隗建華 康凱 鄭健 曹溪 吳昌宇

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

［摘 要］北京人山洞遺址是古人類學(xué)、舊石器時代考古學(xué)和第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)等眾多研究領(lǐng)域的發(fā)源地。在長期自然營力作用下，遺址區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)多處脫落點并存在潛在的危險巖土體。本文通過多款建模軟件采用逆向建模的方法，建立盡可能還原北京人山洞遺址原貌的大型復(fù)雜三維仿真數(shù)值模型，并運用FLAC3D軟件對北京人山洞遺址研究區(qū)的巖土體穩(wěn)定性進行研究分析。

［關(guān)鍵詞］周口店；強度折減法；三維仿真；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性

［中圖分類號］G26文獻標(biāo)志碼：A

本文通過應(yīng)力強度比和塑性區(qū)分布等計算結(jié)果得出周口店猿人洞遺址的整體穩(wěn)定性及潛在薄弱區(qū)域。并基于強度折減法確定潛在薄弱位置的安全系數(shù)。通過對關(guān)鍵剖面應(yīng)力強度比、塑性區(qū)分布的變化趨勢進行分析，得到周口店猿人洞遺址潛在破壞位置可能的破壞模式，指出周口店遺址重點監(jiān)測區(qū)域。結(jié)果表明：遺址區(qū)目前整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，灰?guī)r層及強膠結(jié)鈣質(zhì)角礫巖層基本未產(chǎn)生明顯變形，猿人洞西側(cè)壁及西側(cè)南壁為變形破壞關(guān)鍵部位，巖土體劣化、失穩(wěn)時，猿人洞西側(cè)南壁下方凹陷處首先發(fā)生壓剪變形和破壞，繼而在該層上緣發(fā)生拉剪變形和破壞，塑性區(qū)貫通后發(fā)生巖坡整體巖坡失穩(wěn)；如變形繼續(xù)，灰燼層開始發(fā)生塑性滑移。

1 研究背景

在我國，石質(zhì)文物分布非常廣泛，所處環(huán)境條件十分復(fù)雜^［1］。對石質(zhì)文物所賦存巖土體穩(wěn)定性的研究是使其能夠繼續(xù)長久存在的先決條件，為此，相關(guān)研究人員展開了大量的研究工作。孫進忠根據(jù)太原西山大佛工程地質(zhì)條件對可能影響其巖體穩(wěn)定性的因素進行了分析^［2］；孫博通過對云岡石窟中第19窟西側(cè)耳窟建立三維實體數(shù)值模型，采用有限差分軟件對其進行了地震動力穩(wěn)定性的計算及分析^［3］；吳冠仲基于可靠度理論對皎平渡山洞遺址二維剖面在降雨、地震等不同工況下的穩(wěn)定性進行了定量評價及穩(wěn)定性分級^［4］。

在三維仿真數(shù)值模型構(gòu)建方面，現(xiàn)主要集中于采礦及地質(zhì)工程等領(lǐng)域，受限于計算機的性能及計算效率，對于邊坡穩(wěn)定性的研究，大多以二維平面模型為主^［5］。但石質(zhì)古建筑及遺址一般建立在較為穩(wěn)定的地層當(dāng)中，由于長期自然營力的影響，發(fā)生破壞的主要部位在遺址表層，因此對其數(shù)值模型的構(gòu)建有著相較邊坡、隧道等工程更為特殊的要求。對于這類數(shù)值建模需要更為精細地表達遺址表層的形貌。

北京人山洞遺址作為世界上同一時期中資源最豐富、最齊全且最有價值的古人類遺址及古生物遺址群，因其自身的重要價值，在1987年被列入《世界遺產(chǎn)名錄》。經(jīng)歷了上萬年的歷史變遷，遺址本體出現(xiàn)掉塊、滑移、塌方等現(xiàn)象，對北京人山洞遺址的穩(wěn)定性及破壞模式進行分析研究，進而采取科學(xué)有效的監(jiān)測手段十分必要。因此，本文以北京人山洞遺址巖土體作為研究對象，結(jié)合現(xiàn)有研究區(qū)相關(guān)資料，通過三維仿真數(shù)值模擬的方法得出當(dāng)前遺址區(qū)整體穩(wěn)定性及變形破壞關(guān)鍵部位，并基于強度折減法確定潛在薄弱位置的穩(wěn)定情況，確定其安全系數(shù)及可能的破壞模式，優(yōu)化遺址區(qū)的監(jiān)測方案。

2 數(shù)值模型構(gòu)建

2.1 三維地質(zhì)模型構(gòu)建

北京人山洞遺址區(qū)穩(wěn)定性的研究分析不同于普通邊坡。由于遺址本體破壞部位主要在遺址表層，因此數(shù)值模型構(gòu)建的精細化程度顯得尤為重要。本文采用逆向建模法^［6］，建立盡可能還原北京人山洞遺址原貌的大型復(fù)雜三維仿真精細化數(shù)值模型。構(gòu)建的整體幾何模型如圖1所示。模型區(qū)域平面大小為160m×150m，底部標(biāo)高為0m，頂部135m左右。采用局部加密的四面體單元，模型共有單元939 154個，節(jié)點134 823個。

2.2 地層材料參數(shù)

根據(jù)《北京市周口店北京人遺址地質(zhì)病害治理物探勘察工作報告》以及現(xiàn)場觀測可知，研究區(qū)域包含四種巖石：猿人洞周邊灰?guī)r、猿人洞內(nèi)的強膠結(jié)角礫巖、猿人洞內(nèi)西側(cè)壁和西側(cè)南壁的弱膠結(jié)角礫巖以及山頂洞至猿人洞局部的灰燼層^［7］。由于鴿子堂前期已通過錨桿進行加固，因此鴿子堂頂部和南側(cè)巖層設(shè)為強膠結(jié)角礫巖^{［8，9］}。根據(jù)常見灰?guī)r和礫巖的情況，并結(jié)合《周口店遺址保護工程報告》^［10］，確定巖性參數(shù)（采用摩爾—庫倫模型）如表1所示。

2.3 分析內(nèi)容

數(shù)值模擬結(jié)果中不同指標(biāo)可表征模型所處狀態(tài)下的不同信息。位移和等效應(yīng)變可給出變形模式及關(guān)鍵部位，彈塑性狀態(tài)可以查看計算過程及達到平衡后巖土體是否達到塑性破壞以及破壞模式^［11］。應(yīng)力強度比指巖土體的強度與當(dāng)前應(yīng)力的比值，該值越小，則巖土體越趨于破壞：達到抗剪強度時，該值為1；達到抗拉強度時，該值為0^［12］。彈塑性狀態(tài)和應(yīng)力強度比可以給出巖土體當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)、潛在破壞位置及破壞模式。

2.4 監(jiān)測部位

首先通過模型整體的應(yīng)力強度比及塑性區(qū)分布得到模型整體穩(wěn)定性及變形破壞關(guān)鍵部位。為進一步明確變形破壞關(guān)鍵部位可能的破壞模式及破壞機理，對比分析關(guān)鍵部位三個剖面的位移、彈塑性狀態(tài)、應(yīng)力強度比等力學(xué)狀態(tài)。

3 結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)狀條件下整體穩(wěn)定性

圖2為現(xiàn)狀條件下數(shù)值模型總體應(yīng)力強度比云圖（計算發(fā)現(xiàn)猿人洞外圍基本處在穩(wěn)定狀態(tài)，此處不予展示）。

由圖2可知，遺址研究區(qū)應(yīng)力強度比均大于1，說明現(xiàn)狀條件下整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但猿人洞南壁至猿人洞西壁弱膠結(jié)鈣質(zhì)角礫巖層與強膠結(jié)鈣質(zhì)角礫巖交界上緣及該巖層溶洞高度以下位置應(yīng)力強度比接近1，說明此處易出現(xiàn)剪切變形發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象。所以該部位為猿人洞遺址區(qū)變形破壞的關(guān)鍵部位。

3.2 強度折減法確定局部穩(wěn)定性

上述分析可知，猿人洞周邊強膠結(jié)角礫巖和灰?guī)r保持穩(wěn)定，主要在弱膠結(jié)角礫巖和灰燼層會發(fā)生破壞。因此，逐步折減弱膠結(jié)礫巖和灰燼層的強度，并查看折減后的區(qū)域穩(wěn)定性，以此確定其安全系數(shù)。通過簡化試算可得模型的安全系數(shù)大致在1.55左右，因此選擇折減系數(shù)F的變化區(qū)間為1.2～2.15，變化間隔為0.05。

3.2.1 不同折減強度下猿人洞的位移

當(dāng)強度折減小于1.4時，猿人洞西側(cè)壁底部發(fā)生相對較大的順坡向位移，剖面上弱膠結(jié)角礫巖層主要在底部發(fā)生較大位移，但并未與上部一齊移動，即塑性區(qū)未貫通。當(dāng)強度折減大于1.6時，西側(cè)南壁發(fā)生相對較大的順坡向位移，剖面弱膠結(jié)角礫巖層的塑性區(qū)貫通，發(fā)生較大位移。由于西側(cè)南壁受到更弱的邊界約束，在弱膠結(jié)角礫巖層失穩(wěn)后發(fā)生了比西側(cè)壁更大的位移。

3.2.2 不同折減強度下猿人洞的塑性區(qū)分布

當(dāng)強度折減小于1.4時，西側(cè)壁部分范圍達到塑性剪切破壞，而西側(cè)南壁弱膠結(jié)角礫巖層的上緣局部達到塑性受拉破壞。當(dāng)強度折減大于1.6時，弱膠結(jié)角礫巖層大部分已出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，且在該層上緣出現(xiàn)明顯的受拉破壞區(qū)。弱膠結(jié)角礫巖層大部分發(fā)生剪切破壞，上緣發(fā)生受拉破壞?；覡a層也開始出現(xiàn)塑性破壞區(qū)。

3.2.3 不同折減強度下猿人洞的應(yīng)力強度比

當(dāng)強度折減小于1.4時，弱膠結(jié)角礫巖層下緣部分巖體趨于破壞強度，該層上緣局部趨近抗剪強度。當(dāng)強度折減大于1.6時，弱膠結(jié)角礫巖層大部分達到抗剪或抗拉強度，同時在上緣局部區(qū)域也達到了抗拉強度，且灰燼層底部的應(yīng)力強度比大部分趨近于1。

綜合上述計算結(jié)果可知，遺址區(qū)域的失穩(wěn)順序及變形破壞模式如圖3所示（序號代表破壞順序）。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)發(fā)生變形破壞的先后順序及破壞模式，總結(jié)不同區(qū)域的監(jiān)測方案如表2所示。

4 結(jié)語

通過三維仿真數(shù)值模擬的方法計算北京人山洞遺址區(qū)整體穩(wěn)定性現(xiàn)狀，并基于強度折減法確定潛在薄弱位置的穩(wěn)定情況，確定其安全系數(shù)。對比分析模型整體、塑性區(qū)分布和應(yīng)力強度比等模擬結(jié)果，得出如下主要結(jié)論：

一是猿人洞周邊石灰?guī)r和強膠結(jié)層比較穩(wěn)定，猿人洞西側(cè)壁和南側(cè)壁的弱膠結(jié)角礫巖層和灰燼層安全儲備較低，但目前也處于穩(wěn)定狀態(tài)（安全系數(shù)為1.6）。

二是在遺址本體變形發(fā)展過程中，猿人洞西側(cè)南壁弱膠結(jié)角礫巖下方凹陷高度處首先發(fā)生壓剪變形和破壞，繼而在該層上緣發(fā)生拉剪變形和破壞；塑性區(qū)貫通后，弱膠結(jié)角礫巖發(fā)生整體巖坡失穩(wěn)，滑裂面位于弱膠結(jié)礫巖與強膠結(jié)礫巖的交界面。

三是根據(jù)前述遺址本體穩(wěn)定性及變形破壞模式的分析可知，猿人洞變形的關(guān)鍵部位位于猿人洞內(nèi)西側(cè)壁和西側(cè)南壁的弱膠結(jié)角礫巖層及西側(cè)南壁的灰燼層中，因此后期應(yīng)將其作為重點監(jiān)測區(qū)域。

參考文獻

［1］黃克忠. 石質(zhì)文物保護若干問題的思考［J］. 中國文化遺產(chǎn)，2018（4）：4-12.

［2］孫進忠，田小甫，管旭東，等. 太原西山大佛松動巖體邊坡穩(wěn)定性分析［J］. 地學(xué)前緣，2008，15（4）：227-238.

［3］孫博，彭寧波，王逢睿. 云岡石窟第19窟西耳窟地震動力響應(yīng)［J］. 西南交通大學(xué)學(xué)報，2012，47（4）：573-579.

［4］吳冠仲，丁梓涵，趙敬善，等. 基于可靠度理論的皎平渡山洞遺址穩(wěn)定性定量評價［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（8）：3179-3186.

［5］劉琳. 復(fù)雜地質(zhì)體三維建模參數(shù)化的研究［D］. 武漢：中國地質(zhì)大學(xué)，2017.

［6］高相波，李麗慧，廖小輝，等. 基于逆向工程建模方法的危巖體穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報，2020，28（3）：557-564.

［7］遼寧有色勘察研究院. 北京市周口店北京人遺址地質(zhì)病害治理物探勘察工作報告，2012.

［8］劉佑榮，唐輝明. 巖體力學(xué)［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［9］蔡美峰. 巖石力學(xué)與工程［M］. 2版，北京：科學(xué)出版社，2013.

［10］周口店北京人遺址管理處. 周口店遺址保護工程報告［M］. 廣州：文物出版社，2013.

［11］王威龍，周家伍，王科. 基于FLAC～（3D）強度折減法的土溶洞穩(wěn)定性評價［J］. 建筑技術(shù)開發(fā)，2014，41（11）：67-70.

［12］周成豪，張耀平，柯圣安. 地震荷載影響下露天礦山高邊坡最終邊坡角優(yōu)化研究［J］. 化工礦物與加工，2020，49（11）：1-4.

［作者簡介］隗建華，女，北京人，北京周口店北京人遺址管理處，副主任，本科，研究方向：不可移動文物保護管理與可移動文物展示利用。

康凱，男，北京人，北京周口店北京人遺址管理處，副主任，本科，研究方向：遺址類文物管理與保護。

鄭健，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，北京原真在線監(jiān)測技術(shù)有限公司，一級建造師，大專，研究方向：土遺址、石窟寺、古建筑等不可移動文物保護與監(jiān)測。

曹溪，男，北京人，北京周口店北京人遺址管理處，技術(shù)員，本科，研究方向：遺址類文物管理與保護。

吳昌宇，男，安徽六安人，福州大學(xué)土木工程學(xué)院，技術(shù)員，碩士，研究方向：巖土工程。