北京人山洞遗址稳定性研究

隗建华 康凯 郑健 曹溪 吴昌宇

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

［摘 要］北京人山洞遗址是古人类学、旧石器时代考古学和第四纪地质学等众多研究领域的发源地。在长期自然营力作用下，遗址区域内出现多处脱落点并存在潜在的危险岩土体。本文通过多款建模软件采用逆向建模的方法，建立尽可能还原北京人山洞遗址原貌的大型复杂三维仿真数值模型，并运用FLAC3D软件对北京人山洞遗址研究区的岩土体稳定性进行研究分析。

［关键词］周口店；强度折减法；三维仿真；数值模拟；稳定性

［中图分类号］G26文献标志码：A

本文通过应力强度比和塑性区分布等计算结果得出周口店猿人洞遗址的整体稳定性及潜在薄弱区域。并基于强度折减法确定潜在薄弱位置的安全系数。通过对关键剖面应力强度比、塑性区分布的变化趋势进行分析，得到周口店猿人洞遗址潜在破坏位置可能的破坏模式，指出周口店遗址重点监测区域。结果表明：遗址区目前整体处于稳定状态，灰岩层及强胶结钙质角砾岩层基本未产生明显变形，猿人洞西侧壁及西侧南壁为变形破坏关键部位，岩土体劣化、失稳时，猿人洞西侧南壁下方凹陷处首先发生压剪变形和破坏，继而在该层上缘发生拉剪变形和破坏，塑性区贯通后发生岩坡整体岩坡失稳；如变形继续，灰烬层开始发生塑性滑移。

1 研究背景

在我国，石质文物分布非常广泛，所处环境条件十分复杂^［1］。对石质文物所赋存岩土体稳定性的研究是使其能够继续长久存在的先决条件，为此，相关研究人员展开了大量的研究工作。孙进忠根据太原西山大佛工程地质条件对可能影响其岩体稳定性的因素进行了分析^［2］；孙博通过对云冈石窟中第19窟西侧耳窟建立三维实体数值模型，采用有限差分软件对其进行了地震动力稳定性的计算及分析^［3］；吴冠仲基于可靠度理论对皎平渡山洞遗址二维剖面在降雨、地震等不同工况下的稳定性进行了定量评价及稳定性分级^［4］。

在三维仿真数值模型构建方面，现主要集中于采矿及地质工程等领域，受限于计算机的性能及计算效率，对于边坡稳定性的研究，大多以二维平面模型为主^［5］。但石质古建筑及遗址一般建立在较为稳定的地层当中，由于长期自然营力的影响，发生破坏的主要部位在遗址表层，因此对其数值模型的构建有着相较边坡、隧道等工程更为特殊的要求。对于这类数值建模需要更为精细地表达遗址表层的形貌。

北京人山洞遗址作为世界上同一时期中资源最丰富、最齐全且最有价值的古人类遗址及古生物遗址群，因其自身的重要价值，在1987年被列入《世界遗产名录》。经历了上万年的历史变迁，遗址本体出现掉块、滑移、塌方等现象，对北京人山洞遗址的稳定性及破坏模式进行分析研究，进而采取科学有效的监测手段十分必要。因此，本文以北京人山洞遗址岩土体作为研究对象，结合现有研究区相关资料，通过三维仿真数值模拟的方法得出当前遗址区整体稳定性及变形破坏关键部位，并基于强度折减法确定潜在薄弱位置的稳定情况，确定其安全系数及可能的破坏模式，优化遗址区的监测方案。

2 数值模型构建

2.1 三维地质模型构建

北京人山洞遗址区稳定性的研究分析不同于普通边坡。由于遗址本体破坏部位主要在遗址表层，因此数值模型构建的精细化程度显得尤为重要。本文采用逆向建模法^［6］，建立尽可能还原北京人山洞遗址原貌的大型复杂三维仿真精细化数值模型。构建的整体几何模型如图1所示。模型区域平面大小为160m×150m，底部标高为0m，顶部135m左右。采用局部加密的四面体单元，模型共有单元939 154个，节点134 823个。

2.2 地层材料参数

根据《北京市周口店北京人遗址地质病害治理物探勘察工作报告》以及现场观测可知，研究区域包含四种岩石：猿人洞周边灰岩、猿人洞内的强胶结角砾岩、猿人洞内西侧壁和西侧南壁的弱胶结角砾岩以及山顶洞至猿人洞局部的灰烬层^［7］。由于鸽子堂前期已通过锚杆进行加固，因此鸽子堂顶部和南侧岩层设为强胶结角砾岩^［8，9］。根据常见灰岩和砾岩的情况，并结合《周口店遗址保护工程报告》^［10］，确定岩性参数（采用摩尔—库伦模型）如表1所示。

2.3 分析内容

数值模拟结果中不同指标可表征模型所处状态下的不同信息。位移和等效应变可给出变形模式及关键部位，弹塑性状态可以查看计算过程及达到平衡后岩土体是否达到塑性破坏以及破坏模式^［11］。应力强度比指岩土体的强度与当前应力的比值，该值越小，则岩土体越趋于破坏：达到抗剪强度时，该值为1；达到抗拉强度时，该值为0^［12］。弹塑性状态和应力强度比可以给出岩土体当前的应力状态、潜在破坏位置及破坏模式。

2.4 监测部位

首先通過模型整体的应力强度比及塑性区分布得到模型整体稳定性及变形破坏关键部位。为进一步明确变形破坏关键部位可能的破坏模式及破坏机理，对比分析关键部位三个剖面的位移、弹塑性状态、应力强度比等力学状态。

3 结果分析

3.1 现状条件下整体稳定性

图2为现状条件下数值模型总体应力强度比云图（计算发现猿人洞外围基本处在稳定状态，此处不予展示）。

由图2可知，遗址研究区应力强度比均大于1，说明现状条件下整体处于稳定状态，但猿人洞南壁至猿人洞西壁弱胶结钙质角砾岩层与强胶结钙质角砾岩交界上缘及该岩层溶洞高度以下位置应力强度比接近1，说明此处易出现剪切变形发生局部失稳现象。所以该部位为猿人洞遗址区变形破坏的关键部位。

3.2 强度折减法确定局部稳定性

上述分析可知，猿人洞周边强胶结角砾岩和灰岩保持稳定，主要在弱膠结角砾岩和灰烬层会发生破坏。因此，逐步折减弱胶结砾岩和灰烬层的强度，并查看折减后的区域稳定性，以此确定其安全系数。通过简化试算可得模型的安全系数大致在1.55左右，因此选择折减系数F的变化区间为1.2～2.15，变化间隔为0.05。

3.2.1 不同折减强度下猿人洞的位移

当强度折减小于1.4时，猿人洞西侧壁底部发生相对较大的顺坡向位移，剖面上弱胶结角砾岩层主要在底部发生较大位移，但并未与上部一齐移动，即塑性区未贯通。当强度折减大于1.6时，西侧南壁发生相对较大的顺坡向位移，剖面弱胶结角砾岩层的塑性区贯通，发生较大位移。由于西侧南壁受到更弱的边界约束，在弱胶结角砾岩层失稳后发生了比西侧壁更大的位移。

3.2.2 不同折减强度下猿人洞的塑性区分布

当强度折减小于1.4时，西侧壁部分范围达到塑性剪切破坏，而西侧南壁弱胶结角砾岩层的上缘局部达到塑性受拉破坏。当强度折减大于1.6时，弱胶结角砾岩层大部分已出现剪切塑性区，且在该层上缘出现明显的受拉破坏区。弱胶结角砾岩层大部分发生剪切破坏，上缘发生受拉破坏。灰烬层也开始出现塑性破坏区。

3.2.3 不同折减强度下猿人洞的应力强度比

当强度折减小于1.4时，弱胶结角砾岩层下缘部分岩体趋于破坏强度，该层上缘局部趋近抗剪强度。当强度折减大于1.6时，弱胶结角砾岩层大部分达到抗剪或抗拉强度，同时在上缘局部区域也达到了抗拉强度，且灰烬层底部的应力强度比大部分趋近于1。

综合上述计算结果可知，遗址区域的失稳顺序及变形破坏模式如图3所示（序号代表破坏顺序）。

根据区域内发生变形破坏的先后顺序及破坏模式，总结不同区域的监测方案如表2所示。

4 结语

通过三维仿真数值模拟的方法计算北京人山洞遗址区整体稳定性现状，并基于强度折减法确定潜在薄弱位置的稳定情况，确定其安全系数。对比分析模型整体、塑性区分布和应力强度比等模拟结果，得出如下主要结论：

一是猿人洞周边石灰岩和强胶结层比较稳定，猿人洞西侧壁和南侧壁的弱胶结角砾岩层和灰烬层安全储备较低，但目前也处于稳定状态（安全系数为1.6）。

二是在遗址本体变形发展过程中，猿人洞西侧南壁弱胶结角砾岩下方凹陷高度处首先发生压剪变形和破坏，继而在该层上缘发生拉剪变形和破坏；塑性区贯通后，弱胶结角砾岩发生整体岩坡失稳，滑裂面位于弱胶结砾岩与强胶结砾岩的交界面。

三是根据前述遗址本体稳定性及变形破坏模式的分析可知，猿人洞变形的关键部位位于猿人洞内西侧壁和西侧南壁的弱胶结角砾岩层及西侧南壁的灰烬层中，因此后期应将其作为重点监测区域。

参考文献

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［2］孙进忠，田小甫，管旭东，等. 太原西山大佛松动岩体边坡稳定性分析［J］. 地学前缘，2008，15（4）：227-238.

［3］孙博，彭宁波，王逢睿. 云冈石窟第19窟西耳窟地震动力响应［J］. 西南交通大学学报，2012，47（4）：573-579.

［4］吴冠仲，丁梓涵，赵敬善，等. 基于可靠度理论的皎平渡山洞遗址稳定性定量评价［J］. 科学技术与工程，2020，20（8）：3179-3186.

［5］刘琳. 复杂地质体三维建模参数化的研究［D］. 武汉：中国地质大学，2017.

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［9］蔡美峰. 岩石力学与工程［M］. 2版，北京：科学出版社，2013.

［10］周口店北京人遗址管理处. 周口店遗址保护工程报告［M］. 广州：文物出版社，2013.

［11］王威龙，周家伍，王科. 基于FLAC～（3D）强度折减法的土溶洞稳定性评价［J］. 建筑技术开发，2014，41（11）：67-70.

［12］周成豪，张耀平，柯圣安. 地震荷载影响下露天矿山高边坡最终边坡角优化研究［J］. 化工矿物与加工，2020，49（11）：1-4.

［作者简介］隗建华，女，北京人，北京周口店北京人遗址管理处，副主任，本科，研究方向：不可移动文物保护管理与可移动文物展示利用。

康凯，男，北京人，北京周口店北京人遗址管理处，副主任，本科，研究方向：遗址类文物管理与保护。

郑健，男，内蒙古呼和浩特人，北京原真在线监测技术有限公司，一级建造师，大专，研究方向：土遗址、石窟寺、古建筑等不可移动文物保护与监测。

曹溪，男，北京人，北京周口店北京人遗址管理处，技术员，本科，研究方向：遗址类文物管理与保护。

吴昌宇，男，安徽六安人，福州大学土木工程学院，技术员，硕士，研究方向：岩土工程。