交河故城濒危崖体３６区水平位移变化特征

    张景科　谌文武　和法国　崔　凯　任非凡　唐　军

    内容摘要：交河故城四周发育有大量濒危的崖体，掌握崖体的动态定量信息对于了解崖体的状态具有重要的意义，进而为崖体科学合理的加固设计提供基础信息。本文通过对崖体36区在天然条件下水平位移和上部土体温度的监测，分析了该区内不同破坏类型、规模和机制的濒危崖体的水平位移变化特征。结果表明濒临崖体的差异性决定了水平位移变化的差异性，但是所有的水平位移变化与自然条件下土体温度的变化具有极强的相关性。研究结论为交河故城崖体后续加固工程提供了重要信息。

    关键词：崖体36区；工程地质条件；水平位移变化特征；土体温度

    中图分类号：K854.3文献标识码：A文章编号：1000－4106(2009)03－0114－06

    前言

    土质边坡稳定性评价的研究方法大多基于定性与定量评价之上，尤其定量的评价成为研究的热点。边坡的稳定性最客观的评价，均基于实际的工程地质条件和现场监测的边坡的应力、变形、温度、地下水等定量信息。因此边坡现场监测信息的分析对于土质边坡的稳定性及动态具有重要的意义。作为遗址载体的土质边坡兼有地质工程与文物遗址两种属性。文物遗址加固的科学性建立在前期的综合监测信息分析之上，但鉴于目前我国的实际情况，大部分遗址均没有开展大规模的信息监测。

    交河故城总面积35万余m2，建筑面积22万m2，现今保存在地面的建筑遗迹大多为公元3—6世纪所建，是世界上目前遗存规模最大的土遗址之一。交河故城整体位于两河之间的柳叶形台地上，台地西北高，东南低，呈西北——东南向分布。高约30m，南北最长1787m，东西最宽处约310m。台地周边为陡崖，崖体陡峻，坡度近90度。四周陡立的边坡均发生过不同程度的破坏，导致交河故城遗址不断地消减。

    依托交河故城一期抢险加固工程，通过监测天然条件下边坡水平位移和上部土体的温度，本文对崖体36区的监测信息进行了分析，研究了其变化特征。

    1崖体36区主要工程地质条件

    1．1地形地貌

    崖体36区位于交河故城东门的南侧，上部有文物遗存(图版32)，靠近东门处有三日古井。该处地势低下，地下水位较高，崖体表面异常破碎，崖体下部为坍塌堆积物，外侧为农田(图版33)。

    36区崖体范围为D021+12.8－D022，整个分区跨度为39m，崖体平均高度为21.88m。崖体顶部最高高程为58.18m，崖脚最低高程为34.39m。

    由于战乱和后期的破坏，现无完整的古建筑遗存。崖顶面起伏大，裂隙发育，张开度大，风化严重。崖面倾角几乎接近90度，坡底为坡积物堆积，堆积规模大，崖体整体稳定性差。

    1．2地层岩性

    区内崖体地层为湖相沉积地层，崖体出露地层均成近水平分布，地层连续性较好，岩层由上而下颗粒由细变粗。根据直立崖体的立面以及前期工程的钻孔资料，查明该区出露地层由上至下依次为(图1)：

    

    图1崖体36区地质剖面示意图

    (1)淡黄色粉质黏土，该区平均厚度约为3.4m，团块结构，垂直节理明显，表面风化比较严重，出现很多微裂隙。地层中含有少量铁锈斑和钙质结核，成分主要以石英一长石质为主，粒度均匀，水平状构造，轻微胶结，稍密，干燥。

    (2)棕黄色黏土，出露厚度为2.0m，偶见砾石，含少量黏土，斑状结构，垂直节理，表面风化比较严重，部分掏蚀成小洞，微裂隙发育。成分主要以石英一长石质为主，粒度均匀，水平状构造，轻微胶结，中密，干燥。

    (3)褐黄色砂层，厚1.5m，主要以细砂为主，层状构造，与上下土层分层明显，风化严重，该层已经掏蚀进去，分选性好，含黏土，粒度均匀，轻微胶结，干燥。

    (4)青灰色黏土，厚3.4m，颗粒均匀，垂直节理明显，风化轻微，微裂隙发育。成分主要以石英一长石质为主，地层成水平状展布，轻微胶结，稍密，干燥。

    (5)黏土、砂夹层，厚1.9m，层颜色比上层明显发黄，团块结构，垂直节理明显，表面风化比较严重，微裂隙发育。地层中含有少量铁锈斑和钙质结核，成分主要以石英一长石质为主，粒度均匀，水平状构造，轻微胶结，稍密，干燥。

    (6)卵砾石层，出露厚度1.5m。本区夹层中砂层较厚，层中黏土大部分已经风化剥蚀，剩下砂层胶结较好，呈层状分布，黏土层已成空洞，分选性好，层理明显，主要矿物成分以长石一石英质为主，中度胶结，干燥。

    1．3地质构造

    (1)结构面的分布、种类及组合关系

    区段内结构面主要以裂隙切割面为主，区内崖体裂隙包括构造裂隙一节理与次生卸荷裂隙两种类型。构造裂隙一节理走向垂直于崖体的走向，次生卸荷裂隙平行于崖体的走向，两者相互切割，造成崖体不断地发生坍塌。现存的结构面破坏了崖体的完整性，使得崖体外倾，且分割为不同的濒危块体。

    (2)结构面特征

    本区裂隙尤其水平裂隙下切深，最大下切深度达到15.22m，张开度大，并且填充松散土，成为崩塌体的控制裂隙。加之本区崩塌体处于迎风面，因此本区崩塌体的破坏方式是以大块剥落为主。迎风面的另一特点是风化层深，尤其底部黏土、砂夹层在此环境中已经风化剥蚀凹进崖面，使上部崖体悬空，在长期地质力和重力作用下，最终发生崩塌，因此该崩塌体的破坏方式以拉裂倾倒为主。各结构面的主要特征见下表和图2。

    

    

    1．4水文地质条件

    交河故城地下水的类型为潜水，其中下部的卵砾石层为含水层，地下水的径流主要是沿着卵砾石层的倾向，此外，还向两侧的河谷进行排泄。崖体36区处于交河故城的地势最低处，该处地下水位较高(图3、图版34)。在坡积物的下部有地下水向外侧的农田河谷渗流现象。

    

    1．5亚区划分

    为科学研究崖体36区在天然条件下的水平位移变化特征，根据地形地貌、结构面的组合与发育特点以及文物遗存的分布状况，本区可划分为三个亚区(图3、图版34)。

    (1)36—1亚区

    该亚区被次生卸荷裂隙L164与构造裂隙一节理L165、L172、L167、ZL022组合所切割。崖顶分布着古建筑遗迹，地形变化大，裂隙密布错综复杂。裂隙切割成的崩塌体规模小，主要沿崖边成长条状，但该亚区立面的中上部有严重的坍塌凹进(图版35)。

    (2)36—2亚区

    该亚区有两个独立的块体，一是由裂隙L168、L169切割而成，一是由裂隙L174与L175切割而成。块体呈条状，均发生明显的外倾，周围地形变化幅度大，出现很多陡坎。崖体立面上风化裂隙发育，多依附于崖面之上(图版36)。

    (3)36—3业区

    该亚区被裂隙L171、L173、L170所切割，切割的外倾块体规模远大于其他两个亚区。切割后的濒危崖体发生明显的外倾。该区附近即为交河故城的东门，该处地势较低，附近有三口古井，古

    井内常年有水。崖体的表面土体较为破碎，发育密集的风化裂隙(图版37)。

    2监测方案

    基于亚区的划分和濒危崖体的破坏模式，每个亚区布置一个监测断面，监测天然条件下的水平位移变化，监测方案见图2。所采用的设备为南京南瑞集团公司大坝工程监测分公司的全自动变形监测仪器，该仪器包括电位器式位移计、DAMS—IV型数据采集系统及相关数据采集软件，量程10cm，精度0.01mm。此外，在崖体上部的土体内埋设了美国研发的HOBO温度湿度监测仪。依托于交河故城抢险加固工程施工，监测日期为2007年8月17日一2007年8月27日。

    3监测数据分析及讨论

    (1)从图4可以看出，三个监测断面的位移变化趋势不同：其中36—3监测曲线表现出较强的周期性，36—2监测曲线表现为一定的衰减趋势，36—1监测曲线表现为较多的突变特点；36—3监测的位移变化量最大，36—1监测的位移变化量次之，36－2监测的位移变化量最小。与36区的工程地质条件和各亚区的形态对应起来，可以推断出如下结论：

    1)对于底部发生凹进且发生外倾濒危块体(36—1监测的濒危块体)，天然条件下水平位移的变化具有突变性特点，说明崖体处于极不稳定的状态，当环境因素发生突变时，可能发生坍塌。

    2)对于产状和崖体近乎一致，仅发生开裂外倾的规模小的块体(36—2监测的濒危块体)，其水平位移的变化幅度小，且整体呈现衰减的趋势，但是在一个天气循环内，仍出现一定的波动。

    3)对于产状和崖体近乎一致，仅发生开裂外倾的规模比较大的块体(36—3监测的濒危崖体)，位移的变化具有明显的周期性，即每天的位移变化规律具有一致性，但是濒危崖体的日绝对位移变化量具有一定的差异。

    (2)从图5可以看出，监测崖体的日位移变化曲线更能说明图4所反映的规律。一天之内，36—1监测断面发生了三次位移的突变，发生的时间处于6时—17时之间；36—2监测断面位移变化连续，且变化量小，整体上位移减小；36—3监测断面位移变化连续，幅度较大，发生大幅度变化的时间集中于8时－21时。

    图6反映的是三个监测断面8月20日位移变形量变化曲线。可以看出，一天之内36—2监测断面没有发生幅度较大的变形突变，说明变形非常连续，且变化绝对值较小；36—1监测断面有一处较大的变形变化的突变，其余均稳定；36—3发生了多处变形变化的突变现象，且幅度较大。

    

    (3)吐鲁番地区自然条件各因素中，变化最大的是温度，因此研究温度变化与位移变化具有重要的指导意义。从图7、图8和图9中，可以发现温度变化与位移变化极强的相关性：即温度发生降低时，监测断面的位移增大；温度发生上升时；监测断面的位移减小。尽管三个监测断面位移的变化趋势不同，但是与温度变化的关系具有相同的相关性。由此可以说明，在天然条件下，温度的变化制约着濒危崖体水平位移的变化。

    由交河故城崖体36区的工程地质条件可知，外倾的濒危崖体与内侧稳定崖体发生脱离的地层为上部的粉质黏土、黏土层，下部的地层仍内外连续。由于崖体的开裂，造成内外崖体的结构发生一定的差异，外部濒危崖体受到的风化作用最强，日积月累的差异造成崖体内外土体的性质发生极大的差异，尤其是热膨胀冷收缩发生极大的差异，造成天然条件下，水平位移发生有规律的变化。此外，外侧濒危崖体处于极限平衡状态，下部的砂层稳定性质较差，抵抗外界的变形能力也较弱，加剧了水平位移的增长。

    外侧濒危崖体的几何形态不同，其力学机制也有极大的差异，在同样的边界条件下，其变形具有一定的差异性，几何尺寸小，且形状复杂的，变形多发生较大的突变如36—1亚区；几何尺寸小，但是形状规则的，变形小且稳定，如36—2亚区；几何尺寸大，形状较不规则，且三面临空的，能抵抗较大的变形，且变形具有较强的规律性，如36—3亚区。

    4结论

    (1)交河故城崖体36区各亚区的形态、破坏机制的差异性，决定了其水平位移变化特征的多样性。

    (2)对于遗址而言，连续动态的观测，对于评价遗址体的保存状态具有重要的意义。

    (3)交河故城崖体36区濒危崖体水平位移的变化与土体的温度，具有极强的相关性：即温度的增长与位移的增长成反比。

    (4)从三个监测断面的有限监测数据可以说明：现有的崖体破坏状态下，同样的环境条件变化时，规模小，且几何形状不规则的濒危崖体最容易发生坍塌破坏。该结论为交河故城崖体的主导破坏机制(小规模坍塌和中部砂层掏蚀——后缘拉裂——外侧开裂崖体逐步开裂坍塌——外侧崖体最终坍塌——内侧崖体卸荷开裂)提供了证据。

    (5)加强崖体各区的变形信息监测，对于掌握崖体的动态具有重要的意义，从而为科学保护加固提供有力的基础资料。

    致谢：感谢敦煌研究院张鲁高级工程师、刘典国助理工程师，在现场监测过程中悉心的指导和帮助。

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