广西花山岩画岩体开裂机理研究与热力耦合模拟分析

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:kar123
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花山岩画因其规模宏大,场面壮观,图像众多而闻名于世。花山地处广西省宁明县驮龙乡耀达村明江右岸,距宁明县城14.5km,水路25公里。临江峭壁上布满了赭红色的古代岩画,岩画区域宽约172m,最高处距江面约90m,最低处距江面约30m,面积约为8000多m2。整个画面中的各种图像组成了111组神秘的图画,是战国至东汉时期壮族先民驮越人巫术活动留下来的遗迹,具有重要的历史、文化、艺术和科学价值。1988年,花山岩画被国务院列为全国重点文物保护单位。2006年12月,花山岩画被国家文物局列入《中国世界文化遗产预备名单》重设目录。   几千年来,花山岩画在自然地质营力的作用下,产生了严重的环境地质病害。这些病害使岩画艺术品遭到了较严重的破坏,必须尽快采取紧急措施进行抢救性保护。   前期的环境地质调查表明,受强风化作用形成的岩画剥落病害是该区最为严重的病害。以石灰岩为主的地层岩性是岩画剥落的内因,风化作用导致岩画附着岩体的力学性质弱化,强度参数降低,尤其表现在变形模量和内聚力的变化上。由于岩体出现大量裂隙,各种风化营力更易侵入,造成岩体进一步松弛、变形,直至剥落。剥落病害造成大面积的岩画掉落缺失,从而使岩画失去了艺术价值。   本论文在对广西花山岩画岩体开裂专项调查的基础上,对开裂岩体几何尺寸与形态、充填物、主要控制性裂隙类型等进行统计,判定导致岩体开裂的主要诱发因素;通过岩石强度无损测试,评估研究区内岩体的力学性质现状;建立起岩石温度梯度及光照强度等影响因子的监测系统,以评价光照、温度、湿度对岩体开裂的影响,为热力耦合分析提供资料;控制岩体地质应力条件及温度应力条件,建立热力耦合的力学模型。运用有限元计算软件进行岩体开裂机理研究分析,评价温度对花山岩画岩体开裂的影响程度,为岩体开裂机理研究和寻求保护对策提供科学的依据。   通过本次研究,可得出以下结论:   1、从气候环境与地质条件看,花山岩画属于温暖亚热带季风型气候,高温多雨。岩画区主要地层为厚层状含生物碎屑微泥晶灰岩。   2、花山断层是开裂岩体的区域控制因素。沿花山断层的倾向形成了高陡平直反倾的崖壁,为岩画的创作和保存提供了良好的条件。花山断层的走向决定了崖壁的西晒。花山断层还决定了分支断裂和构造裂隙的分布和类型。而这些因素大多是花山岩画开裂岩体的主控因素。   3、裂隙发育是导致花山岩画岩体开裂、脱落的主要原因,并控制着岩画区的危岩体的发育和渗水病害。花山岩画区发育有2组近直立的构造裂隙和1组层面裂隙。构造裂隙与层面裂隙交错切割,形成渗水带和岩体开裂带。   4、根据导致岩体开裂的主要因素可以将开裂岩体分为两类:构造开裂和风化开裂。构造开裂岩体的厚度大于风化开裂岩体。据统计,构造开裂岩体的最大厚度大于3cm的占62.93%,风化开裂岩体的最大厚度小于4cm的占84.38%。不管是构造裂隙还是风化裂隙,张开度均以小于6mm为主。   5、根据现场开裂岩体波速测试结果得到,厚度一般限于20~30mm以内的开裂岩体主要受化学风化作用导致强度损失,厚度超过30mm的开裂岩体主要与构造裂隙的发育有关。   6、天气晴朗情况下,下午最大光照度可以达到9.73×104Lux,阴天最大光照度仅为1.09×104Lux,约为晴天的1/10。   7、崖壁温度的升高部分来自于大气与岩体之间的热传导,但导致岩体温度升高的主要因素是太阳光的热辐射。   8、岩体表面直接置于大气环境之中,温度波动幅度大,可以达到23℃以上;内部岩体(50cm处)的温度波动范围2~3℃,相对比较稳定。岩体内外温度变化的差异性形成高的温度梯度场,是导致花山岩体开裂的最主要的因素之一。   9、通过热力耦合模拟分析,在由崖壁朝山体的温度传导方向,岩体表面温度向内传导存在一定规律。在距崖壁50cm范围内,在崖壁表面附近,岩体温度下降较快,由外向内,温度变化梯度迅速减低,超过50cm范围,岩体温度趋于稳定。   10、热力耦合模拟分析结果表明,岩体受温度应力场作用,在崖壁附近靠近上、下边界处,尤其是在突出部位的末端,容易形成拉、压应力的集中。由此可知,温差变化形成的温度应力变化,是岩体表面开裂的主要影响因素。
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