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古代浙江采石材人的地质和岩石力学智慧与启示 精选

已有 8915 次阅读 2018-1-11 10:29 |系统分类:科普集锦

古代浙江采石材人的

地质和岩石力学智慧与启示

岳中琦

黄山市花山谜窟的考察

2017年的最后一天(即1231日)早上,合肥工大地基工程有限公司邵忠心总工程师,安排了我前往位于黄山市屯溪区中心东北部12公里的花山谜窟参观。到达现场后,看到它位于屯溪区东部浯村、新安江南岸的一片海拔高度不到200米的树木茂密低山丘陵中。我们参观了2号和35号石窟,并于邵总在35号石窟口合影留念(下图)。

花山谜窟共有36座古代人凿开石窟(大型硐室群)遗址。据导游介绍,人们还没有找到有关记载它们开凿时间和用途的文献史料,因此,人们称它们为谜窟

从硐室内保留的、大量规则整齐的凿劈长条痕迹,可以看出古代人是想获取35米长条型、30厘米长宽的矩形横截面的完整石柱或石梁。由于人工凿开劈裂既需要中等强度岩石、又需要相对脆性完整岩石,因此,古代人采用了利用硐室防御雨水方式,在山坡浅埋厚层泥质粉沙岩中顺层面凿开,先凿开顶部、再逐渐向底部开凿。雨水会使的泥质粉沙岩边柔软酥松,而降低刚度与脆性,从会失去大面积裂纹定向扩展和劈裂能力。

另外,为防止硐室跨度大时顶板地层垮塌,古代人留设了硐内石柱。这样,他们保护了山坡地表面和植被所受到的破坏极少。古代人在深部石墙上部凿留小孔洞,插放火把,用火把照明深部硐室。防雨的凿建硐室也可用作采石人员的住宿房屋,减少了建房屋住宿的费用。

古代浙江人的地质与岩石力学智慧和能力,也就在能够找到和选择使用浅埋厚层泥质粉沙岩,顺层凿劈成硐室防雨模式,来获取规整石材上体现出来了,再利用新安江、富春江和钱塘江将石材运出开采地到远方使用。

中国浙江省和安徽省丘陵山区有大量浅埋厚层泥质粉沙岩和火山凝灰岩。它们的力学性质恰好可以被人工凿开、劈裂,形成规整石条柱或石板。这次黄山市花山迷窟的考察让我又想起了浙江省龙游石窟和三门蛇盘岛硐室的考察与研究。它们地理位置如下图所示。龙游石窟位于花山石窟东南110公里处的浙江省龙游县衢江岸边的小山丘上。

龙游石窟的考察与研究

19926月,在距离花山凿建硐室群110公里的浙江省龙游县衢江岸边的小山丘上,当地农民将一个小水塘中的水抽干,发现了一个人工凿建的大型地下空间洞室。

这样,这里的古代人用手工凿建在厚层泥质粉砂岩中的地下大型地下空间洞室(龙游石窟)就出露水面了。它们也有很多谜,需要解破!

2002年以来,应中国科学院地质与地球研究所杨志法老师的邀请,我参加他的研究团队对龙游石窟进行了深入研究。在200313日,我前往龙游县考察了这些浙江古代人凿建的地下硐室。这些古代人凿建于一个平缓低矮山丘的白垩纪泥质粉砂岩中大型地下空间,每个地下空间的水平跨度在1036 m之间、高度在1020 m 之间。地下空间顶板、围岩和支柱完全由原状泥质粉砂岩组成,上覆围岩仅120 m厚并且地表泥质粉砂岩有风化,地下空间围岩和支柱在结构上稳定、完整、完全没有破坏。这些地下空间中找到的文物证明它们已历经了千年以上。

因此,我提出和研究了以下四个问题或谜:第一个问题,为什么这些浅埋大跨度岩石洞室能够千年来一直稳定和完整呢?第二个问题,难道古代人已有计划和方法来进行设计和施工这些地下空间,以至于它们能稳定和完整达千年以上?第三个问题,为什么洞室内部凿痕依然新鲜清楚、没有裂纹呢?第四个问题,这些现今依然完整的地下岩石空间能否在下一个千年再保持稳定完整呢?

它们的可能答案在附件1:相关专著和论文和附件2:相关学术报告中早已给出了。2010年1025日在龙游县召开的大型古地下工程科学问题及长期保护国际学术研讨会International Symposium on Scientific Problems and Long-term Preservation of Large-scale Ancient Underground Engineering)上,我也做了相关的报告http://www.igg.cas.cn/rssdy/201511/t20151102_4452136.html。部分相关内容可参见报道龙游石窟:为何居千年而不变https://zj.zjol.com.cn/news/194712.htmlhttp://www.zgjyfww.com/baike/show.php?itemid=7979

蛇盘岛硐室的考察与研究

201035日,在杨老师的邀请下,我又来到了浙江省三门县的蛇盘岛,参观和考察了这里的人工在小岛山体内凿建的千余处硐室遗迹。

这里凿建硐室主要是开采薄石板。薄石板厚度在610厘米,面积在150平方米以上,顶面与底面平整度在2厘米以内。如下图所示,这些薄石板可用于再雕刻形成有花纹图案的建造门窗。

当看到蛇盘岛上千余座古代人手工凿刻-劈裂、获取薄石板材遗留下的硐室和遗迹的时候,我被这些极其壮观、宏伟的古代浙江石材工业所震撼和感动,敬佩之心油然生起。

下图显示了保留至今的古代人凿劈石板的工艺。在人们手工凿刻下,这些火山凝灰岩被大面积定向劈裂开来,形成大面积薄板。这种岩石的劈裂可谓势如破竹,裂开极长。

这更加让我们联想起来,上千年来,三门乃至龙游和黄山,古代浙江人民为追求更美好生活,所付出的勤劳和苦功。它们也体现了古代浙江人的地质和岩石力学的智慧和聪慧的经济头脑。由于石材体积大且重,因此,古代浙江人总是在大河边、江边和海边来凿采石材,方便用船来将石材运到远方市场,换取更好经济利润。同时,用凿劈地下硐室的方式来保护山体植被,既减少开采废料又保护环境。

启示1:手工劈裂与地震断裂岩石的相似性

古代浙江人的手工凿开劈裂岩石实践让我认识到,在内部拉张力作用下,破开劈裂岩石所需要的动能是极其小的,且在极小铁锤点打击岩石可以极其容易造成裂纹大面积高速扩展,势如破竹。地震就是断裂起始于一小范围(点源),在岩石内部高速、大面积扩展破裂过程,也更是势如破竹。因此,地震破裂岩石与人工凿劈岩石有很大的相识性、可比性。

人工凿劈岩石是人手工加载一个小内力于表面岩石内部一点。那么,导致地震的加载与力源是什么呢?我想它应该是就是赋存于深部地壳断裂带内部的极其高压(甲烷)气体。常言到,坚硬堡垒最容易被内部动力攻毁破裂!

启示2:人造硐室的长期稳定和完整

人们早已知道,地下空间有极为重要的政治、军事、经济和社会价值和作用,人类社会对地下空间一直有迫切的和大量的需求。在经济合理地利用地下空间的同时,人类社会最关心的问题之一是,大型地下空间围岩的百年或千年以上长期稳定性和完整性的预测和保证。例如,核废料地下深处永久存储方案的长期安全问题已引起社会各界普遍关注和争论,地下水封油气库的设计与使用依然处于初始阶段。

然而,这一重要问题,在现代地下空间岩石力学工程实例和研究成果中,由于它们时间一般不超过百年,因此,还难以找到确切答案。这一重要问题,或许通过运用现代岩石力学理论和方法,来研究古代人修建的、长达千年的大型地下空间实例而得到解决。至少,开展这个方面的研究,对解决大型地下空间围岩百年或千年以上长期稳定和完整的预测和保证,会有所启迪和发现以致找到解决思路和方法。

感谢与感悟

因此,自2002年以来,我一直积极参加杨志法老师古地下岩石工程研究团队,研究相关岩石破裂和稳定问题。同时,也增加了认识、理解和体会古代浙江人在开采石材工业上所体现的勤劳、勇敢和智慧。在此,我再次感谢杨志法老师和团队成员们多年来对我的长期关心和精心指教,也再次感谢邵忠心总工程师的热情邀请和盛情接待。

20181111000写成于香港大学602楼办公室

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附件1:岳中琦相关专著和论文

1.1)杨志法,岳中琦,李丽慧,2010,《龙游石窟大型古地下工程洞室群科学技术研究》, 科学出版社,北京, p. 325;ISBN978-7-03-027137-2

1.2)李丽慧,杨志法,岳中琦,潘炜,牟会宠,2005,龙游大型古洞室群变形破坏方式及加固方法研究,《岩石力学与工程学报》2005年 第12期 :2018-2028

1.3)李丽慧,杨志法,岳中琦,2007,洞室结构对龙游大型古地下洞室群长期稳定性影响的研究,《工程地质学报》,增刊:45-53

1.4)Yue ZQ, Li LH, Yang ZF, Lu M, Xu JH, Zheng J, 2007. An investigation on long-term stability and integrity of surrounding rocks in Longyou caverns caved 2000 years ago, Proceedings of the 11thCongress of the international Society for Rock Mechanics (ISRM 2007),Lisbon, Portugal, July 9-13, 2007. Editors: L. Ribeiro e Sousa, C. Olalla, N.Grossmann, Taylor & Francis, vol. 1: 19-22.

1.5) Yue ZQ, Yang ZF, Zhang LQ, 2009, Self-healing of rock cracks for natural protection of Longyou caverns, in Geological Engineering Problems in Major Construction Projects: Proceedings of International Symposium and the 7th Asian Regional Conference of IAEG,editors : Runqiu Huang, Niek Rengers, Zeqin Li and Chuan Tang, Sept. 9-11,2009, Chengdu, China, pp. 835.

1.6) Li LH, Yang ZF, Yue ZQ, Zhang LQ, 2009, Engineering geological characteristics, failure modes and protective measures of Longyou rock caverns of 2000 years old, Tunnelling and Underground Space Technology, 24(2):190-207

1.7) Yue ZQ, Fan SP, Yang ZF, Li LH, Zhang LQ, Zhang ZJ, 2010, A hypothesis for crack free interior surfaces of Longyou caverns caved in argillaceous siltstone 2000 years ago, Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China, 4(2): 165-177.

1.8) Yang ZF, Yue ZQ, Li LH, 2011, Design, construction and mechanical behaviour of relics of complete large Longyou rock caverns carved in argillaceous siltstone ground, Journal of Rock Mechanics and GeotechnicalEngineering, 2011, 3 (2): 131–152

1.9) Yang ZF, Zhang LQ, Yue ZQ, Zhang ZJ, Yang TY, Lin XJ, Tao KJ and ZhuJW, 2012, Waterproof of rock joint with lead strip for splitting tuff sheet in ancient China quarrying caverns, Science China-Technological Sciences,55(4): 960-969

1.10) Yue ZQ, 2016, Long-term Performance of large Longyou caverns manually carved in argillaceous siltstone ground, Abstract in Proceedings of International Geotechnics Symposium cum International Meeting of CSRME 14th Biennial National Congress,Editors: Feng XT and Yue ZQ, 14-17 December 2016, Hong Kong, China, ISBN:978-988-99537-7-5; Published by Advanced Technology Limited. pp. 66.


附件2:岳中琦相关学术报告

2.1)岳中琦,充满水地下空间的围岩长期稳定完整理论,中国龙游二千年前古人凿大型近地面地下空间群岩石力学研究的科学发现,中国矿业大学力学和建筑工程学院,北京,  2007年7月23日.

2.2)岳中琦,二千年前人凿的龙游岩石洞室群的三个问题和答案,工程地质力学创新与发展 - 中国科学院工程地质与水资源室五十周年学术研讨会,北京,2008年1月16日. 特邀报告http://www.enggeo.org/fifty%20years/fifty%20years.htm.

2.3)岳中琦,二千年前人凿的龙游岩石洞室群的三个问题和答案,同济大学地下空间系, 上海, 2008年5月27日.

2.4)岳中琦,龙游大型古岩石地下洞室群千年完整的研究-极浅层粉砂岩洞室稳定完整的四个问题和解答,2010年城市地质环境与可持续发展论坛,上海,2010 年8 月24-25 日(分会报告).

2.5)岳中琦,龙游大型古岩石地下洞室群千年完整的研究-极浅层粉砂岩洞室稳定完整的四个问题和解答,《第三届全国水工岩石力学学术会议》,上海,2010年8 月28-29 日(大会报告).

2.6)Yue ZQ, An investigation on long-term stability and integrityof surrounding rocks in Longyou Caverns caved 2000 years ago, at Parallel session T1-1,Rock Engineering and Environmental Issueof the 11th Congress of the International Society for Rock Mechanics, July 9 – 13, 2007, Lisbon, Portugal.

2.7)Yue ZQ, An investigation on long-term stability and integrity of surrounding rocks in Longyou Caverns caved 2000 years ago, at Special session S06, Mine Closure of the 11th Congress of the International Society for Rock Mechanics, July 9 – 13, 2007, Lisbon, Portugal.

2.8)Yue ZQ, Self-healing of cracks in surrounding rocks of Longyou caverns caved 2000 years Ago, International Symposium: Geological Engineering Problems in Major Construction Projects and the 7th Asian Regional Conference of the International Association for Engineering Geology and the Environment (IAEG), Chengdu, China, September 9-11, 2009.

2.9) Yue ZQ,Design, construction and mechanical behavior of relics of complete large Longyou rock caverns carved in argillaceous siltstone ground, at the China Afternoon Session of 12thInternational Congress on Rock Mechanics, Beijing, China, October 18-21,2011.

2.10) Yue ZQ, Four questions and their answers on design and behavior of Longyourock caverns carved in argillaceous siltstone and at ground surface, International Symposium on Scientific Problems and Long-term Preservation of Large-scale Ancient Underground Engineering, Longyou, China, Oct. 25, 2015 (keynotes).

2.11) Yue ZQ,Long-term performance of large Longyou caverns manually carved in argillaceous siltstone ground, International Geotechnics Symposium cum International Meeting of CSRME 14th Biennial National Congress, PM, 15 December 2016, Hong Kong, China.



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