Деформация откосов и механизмы обрушения на затопленных геоархеологических памятниках: физико‑численное моделирование

Почему речный берег важен для истории

Вдоль реки Цзиньша на юго‑западе Китая расположен памятник наследия Цзяопинду, где солдаты Красной армии переправлялись во время Великого похода. Этот прибрежный откос содержит пещеры и почвенные слои, в которых зафиксированы как революционная история, так и гораздо более древние следы человеческой деятельности. Но новое гидроэлектростанционное водохранилище надолго затопит участок. В исследовании рассматривается простой, но срочный вопрос: как поднимающийся и опускающийся уровень воды в водохранилище постепенно ослабляет берег до тех пор, пока исторические пещеры и окружающий их склон не обрушатся?

Когда водохранилища встречаются с хрупкими откосами

Авторы сосредоточили внимание на том, что происходит, когда крутой речный берег с археологическими пещерами неоднократно затапливается и осушается в процессе эксплуатации водохранилища. В отличие от каменных храмов на суше, эти пещерные объекты залегают в рыхлых слоях щебня и глинистого материала. Когда водохранилище Удундэ достигнет полного уровня, весь откос Цзяопинду на длительное время окажется под водой. Ранние исследования показали, что изменение уровня воды может размывать берега, но очень мало работ изучало, что это означает для невосполнимых культурных памятников, расположенных внутри этих берегов. Здесь команда поставила задачу раскрыть пошаговый процесс разрушения, чтобы инженеры и реставраторы могли предсказать повреждения и спланировать защитные меры до того, как склон даст осечку.

Создание речного откоса в лаборатории

Чтобы наблюдать этот скрытый процесс, исследователи построили уменьшенную физическую модель реального откоса в большой прозрачной камере. Они воспроизвели общую форму берега, расположение пещер и слабые щебневые слои, проходящие через участок. Состав грунта был тщательно настроен с добавлением гипса, чтобы его масса, прочность и способность пропускать воду соответствовали реальным отложениям. Затем в камеру несколько раз заливали и спускали воду в контролируемых циклах, имитируя более года работы водохранилища в ускоренном режиме. Высокоточные датчики внутри модели записывали изменения давления в грунте и поровой воде, а 3D‑лазерные сканеры и подводные камеры фиксировали деформации поверхности и пещер до и после затопления.

Наблюдение за обрушением пещер изнутри наружу

Эксперименты показали, что склон не разрушается мгновенно. По мере подъема уровня воды увеличиваются как нагрузка от вышележащего грунта, так и давление поровой воды. Когда вода затем опускается, поддерживающий эффект внешней воды падает быстрее, чем поровое давление внутри откоса успевает рассеяться. С каждым циклом контакты между зернами ослабевают: земное давление медленно снижается, в то время как поровое давление поднимается. Это сочетание постепенно уменьшает способность грунта противостоять сдвигу, особенно у подводного уступа у подошвы откоса. В испытаниях на пещерах команда сравнивала две формы: с куполообразной крышей и с плоской крышей. При длительном погружении пещера с плоской крышей испытывала повторяющиеся обрушения свода, заполнявшие проход, тогда как в куполообразной пещере главным образом терялись материалы у входа, а внутренние помещения в значительной степени сохранялись. Результаты показывают, что даже простые геометрические различия сильно влияют на масштаб повреждений пещеры под водой.

Моделирование скрытых напряжений в трех измерениях

Поскольку лабораторные модели не способны отразить все детали долговременного поведения, исследователи также создали трехмерную компьютерную модель откоса с помощью специализированного ПО. Эта численная модель рассматривала склон как непрерывное тело, где взаимодействуют вода и грунт, что позволило команде вычислить перемещения, зоны высокой деформации и общую устойчивость при разных уровнях воды, ливнях и землетрясениях. Симуляции согласовались с физическими испытаниями: наибольшие перемещения и максимальные касательные деформации концентрировались в нижней части коллювиальной аккумуляции, в той же области, где модельный откос обрушился. Особенно слабый, слабо цементированный щебневый слой действовал как поверхность скольжения, определяя, где сформируется итоговая поверхность обрушения. Рассчитанный фактор долговременной устойчивости около 0,89 указывает на то, что при длительном насыщении склон уже близок к критическому состоянию. Когда высокий уровень водохранилища сочетается с сильными дождями или умеренными землетрясениями, вероятность крупного оползня, затрагивающего всю область пещер, резко возрастает.

Что это означает для спасения подводного наследия

Для неспециалиста ключевой посыл ясен: угроза подводному наследию в Цзяопинду не внезапна, а постепенна и обусловлена тонким действием воды, проникающей через хрупкие грунты. Повторяющиеся подъемы и спады уровня воды медленно разрушают скрытые связи, скрепляющие склон, особенно вокруг искусственных отверстий, таких как пещеры. Куполообразные своды переносят нагрузку лучше, чем плоские, но оба типа оказываются под риском, как только окружающие слои начинают сдвигаться. Сочетание физических и цифровых моделей в этом исследовании показывает, как диагностировать участки затопленного памятника, наиболее склонные к разрушению, и при каких условиях это произойдет. Эти знания могут служить руководством для укрепления на месте, мониторинга и систем раннего предупреждения, помогая сохранить истории, вписанные в эти берега, от буквального смыва.

Цитирование: Zhang, K., Wang, W., Fan, X. et al. Slope deformation and failure mechanisms at submerged geoarchaeological sites: physical–numerical modeling. npj Herit. Sci. 14, 270 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02549-w

Ключевые слова: подводное культурное наследие, устойчивость берегов водохранилищ, обрушение откосов, геоархеология, обрушение пещер