，本科，研究方向：遺址類文物管理與保護(hù)。

鄭健，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，北京原真在線監(jiān)測技術(shù)有限公司，一級建造師，大專，研究方向：土遺址、石窟寺、古建筑等不可移動文物保護(hù)與監(jiān)測。

曹溪，男，北京人，北京周口店北京人遺址管理處，技術(shù)員，本科，研究方向：遺址類文物管理與保護(hù)。

吳昌宇，男，安徽六安人，福州大學(xué)土木工程學(xué)院，技術(shù)員，碩士，研究方向：巖土工程。