金牛洞古采礦遺址水患病害及防治技術研究

2020-06-15 05:57:38李冬冬

工程與建設 2020年4期

余敏，趙建，李冬冬

(安徽省地質礦產勘查局321地質隊，安徽銅陵 244000)

0 引言

金牛洞古采礦遺址地處皖南山區與沿江平原過渡地帶，地貌上屬山間凹地，緊鄰遺址區西側發育有一條相思河，終年不涸。因位置特殊使得暴雨造成的季節性洪水和相思河水位變化對其造成了較大威脅。遺址自1987年因現代采礦而部分暴露后，存在內澇、滲透、坡面沖刷水患問題及因內澇、滲透而引發或加劇的其他地質病害。

本文以金牛洞古采礦遺址為研究對象，通過查明遺址區工程地質、水文地質條件，分析、研究產生問題的形成原因，并針對原因和條件提出綜合保護對策，為遺址的長期保護和展示營造良好的環境條件。

1 遺址價值與保存現狀

金牛洞古采礦遺址位于安徽省銅陵市南東約34 km處，地理坐標118°1′16″E，30°52′2.7″N。該遺址是春秋時期至西漢的銅礦遺址，是目前長江流域具有代表性且保持較好的。金牛洞及周邊遺址構成的大工山-鳳凰山遺址群是規模較大的古代綜合銅工業區，是古銅都——銅陵悠久的礦冶歷史的有力見證，它對研究中國礦冶史和青銅文化起源、發展有著十分重要的價值。1996年，由國務院公布為第四批全國重點文物保護單位，2018年定為“安徽省愛國主義教育基地”。

遺址地處鳳凰山盆地，四面低山環繞，盆地中間寬約5 m的相思河由南向北流經遺址西側，古采礦遺址分布在盆地南部的現代采礦坑坡壁上。遺址坑平面上呈橢圓形，南北長110 m，東西寬30～65 m，標高44～84.3 m，深約23 m，占地面積約5 500 m2(圖1)。

圖1 金牛洞現代采礦場古礦井分布圖

遺址自1987年發現以來，共發現5處古采礦口，分布于現代采坑西側邊坡巖壁上，一直未進行系統修繕和保護工作，加上受雨水沖刷、浸泡軟化、滲透、剝蝕等因素影響，現狀保存狀況差。

2 遺址區水文地質條件

2.1 地形地貌與區域地質

金牛洞遺址區位于鳳凰山新屋里小向斜盆地內，四面環山，整體地形南西高北東低，地形最高點海拔標高389.8 m，最低點海拔標高44 m，相對高差達345 m。遺址區及周邊發育地層以三疊系灰巖為主，受燕山晚期巖體侵入擠壓，使得地層扭曲變陡，產狀變化大，傾角在70°～80°。

2.2 氣象與水文

據有關水文資料表明，鳳凰山地區年平均降雨量為1 475 mm。相思河緊貼西側從南向北流經本區，為主要地表徑流通道。該河長4.5 km，匯水面積9.5 km2，河床寬3～5 m，終年不涸，最大流量514 639 m3/d，最小流量81 m3/d。相思河未改造前，歷史最高洪水位標高曾達到72 m(1937年7月)，經疏通改造后，豐水期河水位可達67 m左右。

相思河流域的洪水系降雨形成，4～8月份為汛期，其中6～7月份最集中，一般為全年的60%左右。由于遺址區地勢低，一旦山洪暴發，遺址區便成為首當其沖受災區，威脅其安全。

2.3 水文地質條件

根據鉆孔、壓(注)水試驗和實地調查資料，了解到場地內地層及其透水性如下：

第①層填土：成分以粉質黏土為主，結構松散，厚度1.50～2.70 m，東部山崗地帶缺失。該層滲透系數為6.3×10-3cm/s，透水性強。

第②層粉質黏土：可塑狀，局部含粉土、粉砂或少量碎石。一般厚度3～4 m，東部山崗地帶缺失。滲透系數為8.1×10～5 cm/s，滲透性差，為相對隔水層。

第③層碎石土：稍密，礫石含量40%～70%不等，粒徑一般為2～30 mm，最大60 mm，以內矽卡巖為主，次棱角-棱角狀，砂和粉質黏土充填。厚度1.10～2.20 m。該層滲透系數為7.8×10-4cm/s，透水性較強。

第④層花崗閃長巖：按風化程度，自上而下分為全風化、強風化、中風化。其中全風化層高嶺土化、綠泥石化蝕變強烈，巖芯呈砂土狀，滲透系數為1.02×10-5cm/s，透水性較差，巖芯遇水快速崩解。層厚為2.8～8.7 m，層底標高為49.7～75 m，西側鄰近沖溝風化厚度較大，東側山崗風化厚度較薄。

第⑤層輝綠巖：分布于遺址區西部，呈狹長脈狀穿插。灰綠色，塊狀構造，主要由基性斜長石、普通輝石及少量的黑云母、磁鐵礦組成，基性長石呈長柱狀。該層易風化，遇水易崩解，巖性較軟，屬軟巖。

第⑥層鐵帽：為遺址坑壁邊坡主要組成巖體，以石榴子石矽卡巖為主，褐鐵礦化、黃鐵礦化強烈。其中，與花崗閃長巖穿插或接觸帶附近鐵帽的矽化及黃鐵礦化強烈，地表黃鐵礦風化殆盡形成空洞，閃長巖中的鐵帽呈團塊狀。

另外，在閃長巖與輝綠巖脈接觸帶附近強透水，滲透系數>0.34 cm/s。

遺址區巖體體結構及水理性質如圖2所示。

圖2 工程地質剖面圖

3 水患病害及成因分析

3.1 水患病害類型

據實地調查、分析，遺址區水害主要表現為以下方面：

(1)地表雨水對遺址表面及其載體長期沖刷，水土流失嚴重，局部形成明顯凹陷或空洞。

(2)遺址位于采礦巖壁之上，地形低洼，排水設施不完善，降雨在采坑內集聚易形成內澇，淹沒遺址，如圖3所示。

圖3 采坑內澇淹沒遺址

(3)相思河水倒灌。遺址區西側地面標高64.8～66 m，從歷次水患情況看，每逢豐水期相思河水位上漲，最高水位可達67 m，河水會向遺址區倒灌，淹沒遺址,如圖4所示。

圖4 相思河水倒灌遺址區

(4)地下滲透。上部土層透水性強，遺址區與相思河有水力聯系，河水位上漲，相思河水經土體向遺址區滲流。

(5)水害不僅會對遺址本體造成直接破壞，同時也是誘發或加劇其他病害發生的重要因素之一。如相思河水位變化影響產生滲透而導致遺址邊坡崩塌、失穩等病害。

3.2 病害成因分析

通過對遺址區歷次水患情況、區域環境及水文地質條件分析可知，其水害水源來自大氣降水與地表水及地下水。

(1)大氣降水是遺址采坑充水重要原因之一，據地形量測，采坑接收大氣降水補給面積約7 500 m2，降雨后經地表徑流匯聚于采坑內，如不及時外排易形成內澇。

(2)遺址區周邊采用圍墻圍護，同時修建有截、排水溝，正常情況下，周邊地表雨水匯入采坑的水量較少。強降雨期間，因遺址區上游匯水面積大，降水經地表徑流匯于相思河內，造成河水位上漲，當上漲至65 m標高或以上時，現有截排水系統不但不能起到疏排水作用，反而易導致經排水溝或涵管倒灌遺址區，在發生山洪時更無能為力。

(3)地下水對遺址區補給有相思河水滲透、基巖裂隙水和降水垂向滲透。

相思河水滲透：上部土層滲透系數較強，尤其是填土層和碎石土層，當相思河水位上漲時，河水則通過土層向遺址區滲流補給。遺址與近距離水力聯系密切,如圖5所示。

圖5 相思河與遺址區位置關系

受周邊礦山抽排水影響，遺址區目前地下水位埋深21.7 m，與采坑底面基本持平。坑壁圍巖富水性差，滲透性弱，地下水主要存于接觸帶內。目前，二者水力聯系弱，當周邊礦山停止排水時，地下水位抬升可能存在反向補給。

降水垂向滲透：主要指降水下滲后經滲流在采坑內以泉的形式補給，現場調查發現，在采坑邊坡坡腳處可見多處出水點，出水量與降雨情況相關。

4 防治方案

4.1 防治原則

(1)不改變遺址區現狀，嚴格遵守“修舊如舊”文物保護原則，所采取的工程措施既要具備有效保護功能，又要最大限度地減少對文物遺址考古和歷史信息的干擾破壞，維護遺址現狀，對工程措施進行隱蔽或做舊處理。

(2)本著最小干預，盡量避免擾動本體和減少對載體損壞的原則。

(3)根據病害原因采取相應綜合治理措施，達到對癥下藥、治本除根。

4.2 防治方案

金牛洞古采礦遺址水害的關鍵問題是防滲防澇，針對其水文地質條件、充水來源及具體條件，在結合現有截排水措施基礎上，提出“阻”“導”“排”相結合的綜合防治對策。

防滲防澇對策：一是沿遺址四周建防洪墻，意在阻擋山洪和河水倒灌遺址區，頂標高68 m，超出歷年洪水位線1 m，布設于現狀圍墻部位，墻底需進入②層相對隔水層不小于0.5 m；二是沿相思河一側做地下防滲帷幕，重點是截斷河水經填土和碎石土層向遺址區強滲透，防滲帷幕采用鉆孔咬合樁，幕墻厚0.3 m；三是完善地表截、排水系統，最大限度減少地表徑流對遺址沖刷破壞；四是在地表建立人工抽水泵站，對遺址坑宕積水及時外排，確保遺址安全,如圖6所示。