麦积山石窟
麦积山石窟防震减灾研究专题|裴强强 等:石窟寺复杂承灾体地震风险评价方法与防控对策研究——以麦积山石窟为例
石窟寺复杂承灾体地震风险评价方法与防控对策研究
———以麦积山石窟为例
裴强强1,2,3,4,刘鸿1,2,3*,郭青林1,2,3,4,
赵建忠1,2,3,李文俊1,2,3,王彦武1,2,3
1. 敦煌研究院,甘肃 敦煌 736200;
2. 甘肃省敦煌文物保护研究中心,甘肃 敦煌 736200;
3. 国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心,甘肃 敦煌 736200;
4. 兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730050
摘要:地震是造成我国石窟寺珍贵文物及载体损伤、开裂和坍塌的主要因素之一。本文梳理了已有地震预测、灾害防控、灾后重建、监测预警及石窟寺保护加固等研究现状,针对石窟寺构造背景及结构复杂、地震对石窟寺文物及游客威胁程度大、地震频率高、预测难、最小干预原则加大结构改良难度等问题,以地处高烈度区、山体独立放大效应高、石窟参观游览人流密集、避险场地局限、文物脆弱易损等地震威胁突出的麦积山石窟为例,阐述了涵盖震源—传播介质—场地—石窟文物—致灾全过程的石窟寺复杂承灾体地震风险评价方法,形成了考虑震害效应和涵盖人员、文物安全、经济合理的地震风险等级划分方法和指标体系,提出了石窟寺地震灾害风险防控与应急管理对策,对我国石窟寺地震灾害风险评价与防控管理研究具有示范意义,也可为丝绸之路沿线国家石窟寺抗震防灾提供研究方法和理论支撑。
关键词:石窟寺;地震灾害;响应机理;风险防治;应急管理
引言
石窟寺集中展现了古代建筑、塑像和壁画艺术的辉煌成就,是我国最优秀的文化遗产类型之一,见证了中外文化在交融中不断创新、繁荣和发展的过程,是研究古代各民族政治、经济、军事、社会、文化和艺术的实物例证和珍贵史料,蕴涵着极高的历史、艺术、科学、社会和文化价值。
在长期自然和人为因素的影响下,石窟寺产生了诸如边坡失稳、岩体崩塌、贯通裂隙发育、洞窟剥离坍塌、壁画及塑像开裂、酥碱、表面严重风化等系列病害,主要表现为结构失稳瞬时破坏和表层风化渐进式破坏两种主要方式。其中地震是造成石窟寺珍贵文物及载体损伤、开裂和坍塌的主要作用力,历史上频发的地震造成文化遗产破坏时有发生,甚至部分文化遗产因强烈地震作用毁灭消失。丝绸之路沿线分布着大量的石窟寺,受活动构造带的影响,地震活动剧烈且频繁,有记录以来丝绸之路 5 级以上地震多达 220 次,6级以上地震多达 53 次,严重影响了我国重要石窟寺的保存。公元 734 年秦州大地震、1976 年昌马地震、2008 年汶川地震等造成麦积山石窟、莫高窟、天梯山石窟塑像不同程度的破坏(图 1)。近年来地震频发且对石窟寺危害严重,据统计,我国2020 至 2023 年发生 5 级以上地震分别为 20 次、37 次、27 次和 18 次。积石山 6.2 级地震距离全国重点文物保护单位炳灵寺石窟不足 50 km;新疆地区是我国石窟寺起源地,2023 年 1 月 30 日沙雅县发生 6.2 级地震,2024 年 1 月 23 日乌什县发生 7.1 级地震,且 3 级以上地震频发,不同程度影响着石窟寺壁画、彩塑等文物的安全保存。同时,随着抢救性保护向预防性保护的转变,石窟寺监测预防能力的不断提升,由关注洞窟环境、文物本体病害发育和结构失稳等威胁,逐渐延伸至极端变化、洪水、沙尘暴和地震灾害的监测评估与防治。尤其是地震作为石窟寺安全影响范围最广泛、破坏最剧烈的因素,严重威胁着石窟寺珍贵文物和参观游览密集人群的安全,已逐步成为学界关注的重要焦点。
时至今日,地震预测仍是世界性科学难题,面对较难预测的地震,地震工程学研究致力于最大程度降低工程结构地震灾害,服务于工程抗震设计和抗震设防。国际上部分学者也关注地震预报、灾害防控、灾后重建和监测预警等领域,就复杂环境下文化遗产保护的地震灾害研究而言,受限于文物本体不可再生性和结构特征的不确定性,多借用非文物可再生资源的地震灾害防控技术,这也导致岩土文物地震防治研究相对滞后。以日本、意大利、中国、希腊、土耳其、印度等地震活动频繁的文化遗产大国为代表,对岩土文物地震保护研究较为重视,但由于地震不确定性和文物保护特殊性,地震作用下石窟寺破坏基础理论和防治对策研究几乎是空白。佛教从印度经中亚进入我国新疆并传播中原,在中亚、新疆、河西走廊和中原地带衍生分布诸多重要石窟寺,受天山地震带、河西走廊地震带、南北地震带和西秦岭北缘地震带影响,区域内石窟寺遭受不同时期和强度的地震破坏。我国针对石窟寺地震灾害影响研究相对较少,更多聚焦于灾后保护修复技术研究,中亚、西亚等区域的丝绸之路沿线国家地震灾害防控研究更为滞后,该区域的研究多以欧美、日韩为主,但整体成果极为局限。
我国石窟寺保护工作以抢救性保护工程为主,其中部分工程考虑了石窟栈道、崖体、文物本体加固的安全性评价验算。上世纪 90 年代,以莫高窟为研究对象,敦煌研究院和日本大阪大学、中国地震局兰州地震研究所共同合作开启了石窟寺地震监测与保护研究。21 世纪以来,国家加大了对石窟寺文物的保护力度,研究团队从不同视角针对石窟寺地震开展理论探索和技术研发,在云岗石窟开展了石窟寺岩体赋存地质环境、岩石特性、危岩体结构特征、变形破坏机理、稳定性评估及加固机制等方面的探索性研究,取得了一些研究成果。石窟寺塑像、壁画及栈道等附属设施的抗震研究相对较少,易损性、风险评价、防治对策和应急管理研究几乎是空白。国内外在地震灾害评价与防控方面的研究主要集中于石窟地震构造环境、稳定性分析与评价、破坏机理与易损性评价、风险识别等,但整体研究相对较少且滞后,基本处于起步探索阶段。
地震是造成石窟寺珍贵文物破坏的主要因素之一,地震作用下的石窟寺病害发育机制和作用机理仍然不清,保护措施缺乏科学依据,监测预警体系尚未构建,未来石窟寺发生破坏的风险依然巨大。因此,最大限度地减缓和预防地震导致石窟寺毁灭性破坏一直是石窟保护工作者所面临的艰巨任务,在石窟寺的保护工作中,如何科学合理的考虑未来地震灾害的影响,准确分析和把握石窟寺所处地震环境、发震机制,揭示石窟寺场地—崖体—洞窟—塑像—栈道等复杂结构的地震响应过程机理是解决这一难题的关键。因此,本文聚焦于控制断裂带复杂集中、高烈度活动性强、承灾体复杂多样(高山体—多栈道—单点连接塑像—洞窟形制多样)、参观人员密集的麦积山石窟,探讨高烈度区(基本烈度Ⅷ度、地震加速度0.30 g)石窟寺地震灾害风险评价和防控管理对策,形成石窟寺地震灾害作用机制研究方法,提出游客、崖体、洞窟文物安全的防治对策和应急管理建议,为高烈度地区特殊地形石窟寺文物抗震加固与安全防护提供理论支撑。
石窟寺地震灾害防治挑战
1.1 石窟寺构造背景复杂
我国石窟寺形制多样,赋存地质环境复杂,岩体裂隙发育,易失稳。石窟寺文物不可移动、结构体系脆弱、历史过程累积损伤效应显著、不可再生及地震环境的高危险性等决定着抗震保护基础科学问题的研究十分重要且极为紧迫。根据中国地震局发布的《中国地震动参数区划图(GB18306-2015)》(图 2),我国 288 处石窟寺全国重点文物保护单位处在罕遇地震动地区(50 a 超越概率2%),其中 15%分布在Ⅷ度或以上地区,35%分布在Ⅶ度地区,50%分布在Ⅵ度及以下的地区。石窟寺主要开凿在砂砾岩、砂岩以及灰岩等为载体的断崖上,且当前我国正处于地震活跃期,在西部地震高风险区开展石窟寺发震机制和防控管理研究意义重大。
1.2 石窟寺承灾体结构复杂
在地震作用下,地震波从震源经场地、岩体、洞窟、栈道等影响到塑像、壁画等文物,由于石窟寺承灾体各单体尺度跨度大,地震作用下地震力影响差异显著,千米级的地震传播介质(场地)、百米级的崖体、十米级的岩体洞窟、米级的塑像、厘米级的壁画结构层、 毫米级壁画颜料层等地震影响及作用机制完全不同。同时,跨越亿万年的地层、营造千年的石窟及文物、建造百年的附属设施等周期不一的时空演化过程为地震防治提出了不同的要求。此外,多样的石窟形制、大跨度的空间结构,复杂的塑像形式(木骨泥塑、石胎泥塑、石雕、浮雕)、多种类型的栈道结构(木结构、混凝土结构、砌体结构、钢结构)均增强了石窟寺承灾体结构的复杂性,加大了地震防治的难度。
1.3 地震对石窟寺文物及游客威胁程度大
我国列入全国重点文物保护单位的石窟50%位于Ⅶ度及以上的地区,石窟寺属于不可移动文物,强烈的地震作用使石窟寺文物所在岩体发生开裂、崩塌、倾倒,洞窟变形甚至窟顶塌落、塑像倾倒、壁画掉落等损害破坏。尤其是陡立崖体(图 3a)、薄顶薄壁洞窟群(图 3b)、单点连接或圆塑(图 3c,图 3d)和高悬的附属性栈道(图 3e)遭遇地震作用时危害程度更高。
我国石窟寺多开凿于陡立崖面,主要有因河流侵蚀、堆积等作用而形成的河流阶地地貌,如莫高窟、榆林窟、乐山大佛、北石窟寺等,也有因风力、流水等外力侵蚀作用而形成的丹霞地貌,如麦积山石窟、石钟山石窟,此外还有临河而开的石窟寺,如库木吐喇石窟、炳灵寺石窟等。这类崖体大部分下部近直立、上部倾斜,石窟寺位于陡立的下部崖体,加之受洞窟营造方式、坍塌破坏等因素影响,部分大跨度薄顶洞窟受重力作用而缓慢变形,独特的地形地貌、石窟形制等因素将石窟寺所经受的动力作用急剧放大,显著的地震动放大效应使得石窟岩体屡遭破坏。文物本体方面,脆弱且病害多发的壁画、与崖体单点连接甚至独立的塑像等都易在地震作用下发生结构性破坏,为石窟寺文物的保存带来了难题。附属性设施方面,地震作用影响最大的是栈道,高悬的栈道需要横梁嵌入崖体内部以提供支撑力,由于此类栈道为了尽量减少对石窟寺影响,结构体系相对简单多采用锚索拉结或悬臂梁方式提供支撑力;另外,栈道超出设计年限长期服役满载游客游览,以及在地震作用促使栈道产生裂纹或横梁与崖体分裂,导致栈道稳定性和刚度下降,影响游客安全和参观舒适度。
常有大量的游客聚集于我国开放旅游的石窟寺,参观游览人员多以组群方式进入洞窟或聚集在高空高悬栈道之上(图 4),石窟落石常有发生、洞窟结构整体较差、单点连接塑像极为脆弱、高频满载长期使用栈道安全性显著下降,在地震作用下极易发生破坏和损伤, 威胁参观游览人员的安全。另外,由于石窟寺地震灾害应急研究相对滞后,缺少地震影响疏散逃生的科学方法,大部分石窟寺尚未制定地震灾害应急预案,部分制定地震灾害应急预案的管理单位缺乏相应理论支撑。此外,游客面对地震自然灾害的预防意识较低,缺乏地震灾害逃生和自我保护的应急意识与知识,往往在地震作用下易造成慌乱逃窜和挤压踩踏等事故,而石窟常具有空间狭窄、无封闭、高空路径复杂和人群密集等特点,石窟地震灾害发生时人员疏散和安全保障挑战极大。
1.4 石窟寺结构承灾体地震灾害防治难度大
石窟寺场地—崖体—洞窟—塑像—栈道具有时空尺度跨度大、演化周期长、石窟形制多样、塑像、栈道结构类型多等特点,造成了石窟寺这种复杂的承灾体容易出现在自然力作用下的渐进式破坏,地震作用下结构损伤,以及人类活动的疲劳破坏,最终导致岩体失稳、洞窟坍塌。石窟地震灾害风险评价与防治难度大,任务艰巨,主要体现在以下方面:
(1)地震频率高,发生强震危险大。根据国家地震台网数据统计显示,2023 年我国共发生地震634 次,4 级以下地震 518 次,4 级至 5 级地震 101次,5 级以上 18 次,6 级以上 2 次。列入全国重点文物保护单位的石窟寺 50%位于Ⅶ度以上地区,其中 2003 年山丹地震(6.1 级)和 2008 年汶川地震(8.0 级)均对我国石窟寺造成了严重破坏。
(2)地震预测难,应急对策实施难度大。受地球内部运动的复杂性及观测技术水平等因素的限制,目前地震的及时精准预测极难,应急时间有限,突发性地震造成石窟寺游客的疏散时间极短,以及石窟寺游客多聚集在狭小的洞窟空间或无封闭高悬空栈道上,给有序疏散游客造成较大困难,崖体坍塌落石、栈道开裂、河水倒灌以及引发的游客踩踏、高空坠落等问题对石窟寺复杂承灾体地震灾害防治提出了极高的要求。
(3)最小干预原则加大结构改良难度。对于地震灾害防治,一般建筑可在建造之前根据场地地震动参数及相关规范确定抗震设计,也可通过改良结构形制、提高材料强度等方式提升抗震设防,石窟寺属于古代宗教活动遗留的独特建筑,赋存珍贵的历史信息和艺术价值,为了全面真实保护石窟寺文物,更好的保护石窟寺的价值、历史和文化艺术信息,文物保护要求遵循最小干预原则,主要以延续文物寿命、减少损伤和防治减缓病害进一步发展为目标,干预保护措施应解决结构稳定性和防止病害进一步发展,结构改良和材料补强应充分考虑对文物本体传统工艺传承和观赏性的影响,结构体系不易突兀、材料兼容匹配,不适宜采用大规模补强主体结构的方法防治地震灾害,因此石窟加固保护、灾害防治需要亟需深入研究。
麦积山石窟地震灾害防治关键问题
世界文化遗产麦积山石窟是我国著名四大石窟之一,是丝绸之路佛教东传西进重要的节点,被誉为“东方雕塑陈列馆”。麦积山石窟大地构造主要位于秦岭褶皱北缘,距离宕昌-礼县-罗家堡断裂最近距离 27 km,由于所处构造位置的特殊性和长期多期次强烈的构造活动演化,使区内断裂构造极为发育,历史记载沿断裂带及附近地区曾多次发生 6 级以上地震(表 1)。麦积山附近多次发生破坏性地震,公元 600 年隋代大地震使七佛阁前廊柱和石雕龛檐及以下约 1000 m3 的崖壁震塌;公元 734 年大地震曾使中部崖壁大面积崩塌,窟群遂分为东崖与西崖两部分。有地震记载以来,石窟 150 km 范围内发生 5 级以上地震多达30 余次。严重的历史地震灾害昭示着麦积山石窟抗震形势非常严峻,未来的地震灾害风险依然很高。
麦垛状的崖体形貌,造就了麦积山石窟极高的艺术价值,也大幅度提升了石窟地震致灾风险(图 5)。麦积山石窟开凿于 142 m 高的砂砾岩崖体上,场地的局限性使得游客安全和石窟文物安全压力逐年加剧。因此,地处高烈度区、山体独立具有较高的放大效应、石窟参观游览人流密集度高、避险场地局限、文物脆弱易损的麦积山石窟地震灾害问题更为突出,是石窟地震灾害和防治对策研究的典型代表。因此,选择麦积山开展石窟寺地震灾害风险评价与防治问题研究不仅具有示范意义,也可为我国乃至丝绸之路沿线国家石窟寺抗震防灾提供研究方法和理论支撑。
地震对石窟寺影响剧烈,但石窟寺场区地质构造调查、地震活动性评价、危险性分析等基础研究薄弱,石窟寺崖体、洞窟、塑像和栈道复杂承灾体地震响应机理研究几乎是空白。另外,岩土质文物尚未开展过地震灾害风险评价的系统性研究,已有的重大工程地震安全评价技术,无法满足历史地震累计损伤的石窟寺复杂承灾体地震灾害风险评价需求。针对石窟寺文物复杂承灾体,基于震源—传播介质—场地—石窟文物—致灾全过程的石窟寺地震灾害风险评价与防治,必须攻克以下问题。
(1)石窟寺文物地震灾害风险评价研究的关键在于结合区域构造背景和历史震害资料, 识别影响断层大震的危险性。影响麦积山石窟寺的近场活动断层为西秦岭北缘断裂和礼县—罗家堡断裂,其重要断裂不少于 8 条,历史地震活动性统计数据不够清晰,礼县—罗家堡断裂地表证据不明显,断裂位置走向的判定尚不清晰。另外,麦积山石窟损伤特征的近场地震动衰减关系不明,给建立麦积山石窟历史地震和潜在发震断层活动性影响的地震危险性分析模型带来极大困难。
(2)麦积山石窟崖体地形陡峭,地震动场地放大效应明显,在进行石窟崖体动力响应分析和稳定性评价时,如何考虑场地效应的影响成为稳定性分析关键;石窟寺是集崖体、洞窟、塑像和栈道为一体的复杂承灾体,受各单体几何形态、本构模型、力学参数和结构特征等影响,足尺复杂承灾体振动台模拟实验无法实现,只能通过部分重要构件模拟实验验证数值计算模型的可靠性。协同分析复杂承灾体多尺度动力响应特征极为困难,涵盖崖体、洞窟、塑像和栈道不同量级尺度体系的拟合关系研究尚未开展,将为构建复杂承灾体动力响应过程模型、稳定性、易损性分析带来极大挑战。
(3)石窟寺因受历次地震破坏和自然力的侵蚀,不同保存状态复杂承灾体破坏模式和易损性特征不清晰,不能直接应用现代建筑领域已有地震灾害风险评估方法,岩土文物病害体和损伤体的地震灾害风险评价目前国内外研究几乎是空白,这也是石窟寺地震防治的难点之一。
因此,为了满足高地震烈度区、特殊地形岩土文物地震灾害风险评价的需要,提高岩土文物抗震安全性,需要更进一步探索从震源到石窟震灾的全过程风险评价方法,力争解决岩土文物病害体地震动力响应机理、极限破坏状态及易损性评价、多构件系统概率性地震风险评价等基础科学问题。
石窟复杂承灾体地震风险评价
3.1 石窟地震风险定性分析
基于历史地震目录和相关文献,借用古地震学方法梳理可能影响麦积山石窟的历史地震,通过发震断层测量、年代学试验、震源反演等手段,调查获取发震断层的几何、运动学和动力学参数,借助国家地震台网收集麦积山区域地震动数据,构建具有工程应用价值的麦积山石窟区域地震构造、历史地震、地震活动性和地震动参数的数据库(图 6a);遵循历史地震重复原则,筛选麦积山石窟区域最不利控制性断层,引入 D-InSAR(差分干涉测量)技术开展大尺度区域形变监测,结合地震探槽、测年和大型岩体剪切实验,精准获取典型断层活动特征参数,研究典型断层的发震构造和机制;分析典型断层的地震动影响场分布特征,统计历史地震的衰减规律,基于地球物理勘探成果构建麦积山石窟区域地壳波速结构模型,采用与沿断裂地震破裂、地震动衰减和地震断层弹性位错理论有关的经验关系,估算麦积山历史地震场地地震动,再现近场区历史地震对麦积山石窟的影响,分析活动断层对石窟寺的地震影响特征,揭示区域不同强度地震动作用下石窟寺震害效应,构建麦积山石窟区域地震动衰减关系。最后,结合确定性与概率性的地震危险性评价方法,研究麦积山石窟场地地震危险性。
(1)确定性地震危险性评价。基于麦积山石窟区域最不利控制性断层的发震机制和衰减关系,采用与沿断层地震破裂和位错有关的经验关系估计潜在地震震级,借助地震动衰减关系计算麦积山石窟场地地震动参数,构建麦积山石窟场地确定性地震危险性模型,基于地震震级和衰减关系的不确定性,确定最不利控制断层在场地产生的地震动参数超越概率。
(2)概率性地震危险性评价。借鉴我国地震区带划分、发震构造研究成果,确定麦积山石窟区域地震潜在震源,根据地震统计区内地震样本确定震级复发模型参数和泊松分布参数,采用麦积山石窟区域地震动参数衰减关系计算场地地震动,利用全概率理论,综合计算各地震统计区内所有潜在震源区发生的地震在麦积山石窟场地产生的地震动超越概率, 确定场地地震动参数的超越概率曲线。地震统计区内部发生的地震,影响到场的地震动参数 A 超越给定值 a 的年超越概率为:
综上,基于确定性和概率性超越概率特征,确定麦积山石窟场地地震危险性。
依据麦积山石窟场地历史震害资料和历史地震危险性研究成果分析,筛选威胁麦积山石窟安全的典型断层和历史地震,对比研究历次地震对麦积山石窟场地地震动参数的影响;借助有限断层法模拟计算起始子源破裂—辐射传播—时域叠加的场地总地震动,建立震源和地震波传播介质的数理模型,计算麦积山石窟场地内的地震动时程。对标历史地震作用下麦积山石窟崖体、洞窟、塑像和栈道复杂承灾体的损伤和破坏程度,结合历史加固工程(图 6b),分析活动断层对石窟岩体的地震变形特征,揭示近场区域不同强度地震动作用下石窟寺震害效应,为确定历史地震破坏机制验证提供地震动参数输入。建立考虑麦积山石窟区域典型断层发震机制和地震动衰减关系的地震动参数分类分级体系,为石窟地震响应过程研究和易损性分析奠定基础。
3.2 石窟地震风险定量评价
(1)石窟寺复杂承灾体基本参数获取与模型构建
针对麦积山石窟近场区域场地、崖体、洞窟、塑像及栈道复杂承灾体,采用三维激光扫描、近景摄影、无人机航拍进行空地联合高精度测绘,基于物探、钻探和力学试验等确定石窟岩体地质结构、岩性参数和本构模型,调查塑像、栈道与石窟岩体连接结构特征,通过无损、微损检测和实验室模拟实验确定塑像与栈道结构特征与物理力学参数;采用地脉动台阵观测系统测试麦积山石窟崖体、洞窟、塑像和栈道复杂承灾体的固有振动特性,进行地脉动数据的时域、频域分析,实测模态建立崖体、洞窟、塑像和栈道的累积损伤效应的试验模型,通过调整麦积山石窟复杂承灾体岩体、塑像和栈道复杂承灾体的数值模型参数,使模拟模型微振频谱逼近实测数据,结合相似比理论构建足尺塑像、缩尺栈道振动台模拟物理模型和复杂承灾体数值模型,为石窟寺复杂承灾体地震响应研究构建数值模拟的基本方法。
(2)振动台足尺模拟试验的动力响应研究
根据石窟寺复杂承灾体文物构件的重要性和典型性,选取制备背连式木骨泥塑、独立式木骨泥塑、石胎泥塑高 1.5 m 的足尺模拟试样,1/2 麦积山钢筋砼栈道悬挑式结构,采用传统方式与麦积山典型洞窟相近岩层岩体(长 3 m、宽 1 m、高 2 m)相连,构建足尺物理模型;依据典型历史地震,分类分级加载典型地震动参数开展振动台模拟试验,采用分布式光纤、振动声波、加速度传感器、动态三维全场应变测量、三维扫描仪等,动态获取应力、位移、加速度等参数和损伤特征,测试不同残损状态复杂承灾体的模态,揭示复杂承灾体多尺度单体失稳机理与损伤规律。
依据承灾体模态实测与数值模态比对构建可靠的动力学模型,基于振动台损伤模态数据训练涵盖石窟崖体、洞窟、塑像和栈道的全尺寸数值模型,采用动力有限元理论,输入地震危险性分析的地震动参数,借助数值模拟研究不同强度、频率、持时地震动条件下复杂承灾体的动力响应过程与损伤规律。
结合历史地震灾害特征,确定石窟寺崖体地震放大效应、频谱依赖性和强度非线性的定量关系,分析崖体形状、结构面及岩性对崖体内部地震散射波场影响规律;确定结构失稳极限状态及评价指标,分析地震波频谱特性与石窟崖体、洞窟、塑像和栈道特征尺度关联关系,厘清复杂承灾体模态的量级,构建复杂承灾体动力响应过程模型(图 7)。
(3)石窟寺复杂承灾体系统易损性研究
依据结构失稳极限状态的评价指标,建立协调分析复杂承灾体的多维度损伤识别方法,分析石窟崖体、洞窟、塑像和栈道等复杂承灾体易损性特征;根据历史地震损伤程度和潜在地震危险性,构造二元联合地震危险性模型。输入历史地震和潜在地震作用下承灾体的动力响应参数,借助非线性关系理论描述随机变量间相关性,通过二维极限状态方程评估结构在潜在地震作用下的稳定性水平;利用统计模拟方法计算崖体和洞窟极限状态超越概率,拟合超越概率稳定性曲线。开展塑像和栈道结构在地震作用下的增量动力响应分析,确定结构主要损伤状态;通过对地震动强度指标和结构响应指标进行离散性分析,基于多维极限状态理论,筛选增量动力分析数据并回归分析,构建麦积山石窟寺地震易损性模型,形成石窟地震风险定量评价方法。
石窟寺地震灾害风险防控对策与应急管理
4.1 石窟寺地震灾害风险防控对策
将石窟区域潜在地震的危险性和复杂承灾体系统的易损性嵌入风险评价模型,分析不同特征地震动条件下复杂承灾体系统失效概率特征,计算不同超越概率地震动条件下的石窟地震灾害的年超越概率。通过地震灾害情景重建,提出考虑震害效应和涵盖人员、文物安全、经济合理的地震风险等级划分方法和指标体系,结合文物保护的不可再生性和国民经济发展水平综合确定石窟寺抗震设防等级,优化石窟地震风险等级,全面提升石窟寺地震灾害防治水平。
(1)建立地震监测预警速报系统
考虑石窟地震危险性和近场地震动衰减关系,结合石窟地震危险性分析和地震灾害风险评价结果,提出地震监测能力、震中定位精度、预警指标等关键参数,形成地震监测预警系统架构(图8),确定石窟区域典型断层台阵和 D-InSAR 等监测布设方案,建立地震监测预警速报系统。
(2)建立石窟寺地震灾害防治决策系统
利用数值模拟计算不同地震灾害风险条件下承灾体的材料补强、结构改良等服役性能和结构失效机制,分析对比加固前后承灾体的地震动力响应和稳定性变化,提出经济可行的地震灾害防治技术指标体系。基于风险等级和防控预警指标,建立以管理机构和专家智库为核心的减灾防灾决策系统。
(3)形成灾变控制措施
基于石窟寺特殊环境,通过对复杂承灾体的材料补强、结构改良分析对比加固前后地震动力响应变化特征,从崖体与洞窟、栈道、文物本体三个方面制定恰当的抗震加固技术和灾变控制措施(图 9)。
4.2 石窟寺地震灾害应急管理
不同于一般的自然灾害救助流程,地震灾害条件下的石窟寺应急管理措施需兼顾文物和游客的安全,传统的自然灾害应急管理方法不能直接套,且石窟寺场地环境更为复杂,人员分布更加密集,在地震应急过程中往往出现应急处置能力不足、缺乏统一指挥与协调、救援决策效率低等问题。因此,需要构建地震条件下震前应急准备、震时科学应对、震后指导抢险的石窟防震减灾和应急管理体系,全面提升我国石窟寺抗震防灾的理论水平。
(1)震前应急准备
基于地震监测预警速报系统,从布设预警广播、培训管理人员两方面建立石窟寺地震预警机制,制定不同风险等级并兼顾人员安全、文物安全和经济条件的地震应急预案;立足于极端地震条件,探讨建立适宜性好、预防效果强的应急管理体系,建立灾情管理应急机构,培训管理人员,定期开展地震应急演练,储备震时应急物资,定期检查应急资源,形成并标识紧急避险路线,开展复杂承灾体现状调查与易损性评价,提出地震稳定加固方案和实施方案,全面提升石窟寺地震灾害应急水平(图 10)。
(2)震时科学应对
地震发生时,工作人员应沉着冷静应对,严格按照震前应急演练程序和应急方案开展游客有组织疏散及文物的临时防护工作,结合工作人员、参观人员分布情况、洞窟文物、洞窟和栈道易损性特征,按照既定方案选择最近疏散路径和逃生避险区域,采取临时避险安全洞窟或栈道,选择无落石区和远离危险区域等措施,结合地震人员分布有组织疏散石窟人群脱离危险,最大限度降低石窟地震时人员伤亡和石窟文物受损程度(图 11),向崖体下工作人员求救等。
(3)震后指导抢险
地震过后,应及时结合人员安全和文物受损情况,开展人员安全救援和受损文物的抢救性恢复工作。石窟寺管理部门应根据假定的文物受损、人员受伤、基础设施损坏等情况,分析应采取的措施,如临时加固、文物抢修、生命线抢通等措施(图12)。应按照周边避难场所的可容纳人数,妥善安置受灾人员并处理好后续工作,迅速结合石窟寺受灾程度组织专业保护人员开展石窟寺文物的保护抢险工作,快速摸清受损数量和状态,形成石窟寺文物保护修复临时方案,审批通过后组织开展抢险工作。
结论与建议
本文系统总结了我国石窟寺地震灾害防控面临的挑战,以震害效应显著的麦积山石窟为例,基本厘清了石窟寺地震灾害发生发展可监测评估的影响因素,以及防控措施的关键节点,形成了石窟寺复杂承灾体地震风险定性分析和定量评价的方法,提出了地震灾害防控与应急管理对策。
(1)时空尺度跨度大,演化周期长,洞窟形制、塑像及栈道结构类型多样,是造成石窟寺承灾体结构复杂的主要因素,且我国约有一半的石窟寺全国重点文物保护单位分布在Ⅶ度及以上地区,空间狭窄、无封闭高空路径和人群密集等导致石窟地震灾害人员疏散和安全保障面临极大挑战,因此西部地震高风险区开展石窟寺复杂承灾体地震风险评价方法与防控管理研究具有重要意义。
(2)针对高烈度、特殊地形区域石窟寺地震作用机制不明、石窟寺抗震安全存在较大风险和理论依据不足的现状,通过分析典型断层对石窟寺的地震影响特征,揭示区域不同强度地震动作用下石窟寺震害效应,结合确定性与概率性的地震危险性评价,提出了石窟地震风险定性分析方法;通过基本参数获取与模型构建、振动台足尺模拟试验与动力响应研究、复杂承灾体系统易损性研究,形成了石窟地震风险定量评价方法。基于定性分析与定量评价,构建了涵盖震源—传播介质—场地—石窟文物—致灾全过程的石窟寺复杂承灾体地震风险评价方法。
(3)通过地震灾害情景重建,提出地震风险等级划分方法和指标体系,确定地震监测能力、震中定位精度、预警指标等关键地震预防参数,建立地震监测预警速报系统,明确经济可行的地震灾害防治技术体系,建立以管理机构和专家智库为核心的减灾防灾决策系统,科学制定石窟文物抗震加固和灾变控制措施。
(4)石窟寺应结合自身特点建立震前预警机制,制定不同风险等级并兼顾游客及文物安全、经济适用的地震应急预案,通过提高人员安全意识,完善疏散组织程序,最大限度降低地震时人员伤亡和文物受损程度,有效提高震后人员救援和文物抢修能力,在最短时间抢救受控人员和受损文物,降低地震灾害的影响。
原文载于《石窟与土遗址保护研究》2024年第3期,引用请参考原文。