国家重点文物天生城遗址环境地质灾害研究与规划

潘梦妍 易明明

(1.中国地质大学艺术与传媒学院，湖北 武汉 430074;2.中国地质大学工程学院，湖北 武汉 430074)

1.引言

天生城遗址位于重庆市万州区周家坝街道流水社区，始建于宋淳祐三年(1243年)，现存前、中、后三道城门，前门、后门前方的二道卡门，分别为清代咸丰三年和光绪十七年重建。显存文物还有一字城墙及中城门附近石壁间的南宋期间摩崖筑城题记和碑文4 处，元代纪功碑1 幅。

该遗址具有极高的考古研究价值，是第七批全国重点文物保护单位，现已列入重庆市人文景观规划范围。在长期自然营力作用以及人为因素的影响下，各文物产生了不同程度的变形、风化、崩塌等环境地质病害。对天生城遗址地质病害的调查和保护已成为当务之急。本文综合野外地质调查及室内研究，在阐述天生城遗址的主要环境地质病害的基础上，提出了对不同文物的保护治理措施，对天生城的保护工作及景观规划设计具有科学的理论指导意义。

2.遗址区地质环境

遗址区位于万州区周家坝街道流水社区，地处新华夏系川东平行褶皱带—万县复式向斜轴的北东段，倾角50°～70°。复式向斜轴线穿过万州区，两翼较陡，核部平缓开阔，横断面为屉形，向东展布。区内第四系堆积物(Q)包括残坡积物、残积物、滑坡堆积物和人工堆积物，岩性主要由粉质粘土、粘土夹少量强风化泥岩组成。

基岩主要为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)地层。侏罗系中统上沙溪庙组的地层分为上、中、下三段。

构造上，遗址区地质构造形态以褶皱为主，少见断裂，未发现地震带构造。岩体裂隙较发育，受风化营力影响裂隙明显加宽。区内背斜岩层受自然侵蚀，顶部往往破损，多有巨石出露，且时有山岩崩塌，天生城多发生此类危岩险情。

3.遗址区环境地质病害

3.1 各寨门及卡门的风化剥蚀

包括前、中、后寨门和前卡门及后卡门。前寨门(前城门)位于天生城南侧，在清代咸丰三年和光绪十七年重建。其主要病害为表层风化侵蚀显著，寨门门柱内外侧发生大面积起壳剥蚀现象，局部起壳厚度达到2.5cm。在向阳侧由于干湿循环作用剧烈，大片砂岩起壳层已剥落，门柱底脚部位，剥落面积达到85%以上。寨门上部苔藓植被覆盖，植被生长对墙体有劈裂作用，加剧寨门裂隙的发展。其余寨门及卡门的环境地质病害与前寨门类同，中寨门临山体一侧长期受渗水侵蚀，风化较其他寨门更严重。

3.2 石刻区题刻的风化侵蚀剥落

石刻区风化侵蚀较严重，如图1 所示。

风化病害主要可分为物理风化、化学风化和生物风化三类［1］。物理风化主要表现为温差作用和干湿循环使砂岩石刻表层变得疏松，产生大量的风化裂隙，造成石刻呈鳞片状剥落，同时使石刻砂岩表层起壳。渗水及植被发育加剧了石刻区砂岩的物理风化。化学风化主要是指石刻区顶部古泉水及中堰塘水沿砂岩裂隙渗流而下，与砂岩发生离子交换，Ca2+、K+、Na+浓度增大，Mg2+浓度减小，水样矿化度增大，碱性增强，对石刻区的腐蚀性也相对增强。显然，风化病害严重影响了石刻文物的安全。

3.3 遗址区的危岩体

遗址区内危岩体极其发育，危岩体的破坏具有突发性，致灾具有毁灭性［2］。现场调查统计，天生城目前共有46 处危岩体。危岩体以卸荷裂隙为后缘切割面，呈单体形态附着于砂岩陡壁之上，危岩体后多为砂岩陡崖山体。本文对危岩体评价采用基于极限平衡理论的稳定性计算方法，计算危岩体的稳定性系数。

根据危岩计算稳定性系数，并考虑岩土工程文物保护工程的特殊性，将危岩安全稳定性分为不稳定、欠稳定和稳定三种状态［3-4］，各状态评价标准见表1。砂岩的计算模型参数详见下表2。

表1 危岩稳定状态判别标准

表2 模型计算参数

在危岩稳定性计算中，将危岩体视为完全刚性块体，采用极限平衡理论［5-6］推导不同类型危岩在不同荷载组合下的稳定性计算公式。根据可能出现的不同情况进行以下两种荷载组合［1］:(1)自重+裂隙面(天然状态);(2)自重+裂隙面+地震力。

以上两种荷载中，危岩体稳定性系数最小的为最不利组合，最不利荷载组合为设计荷载组合，其余为校核荷载组合。

以典型的崩塌式危岩为例，建立计算模型如图2。

林孟是个性格开朗的人，他的茶杯是一只很大的玻璃瓶，装速溶雀巢咖啡的玻璃瓶，他喜欢将一把椅子拖到门后，靠着门坐下来，端着那只大玻璃瓶，对着我们哈哈地笑，他的话超过十句以后，就会胡说八道了。他经常很不谨慎地将他和萍萍之间的隐私泄露出来，并且以此为乐，笑得脑袋抵在门上，把门敲得咚咚直响。

(1)天然状态下的计算公式为:

(2)考虑地震作用下的稳定性计算为:

式中:β 为主控裂隙面倾角;H 为主控裂隙面垂直高度;αh为地震力水平加速度;φ 为裂隙面倾角。

分别考虑两种工况下，危岩体的稳定性，计算结果如表3所示:

表3 W10 危岩体稳定性计算结果

建议清除危岩体四周植被，并采取底部支护与锚杆加固相结合的措施，进行治理。

4.结论及建议

天生城遗址区存在以各寨门及卡门的风化剥蚀、石刻区题刻的风化侵蚀剥落、一字城墙失稳垮塌以及遗址区大量危岩体为主的环境地质病害，需要尽早治理。各寨门及卡门的保护，主要采取清除表层苔藓霉菌措施，对于起壳部位建议做化学防护，防治进一步发展，危及文物本体。石刻区题刻的保护主要以“堵”和“疏”相结合措施，治理渗水，拓本还原题刻。一字城墙的治理，建议清理城墙四周植被，两侧设置隔离带，城墙下端采取砼支护。

对于危岩体的治理，建议采取锚杆与砼相结合的支护措施加固，部分受植被根劈作用的危岩体，还应该清除危害性植被，对于裂隙渗水严重的危岩体，主要对策是排水防渗系统。应加强对文物本体的保护，建议石刻区斜坡段退耕还林，并建立遗址区内环境地质病害的长期监测系统。

除此之外，天生城遗址区内还有现存的财神庙、古堰塘等古文物，可以统筹改造成具有人文气息的旅游亮点，为当地群众提供登高休闲的游乐场所。

文献:

［1］方云，魏海云，王金华，隧洞排水法治理大足石刻渗水病害［J］.现代地质，2001，15 (3).

［2］董好刚，陈立德，黄长生，三峡库区云阳—江津段危岩体形成的影响因素及稳定性.工程地质学报，2010，18 (5):645-650

［3］徐志英，岩石力学 (第三版).中国水利水电出版社，1993.

［4］蔡美峰，何满潮，刘东燕，岩石力学与工程.科学出版社，2013.

［5］阮怀宁，徐志英，复杂岩体边坡工程极限平衡理论.岩石力学与工程学报，1993.

［6］张鹏，岩体边坡刚体极限平衡法的误差根源与范围研究.西安理工大学，2003.