丁梓涵，喬 榛，吳冠仲

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；3.國(guó)家文物局石窟保護(hù)技術(shù)重點(diǎn)科研基地，甘肅 蘭州 730000)

0 前 言

興建水庫(kù)時(shí)，須對(duì)水庫(kù)區(qū)及周邊文化遺址進(jìn)行勘測(cè)調(diào)查，對(duì)淹沒區(qū)及其影響區(qū)內(nèi)的文物古跡進(jìn)行保護(hù)，以留住文化根脈、守住民族之魂。水庫(kù)淹沒區(qū)及其影響區(qū)遺址的保護(hù)和利用，應(yīng)在地質(zhì)環(huán)境條件勘察、文物遺址性質(zhì)及保存現(xiàn)狀調(diào)查、遺址賦存載體穩(wěn)定性分析等基礎(chǔ)上，制定科學(xué)合理的保護(hù)方案和措施[1]。目前，我國(guó)已有水庫(kù)淹沒區(qū)文物保護(hù)方案多采取搬遷重建[2]，如三峽水庫(kù)淹沒區(qū)的張飛廟[3]和大昌古鎮(zhèn)[4]、三門峽水庫(kù)淹沒區(qū)的永樂宮[5]、葛洲壩水庫(kù)淹沒區(qū)的屈子祠[6]等淹沒較淺的古建筑或可移動(dòng)文物；少數(shù)采取原址保護(hù)措施，如黃羊水庫(kù)淹沒區(qū)的天梯山石窟在石窟外圍設(shè)計(jì)建造高22 m、長(zhǎng)52 m的圍堰大壩[7]，劉家峽水庫(kù)淹沒區(qū)的炳靈寺石窟采取高15 m、長(zhǎng)200 m的堤防保護(hù)措施[5-6]，三峽水庫(kù)淹沒區(qū)的白鶴梁石刻則建設(shè)水下博物館，實(shí)現(xiàn)了文物保護(hù)兼展示利用[8-10]。

皎平渡革命遺址屬于巖土體類文物，無法進(jìn)行整體搬遷復(fù)建，而水庫(kù)蓄水后將處于水下90 m深度，無法兼顧保護(hù)和展示利用的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)此深水庫(kù)淹沒區(qū)巖土體文物，通過詳細(xì)調(diào)查地質(zhì)環(huán)境、遺址病害及賦存載體情況，重點(diǎn)分析了水庫(kù)蓄水后文物本體及載體的穩(wěn)定性，提出比選方案并最終確定了“原址封護(hù)加固+異地復(fù)建展示”的保護(hù)利用方案，為類似深水庫(kù)淹沒區(qū)巖土體文物保護(hù)方案提供參考。

1 遺址概況及水庫(kù)建設(shè)

1.1 文物遺址概況

1935年5月3—9日，中央紅軍3萬余人在皎平渡口成功渡江，擺脫了十萬國(guó)民黨軍隊(duì)圍追堵截。皎平渡渡口山洞正是毛澤東、朱德、周恩來等中央領(lǐng)導(dǎo)人指揮紅軍“巧渡金沙江”的住所。皎平渡山洞遺址是國(guó)家重要革命文物，是全國(guó)100個(gè)紅色旅游景區(qū)和30條紅色旅游精品路線之一，是四川省第一批省級(jí)文物保護(hù)單位中革命遺址及革命紀(jì)念建筑物之一，是省級(jí)愛國(guó)主義教育基地。

皎平渡革命遺址包括11個(gè)山洞和3段穿洞。穿洞為長(zhǎng)56 m、寬1.5 m、高1.6～1.8 m的隧洞，穿洞西南面鑿有坐北向南的山洞3個(gè)，穿洞內(nèi)部鑿有坐西向東的山洞3個(gè)，穿洞東北面鑿有坐南向北的山洞5個(gè)。

1.2 水電工程建設(shè)

烏東德水電站是金沙江下游河段規(guī)劃建設(shè)的4個(gè)水電梯級(jí)最上游一級(jí)。皎平渡渡口革命遺址位于涼山州會(huì)理縣通安鎮(zhèn)中武村、金沙江左岸中武山坡腳，處于距烏東德水庫(kù)上游33 km的水庫(kù)淹沒區(qū)內(nèi)。革命遺址高程約885 m，水庫(kù)蓄水前遺址高出江水水位約10 m，水庫(kù)蓄水后遺址將被全部淹沒至常水位975 m以下90 m的深度。

2 工程地質(zhì)環(huán)境條件

遺址區(qū)位于金沙江左岸中武山坡腳、新田溝左岸溝口，南東兩側(cè)臨空，東側(cè)為金沙江、南側(cè)為新田溝，坡腳呈近直立陡壁，坡度約80°，高約13～15 m。

坡體下伏基巖為中遠(yuǎn)古界前震旦系天寶山組(Pt2tb)板巖和千枚巖，巖層呈傾向坡內(nèi)的陡傾層狀結(jié)構(gòu)，薄層～中厚狀，輕微變質(zhì)，局部可見極破碎狀的碳化現(xiàn)象，巖體卸荷、風(fēng)化程度相對(duì)較高，一定深度范圍內(nèi)有發(fā)生彎曲-拉裂變形的可能，不利于遺址賦存坡體的整體穩(wěn)定性。

3 遺址病害現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，遺址存在多種病害及不良地質(zhì)現(xiàn)象。

3.1 洞內(nèi)塌頂

7-5號(hào)洞內(nèi)存在按碎石土韻律層逐層剝落的塌頂現(xiàn)象，崩落的碎塊石土堆積于洞內(nèi)地面。7-5號(hào)山洞由前、中、后3個(gè)串聯(lián)的山洞組成，其中前洞進(jìn)深3 m、開間6 m、凈高約2.5 m，是皎平渡山洞群中洞內(nèi)空間最大的山洞，其穩(wěn)定性也相對(duì)較差。開鑿山洞的地層由歷史上不同時(shí)期多次崩塌堆積及坡面侵蝕堆積形成，洞壁可見由塊石、碎石、礫石等粗細(xì)顆粒交替的多級(jí)韻律層，崩坡積碎石土韻律層整體傾向金沙江方向，傾角較緩，約10°～20°。洞頂與碎石土韻律層基本平行，逐層塌頂將導(dǎo)致頂板提供穩(wěn)定的支撐力減小，有可能致使山洞塌方破壞。

3.2 坡體崩塌

7-5號(hào)山洞北側(cè)陡崖已發(fā)生過小規(guī)模崩塌落石。該處陡壁高約13 m，崩塌范圍沿陡壁走向長(zhǎng)約15 m，崩塌堆積厚度平均約2 m，崩塌體約520 m3。崩塌碎石土松散堆積于坡腳，堆積物主要為碎塊石、卵礫石，夾巨型孤石。在強(qiáng)降雨時(shí)松散堆積物可能發(fā)生再次失穩(wěn)溜滑，在風(fēng)化等自然營(yíng)力作用下陡崖裸露新鮮面將發(fā)生持續(xù)向內(nèi)的漸進(jìn)式坍塌。

3.3 卸荷裂隙

穿洞洞頂沿洞軸方向發(fā)育多條平行的卸荷裂隙。大部分均較短且斷續(xù)發(fā)育，其中貫通性最好的一條裂隙總長(zhǎng)度約為12 m，裂隙呈張性，張開度約2 cm，無填充，跡線基本平直，局部位置將孤石切割斷裂。卸荷裂隙破壞了坡體的完整性，降低巖土體強(qiáng)度，且為降水提供運(yùn)移通道，不利于遺址坡體的穩(wěn)定性。

3.4 局部架空松散

臨江側(cè)坡體存在兩層較貫通的松散塊碎塊石層，為不同時(shí)期多次崩塌堆積形成的碎石土韻律層，整體傾向金沙江方向，傾角較緩，約10°～20°，上層厚48 cm，下層厚39 cm；碎塊石磨圓差，呈次棱角狀，結(jié)構(gòu)松散，多處架空明顯，坡表局部已發(fā)生掉塊垮塌而成的孔洞、凹腔，會(huì)形成天然優(yōu)勢(shì)破壞面，不利于遺址坡體的穩(wěn)定性。

3.5 滲漏及滲析

遺址區(qū)坡頂為農(nóng)田，灌溉期間穿洞頂部及側(cè)壁局部出現(xiàn)間歇性滲漏，滲水量較大，出水點(diǎn)面積約1～2 m2，呈滴水形式滲漏，說明坡體內(nèi)部松散，弱膠結(jié)碎石土為水提供了良好的運(yùn)移通道。同時(shí)，遺址山洞內(nèi)壁表面白色泛鹽現(xiàn)象明顯，均出現(xiàn)在西側(cè)即靠山一側(cè)洞壁，這是由于滲水造成易溶鹽遷移，在劇烈的氣溫、干濕交替變化環(huán)境中，巖體內(nèi)易溶鹽不斷溶解、結(jié)晶，呈白色粉末析出于巖土體表面；而長(zhǎng)期作用將導(dǎo)致巖土體鈣鎂質(zhì)成分析出，弱化膠結(jié)結(jié)構(gòu)，加劇淺表層洞壁逐塊、逐層剝離劣化。

綜上所述，山洞遺址本體及賦存載體發(fā)育有多種病害，局部已發(fā)生變形破壞，不僅對(duì)遺址風(fēng)貌造成影響，還嚴(yán)重威脅文物遺址本體及賦存載體的穩(wěn)定性及安全性。

4 坡體穩(wěn)定性研究

目前天然條件下，遺址山洞有局部小型塌落、洞內(nèi)塌頂、裂縫、滲漏等不良地質(zhì)現(xiàn)象，但無整體變形現(xiàn)象，整體穩(wěn)定性較好，失穩(wěn)破壞的可能性小；由于巖土體強(qiáng)度參數(shù)迅速降低，庫(kù)水位上升，坡體前緣可能產(chǎn)生局部垮塌變形，洞內(nèi)塌頂破壞；在長(zhǎng)期庫(kù)水位作用下，堆積體細(xì)顆粒物質(zhì)流出，泥質(zhì)膠結(jié)物軟化，致使土體結(jié)構(gòu)破壞和強(qiáng)度大幅降低，對(duì)坡體和洞室的穩(wěn)定性極為不利，遺址斜坡可能出現(xiàn)滑坡及垮塌破壞。

4.1 物理模擬研究

開展物理模擬實(shí)驗(yàn)，主要目的是研究蓄水過程及蓄水后遺址賦存坡體及局部山洞穩(wěn)定性。物理模擬實(shí)驗(yàn)相似常數(shù)為1:200，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取樣的崩坡積碎石土通過顆粒級(jí)配及密度控制實(shí)現(xiàn)材料相似，采用預(yù)埋石蠟熔化形成山洞處的細(xì)部模型。通過激光掃描儀監(jiān)測(cè)坡體模型的變形，通過埋設(shè)在坡體模型內(nèi)的土壓力計(jì)和孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)水土壓力變化(見圖1)。

圖1 物理模擬實(shí)驗(yàn)方案

坡體模型在長(zhǎng)期泡水條件下，山洞結(jié)構(gòu)及附近區(qū)域最先發(fā)生破壞，進(jìn)而演化為坡體臨空面區(qū)域發(fā)生崩塌破壞。

4.2 數(shù)值模擬研究

4.2.1 二維模型穩(wěn)定性分析

在Geostudio-slope計(jì)算軟件中，根據(jù)地層巖性、風(fēng)化程度、地質(zhì)構(gòu)造將地質(zhì)剖面進(jìn)行簡(jiǎn)化分區(qū)，建立數(shù)值模型，采用Morgenstern-Prince(M-P法)搜索失穩(wěn)滑面，確定常水位975 m工況時(shí)遺址賦存坡體的不穩(wěn)定范圍(見圖2)。

圖2 坡體穩(wěn)定性系數(shù)及推測(cè)滑面

計(jì)算結(jié)果可得，在蓄水后遺址賦存坡體處于欠穩(wěn)定-不穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)滑面集中在坡肩和坡腳處，滑體范圍涵蓋了革命遺址，即水庫(kù)蓄水直接影響遺址本體及賦存坡體的安全保存。

4.2.2 三維模型穩(wěn)定性分析

根據(jù)地形和地層地質(zhì)條件建立FLAC 3D模型，定量分析邊坡由于蓄水引起的變形破壞范圍和變形破壞模式，為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

由三維模型穩(wěn)定性分析可得，蓄水工況時(shí)邊坡位移主要發(fā)生在遺址賦存坡體區(qū)域，其他部位基本無位移。在遺址區(qū)坡體前緣臨空面位移最大，在遺址區(qū)靠新田溝側(cè)位移較大。坡體主要產(chǎn)生向金沙江方向的變形，坡體前緣最先變形失穩(wěn)，然后逐漸向后垮塌。

分析認(rèn)為，由于坡體前緣即坡腳較陡，坡度約80°，臨空條件好；坡體地層為松散崩坡積弱膠結(jié)碎石土，崩坡積韻律層局部松散架空，力學(xué)強(qiáng)度較低、耐崩解性差；且坡體內(nèi)已存在貫通卸荷裂隙和滲水滲析現(xiàn)象，透水性強(qiáng)，故導(dǎo)致遺址賦存坡體前緣穩(wěn)定性差，在蓄水過程及蓄水后長(zhǎng)期淹沒工況下，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

5 保護(hù)利用方案

根據(jù)前期調(diào)研工程案例、專家咨詢意見，結(jié)合皎平渡革命遺址本體遺存現(xiàn)狀、賦存載體及遺址區(qū)實(shí)際工程地質(zhì)條件等，提出“原址水下保護(hù)展示”和“原址封護(hù)加固+異地復(fù)建展示”2種保護(hù)方案。

5.1 原地下水保護(hù)展示

目前，在國(guó)內(nèi)外深水庫(kù)淹沒的巖土文物保護(hù)類似案例是位于三峽水電站淹沒區(qū)的全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位“白鶴梁題刻”。白鶴梁題刻是從唐代廣德元年以來用刻石魚的方式記載枯水位的水下碑銘，題刻賦存于一道長(zhǎng)約1 600 m、寬約15 m的天然石英砂巖上。修建下游三峽水庫(kù)前，白鶴梁題刻淺沒于水中，枯水期露出水面；當(dāng)三峽庫(kù)區(qū)正常蓄水位達(dá)到175 m后，白鶴梁題刻將淹沒于水下約20 m深度。為了保護(hù)白鶴梁題刻這座“長(zhǎng)江古代水文站”和“世界水文資料的寶庫(kù)”，多個(gè)保護(hù)方案被提出，如“地下水晶宮”方案、“蜂巢拱頂殼”方案、“隔流隧道”方案、“就地保存，異地陳展”方案等，最終選擇并實(shí)施了葛修潤(rùn)院士提出的“無壓容器”方案[8-10]，即在白鶴梁上修建一座巨大的無壓容器將其完全籠罩，并可供游客進(jìn)入隔水觀賞。2009年白鶴梁水下博物館建成，它是目前中國(guó)修建的世界上唯一一座遺址類水下博物館，為國(guó)際水下文化遺產(chǎn)的原址保護(hù)和展示提供了成功范例。

參考白鶴梁題刻兼保護(hù)與展示利用于一體的方案，皎平渡遺址保護(hù)方案一提出“原址水下保護(hù)展示”的結(jié)構(gòu)體系。首先對(duì)坡體進(jìn)行支擋加固和注漿加固，在遺址周圍設(shè)置一圈地下防滲帷幕并連接地上基礎(chǔ)，基礎(chǔ)之上為拱形殼體結(jié)構(gòu)即穹頂護(hù)罩，形成完全防滲抗壓的密閉空間，實(shí)現(xiàn)遺址本體的不擾動(dòng)式保存；同時(shí)設(shè)置順坡向廊道，上部入口位于水庫(kù)蓄水常水位以上的岸坡，下部出口抵達(dá)遺址區(qū)，實(shí)現(xiàn)游客抵達(dá)水下參觀游覽。

在方案一提出的同時(shí)，對(duì)皎平渡遺址和白鶴梁題刻的概況進(jìn)行對(duì)比分析(見表1)，為本方案提供參考。

由表1可得，白鶴梁題刻與本項(xiàng)目皎平渡遺址雖均為水庫(kù)淹沒區(qū)遺址類文物，但工程地質(zhì)條件、遺址本體和賦存載體類型、蓄水淹沒深度、文物遺存現(xiàn)狀都相差甚遠(yuǎn)，因此白鶴梁題刻的保護(hù)理念及方案不能完全適用于皎平渡遺址。

表1 文物概況對(duì)比

5.2 原址封護(hù)加固+異地模擬展示

皎平渡遺址保護(hù)方案二采用“原址封護(hù)加固+異地模擬展示”[11]，即對(duì)遺址進(jìn)行加固回填保護(hù)，同時(shí)在淹沒線以上的區(qū)域內(nèi)選擇科學(xué)、合理的地點(diǎn)對(duì)遺址進(jìn)行模擬建造展示。

針對(duì)遺址本體，在洞室內(nèi)部采用鋼拱架支撐和碎塊砂石回填，且在洞壁噴涂防護(hù)層進(jìn)行防水隔離。針對(duì)賦存坡體，首先在遺址賦存坡體中部(遺址后方)設(shè)置抗滑樁，保證坡體穩(wěn)定性；在坡腳(遺址前緣)及遺址兩側(cè)設(shè)置弧形樁板墻，穩(wěn)固坡腳的同時(shí)抵抗蓄水后靜水壓力；對(duì)樁板墻與后方崖面之間進(jìn)行回填，并對(duì)回填土注漿加固；在遺址四周設(shè)置一圈防滲帷幕，對(duì)庫(kù)水入滲進(jìn)行二次防滲封堵，減緩庫(kù)水入滲和浸潤(rùn)對(duì)巖土體的物理化學(xué)作用；在加固區(qū)坡表設(shè)置防滲層輔以錨桿加固，防滲層與抗滑樁、樁板墻、防滲帷幕有效銜接，使加固保護(hù)區(qū)形成完整的封護(hù)加固結(jié)構(gòu)體系。

5.3 方案比選

方案一設(shè)計(jì)及建設(shè)難度較大，在深水壓環(huán)境下完全防滲抗壓的工程效果無法保證，涉及文物保存與參觀游客的人身安全，且工程造價(jià)較高、工期緊迫，在水電站蓄水前不能保證施工進(jìn)度和質(zhì)量。方案二對(duì)原址進(jìn)行就地保護(hù)，可依據(jù)較為成熟的庫(kù)區(qū)岸坡變形破壞防治技術(shù)，結(jié)合文物本體加固保護(hù)技術(shù)，共同實(shí)現(xiàn)遺址在深水庫(kù)淹沒情況下的長(zhǎng)久保存。同時(shí)在異地進(jìn)行選址復(fù)建[12]，也實(shí)現(xiàn)了革命文物有址可尋、有物可看、有史可講、有事可說的重要意義。綜上所述，方案二為水庫(kù)淹沒區(qū)皎平渡革命遺址最佳保護(hù)方案。

6 結(jié) 論

水庫(kù)淹沒區(qū)文物遺址保護(hù)和利用，應(yīng)依據(jù)地質(zhì)環(huán)境、遺址病害現(xiàn)狀、遺址賦存載體穩(wěn)定性、蓄水工況等多個(gè)方面的調(diào)查和分析，制定科學(xué)、合理的方案。以金沙江烏東德水電站上游的巖土體文物皎平渡革命遺址為例，進(jìn)行多方面分析研究，適當(dāng)參考類似文物保護(hù)案例，制定多個(gè)方案，經(jīng)過綜合比選分析，確定了最佳保護(hù)利用方案。此保護(hù)方案的分析制定過程及方法，可為水庫(kù)淹沒區(qū)文物保護(hù)利用研究作參考，旨在發(fā)揚(yáng)文物遺址所承載的重大意義，留住文化根脈、守住民族之魂。