考慮降雨入滲的良渚古城老虎嶺遺址邊坡穩(wěn)定性分析

董 梅，郭青嶺，孔夢悅，楊 鑫，呂亞歌

（1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；2.杭州良渚古城遺址世界遺產(chǎn)監(jiān)測管理中心，浙江 杭州 311113）

0 引 言

在我國漫長的歷史演變過程中，祖先給我們留下了大量的文化遺產(chǎn)，土遺址是其中重要的一部分[1]。與石質(zhì)建筑和木結(jié)構(gòu)建筑相比，土遺址在質(zhì)地上有著致命的弱點(diǎn)，因?yàn)橥吝z址的建造材料是生土、夯土、土坯、剁泥等，已發(fā)掘的土遺址長期暴露在自然環(huán)境中極易遭受風(fēng)、雨、溫度變化、地下水、圍巖、可溶鹽等的侵蝕破壞[2,3]，出現(xiàn)如收縮開裂、膨脹崩解、裂隙、粉化、泛堿、霉變、雨蝕等[4-7]各種損害。良渚古城遺址（位于浙江省杭州市余杭區(qū)，距今5 300—4 300年）處于南方潮濕地區(qū)，遺址長期處于高含水和干濕交替狀態(tài)，賦存環(huán)境非常惡劣，遭受多種環(huán)境地質(zhì)病害，病害發(fā)生的過程和影響因素極為復(fù)雜。其中，老虎嶺遺址是良渚古城遺址外圍水利系統(tǒng)的重要組成部分，自發(fā)掘以來，遺址土質(zhì)剖面直接暴露在空氣中，受環(huán)境影響較大，出現(xiàn)較多的宏微觀變形現(xiàn)象。

目前，有關(guān)潮濕環(huán)境土遺址的保護(hù)研究主要集中在防水加固材料[8,9]中，其他的研究方向包括病害成因探索[10,11]、潮濕環(huán)境概念探索[12]、考古探方保護(hù)[13]、土遺址監(jiān)測技術(shù)和數(shù)據(jù)分析[14,15]等方面，針對土遺址邊坡穩(wěn)定性的研究較少。非飽和狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)的土質(zhì)邊坡遇到降雨時(shí)由于基質(zhì)吸力的降低或消失可能導(dǎo)致邊坡的失穩(wěn)，而潮濕環(huán)境土遺址的保護(hù)也主要是水的問題[3]。在對老虎嶺遺址的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以及多次現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)遺址本體穩(wěn)定性受地表水徑流和地下水滲流影響較大。因此，本文將考慮老虎嶺遺址的實(shí)際降雨數(shù)據(jù)，開展不同降雨入滲條件下遺址剖面的穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析，為土遺址的科學(xué)保護(hù)提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 研究場地介紹

1.1 遺址概況

良渚古城遺址位于浙江省杭州市余杭區(qū)瓶窯鎮(zhèn)，包含了良渚先民建造的城址、外圍水利系統(tǒng)、分等級墓地以及以玉器為代表的出土器物等四類承載了“良渚古城遺址”突出普遍價(jià)值的人工遺存要素及其周邊環(huán)境，2019年被列入世界文化遺產(chǎn)名錄。

老虎嶺遺址隸屬于良渚遺址中的谷口高壩區(qū)，為良渚古城外圍的水利系統(tǒng)的重要構(gòu)成，位于城址區(qū)西北約11 km處，沿東西向分布于山體間的兩座谷口中。2015年，浙江省文物考古研究所對老虎嶺遺址壩體北側(cè)早年取土破壞形成的斷面進(jìn)行了整體刮面，發(fā)現(xiàn)在壩體的關(guān)鍵位置采用草裹泥堆筑的方式，剖面可見明顯的塊壟狀，清晰地顯示出壩體堆筑的結(jié)構(gòu)和層次；并對其進(jìn)行了C14年代測定，證實(shí)了其修建于 3 100—3 000 BC，連續(xù)使用至2 600 BC，屬于良渚文化中期至晚期早段遺存。

老虎嶺遺址剖面整體呈現(xiàn)倒“U”形。根據(jù)剖面所處的方位，可以分為3段：東剖面、南剖面、西剖面（圖 1）。東剖面為西南至東北走向，面向西北方位，長約14 m，相對高度2.1～4.1 m；南剖面為東南至西北走向，面向東北方位，長約33 m，相對高度3.2～5.9 m，為主要挖掘剖面；西剖面為南至北走向，面向東方位，長約18.7 m，相對高度2.9～4.1 m。遺址壁面整體較為陡直，壁面傾角55°～70°，土體承受的下滑力較大。尤其是剖面中部偏東區(qū)域下部土體流失，造成斜坡下部內(nèi)凹變形，中部外凸。失穩(wěn)區(qū)域最長15 m、最寬2.6 m，面積約29.8 m2，土體外凸約40 cm。對這一區(qū)域開展的邊坡穩(wěn)定性分析的結(jié)果表明，從整體上看，邊坡尚能維持穩(wěn)定，但由于邊坡下部的變形破壞和邊坡上部的植被根系、滲水破壞等的影響，邊坡表面的抗剪能力已被大幅削弱，坡口土體在強(qiáng)降雨條件下或長時(shí)間降雨條件下可能出現(xiàn)淺層滑坡。

圖1 老虎嶺遺址剖面示意圖Fig.1 Overview of the section of Laohuling site

1.2 水文及地質(zhì)條件

良渚古城遺址位于長江下游的環(huán)太湖地區(qū)南部，地處浙西丘陵山地（天目山余脈）與杭嘉湖平原的過渡地帶，平原地區(qū)海拔一般為3～5 m，低山丘陵崗地海拔多為 20～50 m，地勢總體呈現(xiàn)西北高，東南低的趨勢。2020年7月對老虎嶺遺址鉆探取樣發(fā)現(xiàn)，遺址本體主要由粉質(zhì)黏土組成，鉆探至15.2 m發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)化砂巖（見表1）。

表1 鉆孔巖性記錄表Table 1 Lithological description of borehole

區(qū)域地表徑流的補(bǔ)給源主要是降水，故年徑流量的區(qū)域分布、年際總量變化、年內(nèi)分配比例與降雨量情況相似。春秋兩季降雨量大，地表徑流流量較大，水位升高；夏冬兩季降雨量少，地表徑流流量減少，水位降低。降雨量與地表徑流流量隨季節(jié)變化較大。遺址所處天目山系是浙江省最大的暴雨中心，余杭區(qū)年平均雨量1 150～1 550 mm，年平均水面蒸發(fā)量681.5 mm，降水主要集中在5—9月，占年降水量的60%以上。

2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

2.1 計(jì)算原理與方法

非飽和狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)的土質(zhì)邊坡遇到降雨時(shí)由于基質(zhì)吸力的降低、滲流力的增大導(dǎo)致安全系數(shù)逐漸降低，可能導(dǎo)致邊坡的失穩(wěn)。研究表明應(yīng)用非飽和土有效應(yīng)力原理，合理選取參數(shù)，同時(shí)考慮水的滲流與邊坡內(nèi)力進(jìn)行耦合計(jì)算，可準(zhǔn)確反映降雨過程中邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律[16-17]，在邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬軟件中，PLAXIS和 Geo-Studio中都可以實(shí)現(xiàn)非飽和土的計(jì)算。本文的數(shù)值計(jì)算在PLAXIS 3D軟件中進(jìn)行，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算耦合了非飽和土滲流計(jì)算和安全系數(shù)的強(qiáng)度折減有限元計(jì)算，采用破裂面貫通作為失穩(wěn)判據(jù)。

在非飽和土滲流計(jì)算中，基質(zhì)吸力是重要影響因素[18]，但基質(zhì)吸力的測量比較困難，且難以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，非飽和土的體積含水率、滲透系數(shù)和基質(zhì)吸力都會(huì)隨著飽和度而變化，它們之間的關(guān)系可用土-水特征曲線和滲透性函數(shù)來表達(dá)，更有利于在實(shí)際工程中的應(yīng)用[19]。在PLAXIS軟件中內(nèi)置了Van Genuchten材料模型，可通過輸入室內(nèi)試驗(yàn)獲得的土層顆粒級配，得到對應(yīng)的水-土特征曲線和滲透性函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 計(jì)算模型

在PLAXIS 3D中建立如圖2所示的計(jì)算模型，分析模型范圍取75 m×30 m×12.5 m（長×寬×高），單元數(shù)3 481個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)5 924。在模型的底面處施加固定約束，在模型的側(cè)面處施加水平約束。數(shù)值模型的尺寸參數(shù)選取的是圖 1中南剖面的真實(shí)尺寸，從現(xiàn)場的三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)中獲取。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical simulation model

2.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場勘察，將工程場地內(nèi)地層進(jìn)行概化劃分為三層。邊坡風(fēng)化基巖上的一層含礫粉黏厚度很小，在數(shù)值模型中進(jìn)行了簡化。計(jì)算中的材料模型選用莫爾-庫倫（M-C）強(qiáng)度準(zhǔn)則，各層土體參數(shù)取值由室內(nèi)土工試驗(yàn)確定，詳見表 2。由于風(fēng)化基巖上土層均為粉質(zhì)黏土，因此采用同一種顆粒級配曲線進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，由室內(nèi)試驗(yàn)確定，詳見圖 3，其中縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的土的質(zhì)量百分比，橫坐標(biāo)表示土的粒徑的對數(shù)值。PLAXIS軟件中內(nèi)置了基于Van Genuchten材料模型，可以輸入土層顆粒級配，得到對應(yīng)的滲透性函數(shù)（圖 4a）和土-水特征曲線（圖4b）。圖4中Kr表示相對滲透系數(shù)，Sr表示飽和度，Ψ表示基質(zhì)吸力水頭。

表2 計(jì)算參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of soil

圖3 老虎嶺遺址粉質(zhì)黏土顆粒級配曲線Fig.3 Grading curve of the silty clay in Laohuling site

圖4 老虎嶺遺址粉質(zhì)黏土滲透性函數(shù)和土-水特征曲線Fig.4 Permeability function and soil-water characteristic curve of the silty clay in Laohuling site

2.4 分析工況

本文搜集了良渚古城遺址區(qū)的降雨歷史數(shù)據(jù)、2019年全年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，制定了8種不同工況開展數(shù)值模擬分析，見表3。其中天然狀態(tài)為降雨入滲前，干燥工況即假定土體無基質(zhì)吸力，小雨、中雨、大雨、暴雨、“利奇馬”臺風(fēng)工況均使用了2019年場地的實(shí)際降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表3 分析工況表Table 3 Condition of calculation

2.5 計(jì)算結(jié)果

在 PLAXIS 3D軟件中開展了降雨入滲前、干燥狀態(tài)和降雨入滲后的不同工況條件下邊坡的穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析，圖5、6、7分別顯示了不同工況下邊坡基質(zhì)吸力及邊坡穩(wěn)定性變化情況。

圖5 不同工況下基質(zhì)吸力分布Fig.5 Distribution of matric suction of different rainfall conditions

圖6 不同工況下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Numerical simulation results of slope stability of different conditions

圖7 不同工況下邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fig.7 Safety factor of slope stability of different conditions

2.6 計(jì)算結(jié)果分析

（1）當(dāng)邊坡處于天然非飽和狀態(tài)（工況1）時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較高，邊坡穩(wěn)定。

（2）當(dāng)邊坡處于干燥狀態(tài)（工況8）時(shí)，安全系數(shù)最低。這是由于計(jì)算中的干燥工況假定土體無基質(zhì)吸力，因此邊坡的安全系數(shù)會(huì)大幅降低，證明基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性影響較大。

（3）降雨入滲會(huì)導(dǎo)致該邊坡安全系數(shù)減小，降低值處于1.0%～4.7%之間（該變化幅度值基本上處于壩坡抗滑安全系數(shù)工程等級降低一個(gè)工程等級范圍）。隨著雨水入滲，坡體中土的含水量會(huì)自上而下逐漸增加，隨著飽和度的提高，土的基質(zhì)吸力下降、有效應(yīng)力減小，強(qiáng)度降低，因此邊坡的安全系數(shù)會(huì)降低。

（4）各種降雨工況中小雨工況（工況2）下邊坡安全系數(shù)降幅最大，為8.7%。這是由于降雨速率和降雨持續(xù)時(shí)間影響邊坡安全系數(shù)降低速率。在小雨工況下，降雨速率慢、時(shí)間長，雨水有充足的時(shí)間下滲至更深處，淺層滑移面經(jīng)過處土的強(qiáng)度降幅小。除小雨工況之外的中雨至暴雨、日最大降雨、利奇馬臺風(fēng)工況下，雨水大部分通過地表徑流流失，少部分雨水入滲，且主要集中在土坡上部，淺層滑移面經(jīng)過處土的強(qiáng)度降幅大，更容易發(fā)生淺層滑坡及雨水接觸沖刷導(dǎo)致土層中顆粒流失。

（5）我國長江中下游地區(qū)每年6—7月會(huì)有梅雨季節(jié)，杭州也不例外，在梅雨季，土遺址會(huì)遭遇間隙性中-大-強(qiáng)降雨，是遺址巡查和保護(hù)的重點(diǎn)時(shí)間段。本文的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬依據(jù)的是2019年統(tǒng)計(jì)的實(shí)際雨量數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果顯示在梅雨季土遺址能夠保持整體穩(wěn)定性。但對坡腳浸潤面積的觀察顯示，6—9月浸潤面積長期處于高值，長此以往，坡腳土體的力學(xué)性質(zhì)將降低，邊坡整體穩(wěn)定性也將隨之降低。

3 結(jié) 論

（1）非飽和狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)的土質(zhì)邊坡遇到降雨時(shí)由于基質(zhì)吸力的降低、滲流力的增大導(dǎo)致安全系數(shù)逐漸降低，可能導(dǎo)致邊坡的失穩(wěn)。本文采用了考慮基質(zhì)吸力影響的邊坡安全系數(shù)計(jì)算方法對良渚古城老虎嶺遺址發(fā)掘剖面開展了邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析。為了使計(jì)算結(jié)果更能應(yīng)用于實(shí)踐，對研究場地的歷史降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行了搜集統(tǒng)計(jì)，分別設(shè)計(jì)了8種不同工況進(jìn)行了計(jì)算分析，其中小雨、中雨、大雨、暴雨、“利奇馬”臺風(fēng)工況均使用了2019年場地的實(shí)際降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，天然狀態(tài)下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)較高；小雨工況（3.26 mm/d，持續(xù)28 d）下伴隨降雨過程邊坡逐漸飽水，安全系數(shù)降低幅度較大；干燥狀態(tài)下邊坡無基質(zhì)吸力，安全系數(shù)最低。

（2）數(shù)值模擬分析結(jié)果顯示了邊坡危險(xiǎn)滑裂面的具體位置，可作為遺址日常監(jiān)測管理的重點(diǎn)巡查點(diǎn)位，或者在危險(xiǎn)滑裂面處安裝裂縫計(jì)等自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備，掌握裂縫進(jìn)展情況，及時(shí)采取處置措施。尤其是在梅雨季和夏季暴雨頻發(fā)期，應(yīng)加強(qiáng)動(dòng)態(tài)管理，關(guān)注新增裂縫以及已有裂縫的發(fā)展情況。

（3）根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果對遺址邊坡的保護(hù)工程提出如下建議：保護(hù)工程應(yīng)做好邊坡的排水設(shè)施，滿足坡面水尤其是降雨和地下水等的排放要求，形成良好的雨水、用水導(dǎo)引排出措施，避免雨水、地下水沖刷造成滑塌、淤積等不良后果。特別應(yīng)加強(qiáng)對坡腳的保護(hù)，避免雨水、地下水浸泡坡腳，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，而引起邊坡失穩(wěn)。場地有條件時(shí)應(yīng)對整個(gè)場地設(shè)置永久性排水措施。

致謝：

本文受浙江省文物保護(hù)科技項(xiàng)目（2021021）及杭州良渚古城遺址世界遺產(chǎn)監(jiān)測管理中心資助完成。