水库淹没区岩土体文物遗址保护方案研究
——以皎平渡山洞遗址为例

何 伟,吴冠仲,范宣梅,王文松,柳 杨

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059;2.中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730000)

中国西南地区水系发达,水能资源丰富,积极推进大型水电工程建设不仅有助于增加清洁电力供应,更是中国经济社会发展的具体要求。然而,大型水电工程的建设与运营势必会改变原有的地质环境,影响库岸边坡的稳定性[1-5]。特别是在河谷深切的西南山区,广泛发育着成因多样、结构复杂的第四系堆积体,它们是典型的内、外动力耦合作用的产物,其衍生的地质灾害具有随机性、复发性和多发性的特点[6-9]。皎平渡山洞遗址位于金沙江干流乌东德水电站坝址上游的水库淹没区。该山洞遗址曾是毛泽东、周恩来等中央领导在此渡江后的驻扎地,它见证了当年中央主力红军巧渡金沙江的壮举,承载了一段党领导人民争取国家独立、民族解放的光荣革命历史。因此,对该山洞遗址加以保护,有重要的历史意义和现实意义。

皎平渡山洞遗址赋存于金沙江左岸第四系崩坡积和冲洪积堆积体中,上覆不均一的弱胶结碎块石土,下伏前震旦系浅—中风化岩层,土岩界面顺坡向、大致与坡面平行,这一复合结构属于潜在不稳定体,具备滑动的条件。因此,要保护好该洞遗址,首要解决的是坡体整体稳定性问题。其次,土体在高压水长期浸泡、渗透作用下产生泥质软化、可溶盐溶解或是亲水膨胀性矿物膨胀,都可能导致堆积体的结构破坏或强度大幅降低,对洞室的稳定极为不利,在保障坡体整体稳定的条件下,需要进一步解决山洞局部稳定性问题。最后,山洞遗址作为岩土体文物,具有文物本体与载体不可分割的特征,并且将长期处于近90 m的深水环境中,因此,加固治理措施在考虑稳定耐久的同时,还需要在固坡与文物保护之间协同兼顾。

水库诱发滑坡作为重大工程对地质环境影响的一种重要形式,一直是工程地质学科研究的热点[10-16]。许多学者对水库滑坡的成因机制、演化模式及控制因素进行了大量研究。例如:王士天等[17]认为水库蓄水和调节致使库区及其附近区域出现地下水位大幅度提高及显著的动态变化会加剧水岩作用进程,最终破坏原有环境平衡而致灾。王思敬等[18]提出滑动面的水理弱化以及渗压增加引起的有效应力的降低是水库诱发滑坡的主要原因。Tang M.G.等[19]的研究表明,水库滑坡失稳受滑面形态、土体渗透系数、水位波动速率等多因素影响。殷跃平等[20]通过分析长江三峡工程2008—2020年库水位实际调度曲线,建立了库水位多年平均升降与滑坡堆积体地下水浸润线关系,然后根据不平衡推力法计算得到滑坡的安全系数,并讨论了采用中小口径抗滑桩群对水库滑坡进行防治的方法。然而,水库滑坡的治理措施多是在传统滑坡防治中采用的抗滑桩、锚索等加固措施基础上,进一步地采取阻排水工程、压脚、生态护坡等措施[21-22],对于涉水文物保护的案例目前还较为少见。

综上所述,现有研究虽然在水库滑坡机理及防治方面已经取得了较为丰富的成果,但是皎平渡山洞遗址作为国内首例深水环境下的土遗址保护工程,尚缺乏先例指导,受限于深水环境情况复杂、地质条件较差以及文物保护的重要性等特点,迫切需要探索具有针对性的保护方案。因此,本文以皎平渡山洞遗址及其赋存岸坡为研究对象,根据岸坡地形地质条件以及遗址的保护要求,综合考虑岸坡整体稳定性、山洞局部稳定性以及长周期、高水压下的耐久性,提出了切实可行的加固治理方案;并采用有限元法模拟了研究区的瞬态渗流场,通过分析治理前后浸润线的位置变化进程、遗址区土体饱和度及孔隙水压力的演化规律,验证了方案的可行性。

1 研究区基本特征

皎平渡山洞遗址位于金沙江左岸中武山坡体前缘,此处金沙江面海拔高度为872 m,山洞位置的海拔高度为889 m。研究区三维地质模型如图1所示,该模型涵盖了受水库蓄水影响的整个区域,高程范围872～975 m。考虑到以山洞遗址为重点研究对象,将研究区划分为治理区和非治理区。治理区高程范围875～910 m,顺河向长约80 m,垂直河向宽约50 m;北侧、东侧、南侧三面临空,西侧为坡顶斜坡,坡体前缘较陡,坡度约为65°,高度为13～15 m,坡顶为缓倾斜坡,坡度约为20°。非治理区高程范围910～975 m,斜坡分两级:下级斜坡高程范围910～938 m,坡度为0°～20°;上级斜坡高程范围938～975 m,坡度为30°～50°。

图1 研究区三维地质模型Fig.1 Three-dimensional geological model of study area

研究区工程地质剖面如图2所示。坡体由上覆崩坡积、冲洪积的堆积体及下伏基岩组成。堆积体厚度约为10～15 m,主要为泥钙质弱胶结的碎石、块石土,碎块石母岩成分以白云岩为主,局部有互层状成层韵律;下伏基岩主要为前震旦系天宝山组白云岩、板岩和千枚岩,岩层反倾坡内,倾向NW,倾角约49°,地质构造复杂,局部区域揉皱现象发育。

研究区为深切峡谷地貌,地表水排泄通畅,东侧的金沙江为区内最低排泄基准面,南侧发育一条近于垂直金沙江的小型冲沟新田沟。区内地下水为赋存于第四系弱胶结堆积体中的孔隙水和基岩裂隙水,受岩土体胶结程度、透水性质及断裂构造影响具有明显的不均一性,主要接受降雨及河流入渗补给。水库蓄水后死水位945 m、常水位975 m,因此治理区将常年淹没水下。调蓄期间,研究区地下水将与库水发生较强的水力联系。

2 治理原则与方案

2.1 治理原则

皎平渡山洞遗址的原址保护,属于工程地质和文物保护的跨学科问题,采取工程治理措施需要多方面考虑。综合文物保护需求和工程地质的分析,确定了如下治理原则:①保护工程需遵循“不改变文物体原状、保护文物真实性、不造成新的破坏”为基本原则;②考虑文物的二次考古发掘,需兼顾“可识别、小干预及可逆性”的原则;③针对危及文物本体及载体稳定性和耐久性问题进行加固;④采用简便适用、经济合理、环保无污染、针对性强的治理方案;⑤治理方案需注意与环境的协调性和外观的美观性。

2.2 治理方案

基于前文所述的治理原则,对于皎平渡山洞遗址研究采用围堰式外支内撑结构的综合治理方案[23]。包括:抗滑桩及桩板墙、坡体注浆、坡表防渗、土方回填注浆、防渗帷幕、坡表锚喷的赋存坡体加固治理措施(图3);以及洞壁表面隔离、洞内钢拱架支撑、洞室回填的山洞本体加固措施(图4)。山洞遗址加固治理方案模型如图5所示,按照加固对象及施工顺序说明如下:

图3 赋存坡体加固治理方案示意图Fig.3 The schematic diagram of slope reinforcement treatment scheme

a.抗滑桩及桩板墙

为了防止蓄水工况下山洞遗址赋存坡体沿土岩界面发生整体深层滑动,采用滑坡治理中常用的抗滑桩进行支挡加固(图3、图5-B)。在山洞后缘线性布置一排抗滑桩,为了确保桩体施工不会对山洞造成破坏,需保留足够的安全距离;在山洞前缘北、东、南临空侧坡脚位置呈圆弧形布设一排抗滑桩;同时,前缘桩间增设混凝土挡板形成桩板墙(图5-C),用于坡体临空侧土方回填。抗滑桩采用矩形混凝土方桩,宽2 m,高3 m,中心距6 m。前缘抗滑桩入岩锚固长度18 m,总桩长36 m;后缘抗滑桩入岩锚固长度15 m,总桩长35 m。桩间混凝土挡板厚度为0.7 m。

图5 山洞遗址加固治理方案模型Fig.5 Model of reinforcement scheme for cave ruins

b.坡体注浆

为了防止蓄水工况下库水渗入坡体内部,浸润软化土体,造成山洞遗址溃散、坍塌而局部失稳,采用地基处理、边坡支护中常用的注浆进行加固(图3、图5-D)。通过钢花管向坡体碎块石土压力注浆,使得土体得到胶结改性,整体胶结程度和力学强度均得到提高。注浆孔采用梅花形布置,孔径110 mm,中心距3 m,注浆深度进入岩层5 m,注浆材料选用水灰比为1：1的黏度时变浆液[24]。

c.坡表防渗

坡体注浆加固后,由于库水入渗的薄弱位置在坡体表层,为了防止坡表软化及强度降低,对表面1 m的土体进行再次加密注浆改性(图3、图5-E)。注浆工艺与坡体注浆相同,注浆孔穿插布置于坡体注浆孔之间,中心距减小为2 m。

d.土方回填注浆

坡体前缘与桩板墙间的空隙采用土方压实回填,并注浆加固以增强回填土与整个坡体黏结性和自身的密实度(图3、图5-F)。目的在于:①使得原坡体顶部至桩板墙顶部形成平缓斜坡,消除原坡体三面临空状态,避免坡体发生向外倾倒、垮塌失稳;②将山洞遗址进行掩埋保护,进一步起到隔离防渗的作用。

e.防渗帷幕

为了防止高水头作用下地下水过快渗入山洞,采用水利工程大坝防渗加固处理中常用的帷幕灌浆,距离山洞5 m处的坡体深部布置一圈弧形闭合的垂直防渗帷幕(图3、图5-G),弱化蓄水工况下静水压力和动水压力对坡体的作用,对遗址区进行隔离防渗保护。帷幕尺寸厚2.5 m、深度70 m,上部相接于坡表防渗层,下部进入到中风化岩层,采用高压旋喷进行灌浆,灌浆材料同坡体注浆材料。

f.坡表锚喷

g.山洞回填

考虑到山洞遗址本体是整个坡体应力集中的较为薄弱部位,为了防止发生由内而外的开裂、变形、坍塌,在洞室内部采用支撑结构进行保护(图4)。具体包括:①洞壁表面隔离:洞壁表面喷涂具有良好弹性和抗撕裂性、具有一定强度和韧性的丙烯酸盐保护膜,用于对洞壁浅表层的保护;②钢拱架支撑:采用内嵌式钢拱架对洞室内壁进行支撑加固,增加洞室抗压能力和稳定性;③洞室回填:采取级配粒料(块石、碎石、砂)充填于洞室内部,进一步提高洞室的抗压能力。

3 研究区渗流场分析

3.1 渗流控制方程

研究区在蓄水和调蓄阶段,土体在非饱和与饱和状态变换,土中水的运动属于饱和与非饱和渗流问题,渗流控制微分方程[25]表达式为:

(1)

式中:kx、ky分别为水平和垂直方向的渗透系数;H为总水头;θ为单位体积含水量;t为时间。

体积含水量θ的改变依赖应力状态变量(σ-μa)和(μa-μw),其中σ是总应力,μa是孔隙内的气压,μw是孔隙水压力。总应力不变,孔隙气压为恒定大气压,所以单位体积含水量θ的变化是孔隙水压力μw变化量的函数。表达式如下:

∂θ=mw∂μw

(2)

式中,mw为比水容量,即储水曲线的斜率。

总水头H定义为:

(3)

式中:γw为水的容重;y为高程。

式(3)经整理可得:

μw=γw(H-y)

(4)

式(2)与式(4)联立可得:

∂θ=mwγw∂(H-y)

(5)

高程y是常量,对时间的导数为0,式(1)与式(5)联立可得渗流控制方程如下:

(6)

3.2 渗流计算模型

选取研究区1-1′剖面,采用Geo-Studio有限元软件SEEP/W进行模拟,治理前后的渗流计算模型如图6所示,模型水平方向长度为282 m,垂直方向高度为195 m。边界条件:底边界为不透水边界;左边界以初始水位为界,其下为定水头边界,其上为不透水边界;右边界为不透水边界;坡面边界以实际库水位为界,其下为变水头边界,其上为不透水边界。初始条件采用初始水平地下水位,蓄水前为872 m,水位降落前为975 m。

图6 渗流计算有限元模型Fig.6 The finite element model of seepage calculation

3.3 渗流计算参数

3.3.1 饱和渗透系数

注浆前,采用双环注水试验测试覆盖层土体渗透性,平均饱和渗透系数为2.2×10-3cm/s。采用现场钻孔压水试验测试基岩渗透性,强风化岩层透水率平均值为34.2 Lu,中风化岩层透水率平均值为7.8 Lu,平均饱和渗透系数分别为9.95×10-4cm/s和8.16×10-5cm/s。根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)附录F岩土体渗透性分级,强风化岩层及中风化岩层分别属于中等透水和弱透水。

注浆后,采用现场钻孔压水试验测试注浆覆盖层土体及注浆强风化层的渗透性。注浆覆盖层(包含回填土部分)的平均饱和渗透系数为1.0×10-5cm/s。注浆强风化层平均饱和渗透系数为9.95×10-5cm/s。

根据混凝土结构抗渗等级换算,防渗帷幕及坡表防渗层渗透系数为1.0×10-6cm/s,桩间挡板及坡表锚喷层为1.0×10-8cm/s。

3.3.2 非饱和渗透系数

覆盖层土体的非饱和渗透系数与其含水量及基质吸力密切相关。根据覆盖层土体的饱和含水量、残余含水量以及饱和渗透系数,采用Van Genuchten闭合方程来描述覆盖层土体的渗透系数[26],治理前后覆盖层的土水特征曲线见图7,渗透系数与基质吸力关系曲线见图8。

图7 土水特征曲线Fig.7 Soil-water characteristic curve

图8 渗透系数与基质吸力关系曲线Fig.8 Relation curve between permeability coefficient and matrix suction

3.4 渗流计算的工况

根据乌东德水电站蓄水方案,设置以下计算工况(表1)。

表1 渗流计算的工况Table 1 Working conditions of seepage calculation

3.5 数值模拟过程及结果分析

采用渗流瞬态分析方法,模拟研究区治理前后库水位升降工况的瞬态渗流场,在此基础上,对坡体内各时步的浸润线进行了对比分析,同时根据山洞遗址区土体饱和度及孔隙水压力数据,分析其变化规律。

3.5.1 浸润线位置变化分析

库水位上升阶段以5 d为间隔、达到常水位后以30 d为间隔绘制浸润线位置时程图,治理前后浸润线位置时程图如图9所示,曲线上数字为累计时间步数,代表不同时刻浸润线位置。据图可知:任意时间步的浸润线高度均自坡表向坡体内部逐渐降低,强风化分界线处发生明显转折突变,这主要是由于覆盖层土体及强风化岩层渗透系数远大于中风化岩层所致。库水向坡体内部的渗透进程可以由浸润线位置的变化体现,总体上,浸润线呈“S”形曲线由表及里逐渐推进,且随着向坡体内部渗透浸润线越密集,历时越长。根据图9的对比分析可知,治理区坡体内的浸润线位置变化进程差别较大:治理前浸润线由坡表向坡体内部呈现滞后性单向抬升,靠近坡面处基本与库水位相接,远离坡面逐渐滞后,浸润线抬升速度较快,在约18 d抬升至山洞遗址;治理后浸润线抬升远滞后于库水位,浸润线密集分布在防渗结构附近,防渗帷幕围限区内浸润线呈现为由低到高的“包围式”双向抬升,抬升速度缓慢,在约150 d抬升至山洞遗址。同时,随着库水位升高,治理前后非治理区坡体内浸润线位置在第60 d后趋于一致。

图9 研究区浸润线位置时程图Fig.9 Time-history diagram of saturation line position in the study area

3.5.2 山洞遗址区土体饱和度分析

非饱和渗流计算的关键是根据饱和度计算出非饱和区的渗透系数[27]。图10为结合库水位线绘制的山洞遗址区土体饱和度—时间曲线,显示水位上升各阶段土体饱和度的变化。据图可知:治理前,土体初始饱和度为0.43,随着库水位上升,在基质吸力作用下土体逐渐吸湿饱和,第10～18 d土体饱和度逐渐增大至1,即在水位上升的第①阶段山洞遗址区土体即达到饱和状态;治理后,遗址区土体孔隙体积减少,初始饱和度增大为0.68,第130～148 d土体饱和度逐渐增大至1,此时库水位已进入常水位(975 m)阶段。对比分析可知:治理前,山洞遗址区土体的渗透系数较大且渗流路径短,在库水位淹没时即饱和;治理后,土体渗透系数减小且渗流路径增长,土体的饱和进程远滞后于库水位上升进程。

3.5.3 山洞遗址区孔隙水压力分析

库水位升降常诱发边坡失稳而发生滑坡的重要原因之一是坡体内部孔隙水压力发生改变[28-29]。图11为水位升降各阶段山洞遗址区土体孔隙水压力—时间曲线,数值计算时定义最大负压力水头为10 m,即初始孔隙水压力均为-100 kPa。水位上升阶段:治理前,第18 d孔隙水压力增长至0 kPa,第①阶段稳定期为30 kPa,第②阶段稳定期为550kPa,第③阶段稳定期为745 kPa,第④阶段稳定期为845 kPa,常水位阶段保持恒定;治理后,第①、②、③、④阶段孔隙水压力仍为初始值,进入常水位阶段后以约1.64 kPa·d-1的速率缓慢增长。水位下降阶段:治理前,孔隙水压力随着水位下降呈线性降低,速率为10 kPa·d-1,死水位阶段保持恒定;治理后,孔隙水压力在水位下降初期降低速率约为0.1 kPa·d-1,死水位阶段约为0.51 kPa·d-1。对比分析可知:治理前,土体孔隙水压力变化明显具有阶段性,其变化率与库水位升降速率一致,表现为静水压力型;治理后,土体孔隙水压力变化受库水位影响较小,滞后性明显,表现为渗流变化型。

图10 山洞遗址区土体饱和度—时间曲线Fig.10 Soil saturation-time curve in cave ruins area

图11 山洞遗址区土体孔隙水压力—时间曲线Fig.11 Pore water pressure-time curve of soil in cave ruins area

4 结 论

a.针对水库淹没区岩土体文物采用原址保护方案时,应兼顾文物本体及载体的稳定性和耐久性问题,本文以皎平渡山洞遗址为例,提出了围堰式外支内撑结构的综合治理方案。对于遗址赋存岸坡采用抗滑桩、桩板墙、坡体注浆、坡表防渗、土方回填注浆、防渗帷幕及坡表锚喷进行协同加固;对于山洞本体则采用洞壁表面隔离、洞内钢拱架支撑、洞室回填的加固措施。

b.为了验证保护方案的可行性,采用有限元法分析了研究区的渗流场变化。结果表明,在增加工程治理措施后,有效地减缓了治理区地下水位的抬升和土体的饱和进程,明显降低了孔隙水压力的变化速率。采用坡体注浆及坡表防渗措施,能够有效充填覆盖层孔隙及强风化层裂隙,使得渗透系数大幅度减小;采用深部防渗帷幕使得地下水沿着帷幕边界竖向绕流,延长了渗流路径,增大了沿程水头损失;采用桩板墙及坡表锚喷的加固措施则进一步防止坡表土体的崩解与裂缝的产生,减少了水体由坡面的直接入渗。