敦煌莫高窟落石运动特征研究

作     者：王沛涛 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张虎元;唐述林

授予年度：2017年

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：莫高窟 落石 现场试验 数值模拟 

摘      要：莫高窟位于西北内陆腹地,自然条件恶劣,风化营力强烈。在各种自然因素和人为因素下,莫高窟崖体那些裸露的崖面和崖顶缓坡部位遭受了严重的风化侵蚀,出现了落石问题,这不仅影响了洞窟的稳定和洞窟内文物的安全,也对崖底游客的安全带来了隐患。国内外关于边坡落石方面的研究主要集中于铁路、公路等线路工程边坡落石问题,研究的重点都是由崩塌导致的大型崩塌型落石,针对大型遗址区的小型落石研究尚不深入,因此,有必要对大型遗址区内的落石问题进行专门研究。本文在前人的研究基础上,通过落石现场试验、恢复系数现场试验、落石运动轨迹模拟等手段,对莫高窟落石的成因、主要来源区、运动规律、风险监测等进行了一系列研究。得到以下主要结论:(1)莫高窟落石源区主要有两个:崖体上部斜坡和中部侵蚀台阶。崖体上部斜坡上主要发育转石型落石,现在是莫高窟景区落石灾害的主要来源;中部侵蚀台阶发育的剥离型落石主要是由于不同岩组之间、相同岩组内部互层间的差异性风化引起的,一旦发生,后果严重,但现在不是景区内落石的主要来源。(2)现场试验中将莫高窟缓坡上的落石按照形状划分为四类:近球体、扁平体、长柱体和长棱体。四种形状的落石在运动过程中具有共性,均以滚动和弹跳这两种形态为主。所有形状的落石大部分仍然停留在崖顶缓坡上,只有大约20%的落石会一次性运动到崖底的景区。落石受坡面微地貌影响,落石在下落过程中逐渐向坡面上的冲沟、凹槽内汇集。(3)不同质量的落石对地形的抗干扰能力不同。大质量落石在运动过程中受植被、坡面起伏阻尼的影响相对较小,表现出更大的“抗地形干扰能力,从而拥有较大的动能和运动距离。小质量落石受植被、坡面地貌起伏阻尼的影响更大,运动过程表现出更明显的随机性特点。近球体落石在运动过程中水平偏移的距离比扁平体落石的偏移比大;长棱体、长柱体落石的偏移比会随着其长细比的增加而增加。(4)通过比较最终停止运动点与水平距离的关系,RocFall的模拟结果与现场试验的结果比较吻合。模拟结果显示,落石20%一次性滚落崖底,变成了景区的落石灾害;80%的落石停留在了崖顶缓坡上,其中多半停留在了5m的范围之内。落石在莫高窟崖顶缓坡上运动时,落石的主要运动形态以滚动和滑动为主,间有少许的弹跳,落石的弹跳高度很小,在0.1-0.2m的范围之内。落石的总静能和平移速度亦没有很大的变化。在落石冲出崖眉并碰撞到挡土墙顶端的这段过程中,主要的运动形态是坠落,落石的总静能和速度均急剧增加。