淺析天龍山石窟群核心區域地質特征

于 灝 謝 楓

1.太原市文物保護研究院（天龍山石窟博物館） 山西 太原 030000

2.太原市文物保護研究院（晉祠博物館） 山西 太原 030000

天龍山原名方山,東魏時大丞相高歡就在晉陽西的方山（今天龍山）興建了避暑離宮、開鑿了石窟,拉開了天龍山早期人文歷史的序幕。后世北齊、隋、唐、五代伴隨政權的更迭,駐守晉陽的王侯貴族在此基礎上依舊建新,形成了今天著名的天龍山石窟群。其核心區域現存石窟25座,大小石佛造像500余尊,浮雕壁畫等1144余幅,是全國重點文物保護單位。

一、天龍山地理環境及地質特征

按照我國巖體勘探的技術規范、標準、規程對天龍山石窟群核心區域內的地質特征勘察摸底,并做以下分析研究。

天龍山地處太原市西山36KM東南邊緣帶,屬呂梁山支脈。核心區域所處地貌類型比較簡單,按成因類型分為頂部剝蝕、侵蝕中山和柳子溝侵蝕堆積溝谷兩大地貌單元,大部分是基巖裸露的山區,海拔高度為800～1445 M,主要有石炭,二疊系砂巖、砂頁巖及風化物,同時還有零星的黃土及厚度不等的殘坡積物覆蓋層。在石窟區的東、西兩峰之間,是溝谷發育的柳子溝,斷面似“V”型,天龍山區域構造活動比較頻繁,巖體裂障比較發育,主要走向為北東向和北西向,傾向多為東南和東北,富含裂隙水。

二、巖土勘察

根據我國《巖土工程勘察規范》勘察工作按復雜地基、巖土工程勘察詳勘要求來布置工作量,勘探點沿構筑物角點布設,間距控制在30M以內,控制性勘探孔深度按構筑物基底壓力估算的壓縮層深度確定;一般性勘探孔孔深以控制主要受力層為原則。勘察采取太原市獨立坐標系,大沽高程系。

2.1 鉆孔,水池采用GJ-150型鉆機施工,水位以上采用干鉆鉆進,水位以下采取泥漿護壁或套管護壁,雙管單動鉆具,回轉鉆進并取土。

2.2 取樣:根據試驗的要求,采樣原狀土試樣質量等級為Ⅱ級或接近Ⅱ級,15 M以上每1.5 M取土樣一件,15 M以下每2.0M取土樣一件。

2.3 標準貫入試驗,在鉆孔內的預定深度進行,遇卵石改用重型動力觸探試驗,采用63.5KG錘,落距76CM,自由落錘,預擊15CM,記錄每10CM和累計30CM的錘擊數,并采集擾動樣。其余構筑物由于大型鉆機無法就位,使用背包型工程鉆機,回轉鉆進。如深部土層也軟弱,或上部荷載較大、沉降有嚴格要求的則采用深基礎。

2.4 掘探,針對坡頂殘積土層進行探槽描述記錄。

已完成勘察工作量匯總表

例:高歡暑宮,位居東西兩峰的交匯處,巖層傾向為北西向,傾角:10～15°,西側、南側臨空面風化嚴重,裂隙發育,許多裂隙內生長樹木根系,長期受風化、雨水侵蝕作用,南側陡坎表面80CM厚的風化巖已處于崩塌的邊沿,穩定性極差。

三、地層時代及類型分析

天龍山保護區內地層巖性出露石炭紀上統及二疊紀地層,石窟佛像開鑿于二疊紀地層的崖壁上,巖石是一套以陸源碎屑沉積為主的沉積巖。根據地基土構成及巖性特征,勘探原位測試及室內土工試驗資料綜合分析,在勘察深度范圍內,計劃建設場地地基土龍門游客中心,從上至下共分為3層,現依層序分述如下:

第1層 殘積土（Q2MI）,由碎石、風化基巖塊、水泥塊等組成。該層物質成份雜亂,結構松散,均勻性差,呈欠壓密狀態。

第2層碎石（Q2MI）,雜色,母巖成分以砂巖與灰巖為主出,磨圓度一般,稍濕、中密,顆粒級配不良、充填物為粗砂及粉土,混夾有少量漂石。

第3層 砂巖,褐黃色,強風化,較軟巖,砂質結構,塊狀構造,巖體較破碎,巖芯多星短柱狀,局部呈碎塊狀。巖體基本質量等級為Ⅲ級。

按照標準勘察深度范圍內,上部為殘積土、粉土、卵礫石層,下部石炭系砂巖、泥巖。膠結物以硅質最常見,膠結類型為孔隙式,屬堅硬巖石,但軟化系數較低,抗凍性差,抗風化能力中等。

四、地表水文特征

天龍山為暖溫帶大陸性季風氣候區,年平均氣溫9℃年平均降水量為511MM,降水量多集中在6.7.8月。柳子沙河屬黃河水系,是地下水逕流有排泄區發源于晉源區晉祠鎮牛家口柳子溝內,由西向東流入汾河,全長15KM,屬季節性河流;白龍洞泉,位于東、西峰交匯處,白龍洞內,在古代為禱雨之所,高度與石窟同水平;

天龍寺泉,位于天龍寺內。它們都是地下水排泄的主要途徑。成因類型為上升泉,層位在二疊紀上統,為弱堿性水,是天龍山石窟博物館的主要飲用水源。

天龍山地下水以裂隙水分布為主,同時分布有少量的孔隙水。天龍山裂隙水含水層為基巖風化殼和地層砂巖的成巖裂隙、構造裂隙和風化裂隙中,富水程度差異很大,地下水位深度隨地形而變化。化學類型多為:S0--CA、NA型水,礦化度低,PH值7.6,為堿性水。天龍山孔隙含水巖層為松散巖類,地下水賦存于巖石碎屑和松散沉積物孔隙中,各層含水層沒有統一的地下水位,富水性較好,水位很淺,礦化度0.5G/L左右,PH值7.1,為弱堿性水。

五、巖土抗震

根據《建筑抗震設計規范》,太原市抗震設防烈度為8度,設計基本地震加速度值為0.20G,設計地震分組為第二組。特征周期值為0.3S。擬建場地20.0M深度范圍內等效剪切波速值V估算值介于500-800M/S之間,結合區域地質資料,覆蓋層厚度0M之間,建筑場地類別為I類;地基土液化判別,建設場地20M范圍內不存在飽和粉土和砂土,可不考慮地基土的液化影響。根據擬建場地地形、地貌及地基土特征,按《建筑抗震設計規范》劃分,擬建構筑物游客服務中心西南側、高歡暑宮南側、觀松閣廊亭南側陡坎均位于山體邊緣,破碎嚴重,易崩塌、滑坡等,屬對構筑抗震不利地段,其余構筑物均屬對構筑抗震一般地段。場地各土層波速值大于140M/S,因此場地各土層可不考慮軟土的震陷問題。核心場地僅觀松閣廊亭位置上部出露濕陷性粉土,其余位置以砂巖為主,不考慮地基土的濕陷性。

觀松閣廊亭根據探井土樣濕陷性試驗結果,依據《濕陷性黃土場地勘察及地基處理技術規范》（DBJ04/T312-2015）第4.4.4～5條進行自重濕陷量與總濕陷量計算。根據T1～T2探井自重濕陷量從整平標高算起,經計算,知擬建場地屬非自重濕陷性黃土場地,濕陷等級為I級。根據室內土工試驗、標貫試驗測試結果,并結合地區建筑經驗綜合考慮,確定各層地基土的承載力特征值,建議結果見表:

觀松閣、廊、亭地基土承載力特征值一覽表

備注:自重溫陷量自整平標高算起,溫陷量自基底算起。

六、結束語

經上分析探討,計劃建設觀松閣廊亭、高歡暑宮等部分建設場地經風化、雨水侵蝕及植物根系生長,已嚴重影響邊坡的穩定性,垂直裂隙極其發育,隨著時間的推移或外力的影響,會出現邊部巖體剝離崩塌現象,不利于上部擋墻的穩定,需對邊坡進行加固處理。即采用釘錨桿對表層剝離巖體進行加固處理。從上到下布置三層錨桿,水平間距1.5M,垂直間距1.2M,梅花型布置,錨桿長度上部兩層9.0M,下部6.0M,鋼筋直徑25MM,成孔直徑120MM,注漿材料采用P.042.5普通硅酸鹽水泥,水灰比0.45～0.50,錨固體28天強度20MPA。巖土鉆進過程中應注意成孔宜采用回轉鉆進工藝,避免采用沖擊成孔工藝,防止振動影響加劇巖體的分離崩塌;采取措施保證錨桿前端1.5M不充滿漿液,同時避免漿液漫流擠壓外部巖體;錨桿應有不小于50KN的預加力,錨頭墊板尺寸為200X200MM;時隔孔施工,隨成孔隨注漿,不允許成許多孔后一次注漿;當發生跑漿時,應間隔注漿;另需將深入巖縫中的樹木根系清除,避免繼續生長擠壓巖體,發生崩塌現象。

本次勘察深度范圍內,場地地基土自上而下為:第四系全新統人工填土（Q4ML）、第四系上更新統沖洪積成因的粉土、卵礫石、碎石（Q2）,石炭系（C）砂巖、泥巖;勘察深度范圍內,未揭露地下水。設計地震分組為第二組,特征周期值為0.3S;擬建場地為非液化場地,類別為I類;游客服務中心西南側、高歡暑宮南側、觀松閣廊亭南側、木牌樓南側、春秋樓北側屬對建筑抗震不利地段;構筑物可不考慮濕陷性;根據《建筑地基基礎勘察設計規范》（DBJ04/T258-2016）,太原市標準凍深為0.74M。因此綜合建議石窟群核心區域各土層承載力特征值FAK可按中拉力建議值采用。

本次勘察研究摸清了天龍山石窟群核心區域內巖土層存在的主要風險情況。便于及時規劃保護范圍和建設控制地帶的管控實施,有利于實現天龍山石窟群巖體結構科學防護設施建設。