本课题以云冈石窟为例，以云冈石窟岩体稳定问题为对象，开展石窟岩体结构稳定性评价系统研究。石窟岩体是指依托自然边坡岩体，人为开凿洞窟形成的岩体。其具有以下特点：1，具有自然边坡的特点，可以采取工程地质学的理论和方法进行评估分析；2，具有人为建设构筑物的特点，需要结构力学模型的分析评估；3，石窟所在岩体为浅层地层岩体，更容易受到温度场、水气运移、盐类结晶等环境因素的影响,，需要温度场、应力场、水气运移及盐类化学场的监测数据、指标，以及各种因素耦合的综合性评估、研究。
本课题的研究工作总体分为三个部分：第一：调查、勘察及监测工作；第二：云冈石窟岩石组分、结构、力学性能、水理性质、热力性质、环境影响性能等系统的试验研究工作；第三：在此基础上，研究石窟岩体存在的稳定性问题，从稳定性影响因素研究入手，初步提出了稳定性评价系统。
本课题的创新点，或课题成果新的理论观点主要表现在以下几个方面：
1、在石窟岩体工程地质条件研究中，针对石窟岩体的特点明确提出了“人工改造微观地形地貌”的概念---洞穴蜂窝穴状崖壁地貌、大型洞穴地貌、列柱边墙地貌，并与评价系统中的影响因素研究相关联。
2、通过云冈石窟岩体沉积相的研究，对云冈石窟岩体总体稳定状态给予了分析评估。
3、通过云冈石窟岩体水理性质试验、抗冻性试验、热学性质试验，以及热-力耦合试验、表层岩体温度场梯度监测试验，得出温度应力长时间循环导致的岩石疲劳损伤累计和冻融作用是云冈石窟表层岩体风化破坏的主要影响因素。
4、在石窟岩体稳定性问题研究中，明确提出了：
（1）“表层岩体稳定性问题”---崖壁外立面岩体稳定性问题和洞窟内壁面岩体稳定性问题，并分析研究了其不同的破坏形式及破坏机理；
（2）“人为活动影响的岩体稳定性问题”---石窟顶板岩体变形失稳破坏问题、洞窟壁面岩体变形失稳破坏问题、列柱岩体变形失稳破坏问题、窟群相互作用下洞窟岩体稳定性问题，并分析了破坏形式及破坏机理。
5、在石窟岩体稳定性问题影响因素研究中，针对表层岩体稳定性问题、自然边坡稳定性问题、人为活动影响的岩体稳定性问题的破坏机理和影响因素进行了研究，得出了不同主控影响因素的结论。
6、提出了石窟岩体结构稳定性评价系统初步框架。
具体研究工作及成果：
一、调查及勘察工作
科技支撑课题启动至2011年12月，课题组通过资料收集及现场踏勘，进行了石窟地质条件、岩体裂隙发育特征、危岩体发育特征等现场调查工作。
在工程地质调查基础上，对石窟区主要地层进行了详细研究及划分，并研究了地层的沉积规律及岩性特征。
在云冈石窟裂隙发育规律调查的基础上，绘制了云冈石窟外立壁面裂隙发育图，同时进行了裂隙统计分析，建立了云冈石窟三维裂隙发育模型。
在云冈石窟岩体稳定性调查基础上，对石窟岩体稳定性问题进行了分析总结，重点完成了3#洞窟四壁（云冈规模最大洞窟）、9#与10#洞窟、五华洞岩体稳定性问题的分类、分析、评估及安全分析。
完成了崖壁岩体结构水平钻孔的勘察工作，采用钻孔摄像仪进行岩体内部结构特征调查工作。
二、监测及试验研究工作
针对云冈石窟岩体稳定性评估要求，课题计划提出需要进行的监测工作有：表层岩体温度梯度监测、石窟岩体变形（包括应力、应变等监测）、危岩体变形监测、裂隙渗流监测等。
至2011年10月，已完成了岩体温梯度监测系统的布设，并采取半年的监测数据。
2011年4月30日完成水平钻孔的施工，完成石窟岩体的变形监测系统的安装和钻孔内多点位移计的安装，已采取监测数据。
现场采取了3吨岩石试验样品，进行了密度、孔隙率、渗透系数、单轴抗压、剪切试验、抗拉试验等常规物理力学性质测试外，还有针对性了做了岩石微观结构特征、岩石热容、岩石热传导系数、热膨胀系数、冻融试验、可溶盐对砂岩的破坏试验，至2011年10月以上岩石物理力学、热学性质等参数的测试已全部完成，获得了后期计算、模拟等评价所必须的参数。
同时采取了不同部位风化样品，对风化物的成分、结构进行了检测分析。
三、主要成果
至2011年12月，在野外调查、室内试验研究的基础上，整理、研究，编制完成了《石窟岩体结构稳定性评价系统研究》中期报告，以及阶段性或专项研究成果报告9本，包括：
（1）《云冈石窟岩石物理性质研究报告》；
（2）《云冈石窟温度场监测中期报告》；
（3）《云冈石窟岩体稳定性分析评价监测系统建立与研究》；
（4）《云冈石窟岩体结构钻探研究报告》；
（5）《五华洞及第三窟岩体稳定性专项研究》；
（6）《云冈石窟岩体结构面网络模拟研究》；
（7）《云冈石窟岩体工程地质条件及稳定性研究报告》；
（8）《云冈石窟9、10窟三维稳定性分析与地震动力响应模拟》；
（9）《云冈石窟岩体结构稳定性分析评价系统研究中期财务报告》。
四、石窟岩体结构稳定性评价系统框架
石窟岩体稳定性评价系统的研究是一个系统的问题，石窟是赋存于陡立崖壁边坡之中的洞室，加之开挖时代较为久远并具有特殊的科学艺术价值，所面临的岩体稳定性问题研究即不同于一般边坡岩体稳定性评价问题，也不同于现今开挖硐室所面临的问题。可以研究石窟岩体稳定性评价系统拟部分借鉴边坡岩体及地下洞室围岩稳定性分析的基本理论和方法，从石窟岩体变形失稳破坏类型研究、岩体变形失稳的影响因素的研究与评估、岩体稳定性问题的评估研究、岩体稳定性监测系统的研究四大方面整体建立一对石窟岩体结构稳定性的评价系统。
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图1 岩体稳定性病害分类系统
图2 表层岩体稳定性影响因素评估体系
图3 自然边坡岩体稳定性影响因素评估体系
图4 人类活动影响的石窟岩体稳定性影响因素评估体系
图5 岩体结构稳定性评价系统总体框架
至2011年12月，课题已完成研究工作量的80%。下一步将在采集监测数据，分析耦合试验研究成果基础上，完成研究报告的编写。
供稿人：王金华 |