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蛇蟠岛古洞室群探秘
2017-10-15    阅读 197 次


杨志法/中国科学院地质与地球物理研究所

廖小辉 、孙亚丽 /浙江省衢州学院

杨俊健 、郑子琦 /浙江蛇蟠岛旅游开发有限公司

黄北秀/中国科学院地质与地球物理研究所



历史上古人因在蛇蟠岛进行长达千余年的采石而遗存下来千余个古洞室,所以蛇蟠岛被称为“千洞岛”。走进千洞之岛,可探索蕴藏在这些幽幽古洞中的科学奥秘。

无人机拍摄的蛇蟠岛野人洞景区的一角


一、蛇蟠岛在什么地方?

蛇蟠岛是一个位于我国浙江省东部三门县的三门湾蛇蟠洋上、面积约为14.7平方公里的岛屿。

蛇蟠岛的地理位置图

二、蛇蟠岛有多少个古洞?都什么样的?

在蛇蟠岛上因古人采石而遗存约1300多个古洞室。这些古洞室多呈不规则穹形,它们的大小不一:小者的跨度仅约数米,但大者的跨度达几十米。例如,清风洞景区古洞室群1号洞(即星空营地)的跨度为42米;又如狮子洞景区古洞室群1号洞的跨度达60米,十分宏伟。

景区清风洞古洞室群1号洞(据梅军)

狮子洞古洞室群1号洞(据郑子琦)

你只要登岛,便可发现蛇蟠岛上的各洞大小不一、形状各异,可谓是“千姿百态”:

无人机拍摄的海盗邨景区的部分古洞

分布在赭红色凝灰岩中的野人洞景区的部分古洞

位于海盗邨景区的一个古洞室(即“东亚风情”景点)(据叶文龙)

太阳光从大坑山古洞室的顶洞射入洞内时的情景

清风洞景区的妙趣横生的“圆三门”

(图中的3个圆洞是由现代刻凿而成的)(据郑子琦)

野人洞景区的“水帘古洞”(据章俊华)


部分古洞室群呈现出残缺之美。例如:


一个发生破损如“少女剪影”的古洞室边墙(据郑子琦)

一片古洞室在被破坏后所遗留下来的“残缺之美”(据叶文龙)

一个已残缺的古洞仍然美得让人入迷(据叶文龙)

三、蛇蟠岛采石历史的考证:


已经肯定,1300多个形态各异、大小不一的古洞是因古代工匠采石而遗存下来的。那么岛上的采石历史最早可追溯到何时?现在接受度较广的主要有两种说法。

1、 南宋端平二年(公元1235年)进士储国秀所作的《宁海县赋》云:“矿石(指石材)锢于蛇盘(即蛇蟠岛)之丘,石首(指黄鱼)发于洋山之屿。工师钻坚而脔分,舟人冒险而渔取”(据胡声雷《霁园集》,1991)。据此,可将蛇蟠岛采石历史追溯到公元1235年前后。


描述“工师钻坚而脔分”(即石匠把所采岩石分割成石板)的浮雕“采石板”图(据郑子琦)


描述“石首发于洋山之屿”的黄鱼群石雕(据郑子琦)


2、 村民在清风洞景区的一个古洞废石堆中发现了三枚古钱币,其中一枚(编号(3))为东汉的五铢钱。据此,或许可把岛上的采石活动推到东汉时期。


        

(a) 古钱币所在的洞室及其穹形洞口                                                                     (b) 发现古钱币的废石堆照片


发现3枚古钱币的清风洞古洞室群某洞


       


在上述清风洞景区的一个古洞废石堆中所发现的三枚五铢钱(其中编号(3)为一枚东汉的五铢钱)

四、蛇蟠岛古洞中的古工程科学技术问题


我国古代的劳动人民不仅给我们留下了一番绝伦的景色,而且在他们创造文明的过程中,工程技术的发展也是留给我们最宝贵的财富。蛇蟠岛古洞也不例外,在这里有很多值得我们借鉴和学习的地方。


1、带顶洞口的穹形洞结构

位于野人洞景区的带2个顶洞口的穹形洞

位于清风洞景区3号洞的带顶洞口的穹形洞


为什么古人采用带顶洞口的穹形洞结构?


——在力学上看,穹形洞有利于古洞的长期稳定;

——从采石效率角度看,古人从山顶地表向下开挖至采石层的方形洞(即所谓的顶洞),是为采石者提供出入口,同时也成为所采石板的出口。另外,由于蛇蟠岛山顶的坡积层较薄,所以采石效率较高。


1、薄墙结构

在现代地下建筑中,有规范规定,墙的厚度通常不宜小于1.4米。但在蛇蟠岛很可能是为多采石或为在不同采家之间设界而形成了很多薄墙。在以下两例子中,第一个例子的薄墙厚度仅为12厘米,而第二个例子甚至只有6厘米。


海盗邨景区2号洞的一面薄墙的厚度为12厘米


海盗邨景区3号洞的一面薄墙的厚度仅为6厘米


但这种薄墙将面临着长期稳定问题。为此,古人采用以下三个方法应对,即:


——构成穹形洞的曲墙

研究表明,这种曲墙的受力性能较好,不易失稳;


——直立薄墙的支顶结构


  

位于清风洞景区的直立薄墙支顶结构实例及其两墙相交的优美曲线


——薄墙的墙脚扩大结构

为了使薄墙得以长期稳定,发现古代工匠在薄墙脚采用了一种墙脚扩大结构。

玲珑山某古洞室薄墙下采用墙脚扩大结构的实例


1、墙夹结构面结构


结构面产状调查:在蛇蟠岛所发现的15条断层中,其中有11条为陡倾角,占总数的73.3%;对于节理,以分布于清风洞古洞室群围岩的116条节理为例,发现陡倾角节理约占80%以上。


结论:在蛇蟠岛结构面(包括断层和节理)是以陡倾角为主的。


用于清风洞景区围岩节理倾角统计分析的直方图


l陡倾角结构面将对古代采石者造成两大问题:


——对于沿着缓倾角层面的采石方法(见下文4)来说,难以一次采出大块石板,并将加大废石率;


——因陡倾角结构面使顶板稳定性降低,从而导致发生落石地质灾害的概率增大,使采石者的安全受到严重威胁。


为了解决上述两大问题,古人创造性地采用了一种可称为墙夹结构面结构。

清风洞景区1号洞的墙夹断层实例


1、水平式凿孔裂石采石板方法


在蛇蟠岛,发现古人在采石时都采用水平式凿孔裂石采石板方法。这里,以潜龙洞景区3号洞的采石方法为例,给出相关平面图和有关图中所述补孔的剖面图,以便供进一步对该采石法的原理和方法进行分析时参考。


潜龙洞景区3号洞采用水平式凿孔裂石采石板方法采石的遗址


采石现场排孔和补孔的尺寸及其分布(单位:毫米)


典型补孔的纵剖面图


关于该方法的工作原理,可详见《蛇蟠岛大型古地下工程洞室群科学技术问题》(杨志法、张中俭、张路青、祝介旺,科学出版社,2014)。另外,张新等也从断裂力学观点出发很好地解释了该方法的原理。


5、铅条堵水技术


在采用上述凿孔裂石采石板方法进行地下采石时,需要满足待采石面各处的含水量需基本一致这一条件。为此,古代工匠采用了铅条堵水和下文6将提及的导水槽相结合的治理地下水技术。


在蛇蟠岛首次发现了古人采用铅条堵水技术来堵住结构面上的渗水的现场。经SX51型CHMECA电子探针仪对现场所取的金属条样品的鉴定,证实该金属条为铅条。其含铅量高达99%。


在潜龙洞古洞室群中首次发现的嵌于节理面内的一条金属条


中国科学院地质与地球物理研究所的SX51型CHMECA电子探针仪


取自所发现铅条的试样的电子探针能谱测试的谱图


编号为3-1和3-2的金属条及其所经过的3号洞底板的台阶剖面(单位:毫米)


重复性试验表明铅条堵水的效果良好(参见中央电视台科教频道,走近科学·探秘蛇蟠岛(汤菲编导),2009)。


6、导水槽技术

——在蛇蟠岛发现导水槽也得到了普遍采用。

刻于潜龙洞洞口西边墙上的一条导水槽

刻于海盗邨景区12号洞洞口某边墙上的一条导水槽


分别位于野人洞两个边墙的导水槽

  

(a) 古钱币所在的洞室及其穹形洞口                                                        (b) 发现古钱币的废石堆照片


结语


今年的7月15日晚,蛇蟠岛举办了一场美得让人震撼的养心音乐会。由于它是在清风洞这一蛇蟠岛古洞中举办的,而神秘古洞所产生的独特韵味,加上在布满条条被风吹动的彩色纱幔的舞台上非物质文化遗产千古啸乐好像清风一般,阵阵飘过,使得这场音乐会变得妙不可言!五张色彩绚丽的现场照片供大家欣赏,再次感谢古代优秀的劳动人民留给我们的宝贵财富。





又到了答题环节啦!小伙伴们有没有认真看我们的文章呀?老实说,小编其实都沉醉在绚烂的景色当中,差点忘记我们是科学知识的搬运工啦。于是小编赶紧提提神,又开始兢兢业业的工作了。两个小问题来检测你是不是和小编一样光顾着欣赏美景呀。


1 蛇蟠岛上是因为古人的什么活动遗存下来的古洞室?

A 开挖运河  B 修建房屋  C 采石


2面对薄墙面临的长期稳定性问题。古人采用了哪三个方法来应对?

A构成穹形洞的曲墙  B直立薄墙的支顶结构  C薄墙的墙脚扩大结构


编辑:翟吉璇

美术编辑:赵亚楠  

校对:龙奕洁

本文转载自中科院地质地球所

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