新疆北庭故城病害特征及保護加固研究

內容摘要：達瑪溝遺址的壁畫由于長期處于高濕和可溶鹽含量較高的埋藏環境，加上出土后存放條件所限，壁畫的顏料層和地仗層已產生了多種病害。為了長期保存這批珍貴遺產，選擇有典型病害的三塊壁畫進行修復試驗并重新制作輕質可移動的支撐體，為后續保護修復提供了指導和借鑒。經修復后的壁畫安全穩定，便于陳列展覽。

關鍵詞：達瑪溝；出土壁畫；修復試驗

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2013）01-0018-05

引言

北庭故城遺址位于新疆吉木薩爾縣北偏東約12 km處，俗稱為“破城子”或“唐朝城”， 1988年由國務院公布為第三批全國重點文物保護單位。遺址坐落在東天山北麓坡前地帶與準噶爾盆地古爾班通古特沙漠相接壤的平原上，南依天山，北望沙漠，扼守東西交通要道，是著名的絲綢之路新北道的交匯中心。故城東通哈密，有“伊北路”；西經伊犁河流域達西亞，有著名的“碎葉路”；南越天山，直達吐魯番盆地，有“他地道”，又稱“金山道”或“車師古道”；向北穿越沙漠可至蒙古平原，有“大北道”和“回鶻路”等草原絲綢之路相連。隔天山與天山南麓的高昌、交河故城遙遙相對，共扼東部天山，有著重要的政治、軍事、經濟文化的戰略地位[1]，目前已被列為國家級遺址公園建設地。經歷千百年歷史滄桑，北庭故城現僅存斷壁殘垣，大多數街市塔廟、官府衙署、外城的角樓、敵臺及城墻上的馬面已嚴重破壞，為保護遺址價值的傳承，現有的遺跡亟須進行科學保護加固。

1 故城布局及建筑形制

北庭故城分內外兩重，平面均呈不規則的南北向長方形（圖1）。內城位于外城中部略偏東北。城的四角建有角樓，城墻外部筑有敵臺和較密集的馬面，外繞護城壕、外城之北還有羊馬城。

北庭故城除農田覆蓋的地域外，其布局情況具有區域差異，大致分為“官城”，內城南、北部及外城南、北部等五個小區城，具體功能分區見圖2。

內外城均系夯筑，其形制基本一致，即內城墻隨著外城墻的曲直而曲直。外城和內城的構筑方法也有明顯的區別。外城的城墻、馬面、敵臺、角樓和羊馬城，基本上都是薄夯層（厚6-15cm），圓夯窩，堅硬結實；內城的城墻、馬面、敵臺和角樓都是厚夯層（厚8-20cm）、平夯、無夯窩，比較松軟。外城的城墻、馬面、角樓經多次修補或增筑。據實地考查，北庭故城外城墻確有多處特別明顯的唐代修補和增筑痕跡，同時也有與回鶻時期修筑的內城風格相同的修補增筑痕跡。而內城的城墻、馬面、角樓、敵臺等未發現修補和增筑痕跡，這說明外城和內城在構筑方法和筑城年代上都有所不同。

2 主要病害及其特征

在自然外營力作用和人類活動影響下，歷時1600多年的北庭故城遭到了嚴重破壞，現存遺址病害類型多、規模大、程度深。根據收集的勘察資料，遺址的主要病害有雨蝕、風蝕、掏蝕、裂隙、沖溝等。

2.1 雨蝕

雨蝕病害在北庭故城起著主導作用。墻體表面的風化層厚度8-30cm，其中頂部風化層厚度15-30cm，墻體側面風化層厚度8-15cm。頂部風化層均有泥皮以及龜裂紋，泥皮厚度多在1-3cm，其下為疏松的風化層，龜裂紋大小不等，多呈不規則多邊形（圖2），尺寸為3-10cm或8-16cm。北庭故城所在地區年降水量183.1mm，最大降雨量314.2mm，降水規模相對于西北干旱半干旱地區而言相對較大。遺址體為粉土，崩解速度多在20-40g/min，且墻體頂部和底部崩解速度大于墻體中部。因此北庭故城在嚴重的雨蝕作用下，病害異常發育。雨蝕產生的病害主要有三種：墻面片狀剝蝕、低洼區浸水、沖溝。墻面片狀剝蝕是在暴雨作用下土體崩解成泥流附著在墻體上，在強烈的干濕交替作用下形成泥皮和龜裂紋，由于風等外營力的作用，泥皮脫落，有不同程度的墻面片狀剝蝕，主要發育在墻體的西北面，與北庭故城的主導風向西北風有直接關系。

2.2 風蝕

北庭故城的風向以西北風和西風為主，大風經常發生，最大風速達40m/s。風蝕自始至終都參與著各種病害的發生與發展，除了形成典型的風蝕地貌外，還加重了其他病害。典型的風蝕地貌，如蜂窩狀、層狀、棒槌墻（圖3）。蜂窩狀即墻面被風吹蝕成凹凸不平的蜂窩狀，在風沙的磨蝕與旋蝕作用下，由于地層巖性的差異，膠結差的地層容易被風吹蝕，形成典型的風蝕病害，在外城北墻分布廣泛；層狀風蝕地貌即遺址體中個別夯層土體抗風化性能差，造成與上下夯層的差異性風化凹進，從而產生夯層嚴重凹進于其他夯層的現象，在外城東墻、內城北墻比較發育；棒槌墻是墻基根部在酥堿作用下結構變得疏松，在風的作用下墻基被掏蝕凹進，在外城東墻南段有所發育。

2.3 掏蝕

在風和水的作用下，墻體掏蝕嚴重，這是北庭故城的另一個主要病害。掏蝕主要有酥堿和風力掏蝕兩種。外城北墻的北面、外城東墻的東面、外城西墻的西面、外城南墻的北面、內城北墻的北面、內城西墻的西面、內城南墻的北面、羊馬城北墻的北面、羊馬城西墻的西面墻體基礎酥堿病害較為嚴重，凹進深度多達25-50cm，凹進高度多為10-50cm；其他墻體基礎凹進多中等凹進、輕微凹進，凹進高度多為5-18cm，凹進深度多為5-10cm。受風的影響，部分墻體夯土層薄弱層位被風掏蝕凹進，一般發育在墻體的中下部[2]。

北庭故城夯土為粉土，含水量0.63-2.51%，研究區內易溶鹽主要成分為Na2SO4、K2SO4、MgSO4、CaCL2、NaCL、KCL以及少量的NaHCO3、KHCO3、CaHCO3等，尤其墻基處，易溶鹽含量高達15.94mg/g，由于土體含有較多的易溶鹽，pH值7.95-8.80，呈弱堿性，在雨水的作用下，鹽分多集中在墻體根部，加之墻體根部含水量比較大，在溫度作用下，墻體根部土體中的可溶鹽尤其是Na2SO4發生反復的溶解收縮—結晶膨脹—再溶解收縮，土體結構不斷疏松[3]。在風力吹蝕下，墻體基礎土體風化剝落，造成基礎凹進（圖4）。

2.4 裂隙

裂隙是指土遺址內不同原因形成的裂隙或裂縫，它往往造成遺址體進一步的破壞，如引起坍塌或者沖溝。北庭故城裂隙主要是震動、卸荷、降雨和溫度等所致。北庭故城墻體裂隙有三種類型：一是建筑工藝裂隙，即夯層之間的夯筑縫隙、不同時期修筑的接茬縫隙；裂隙張開度為3-8cm，均為貫通性裂隙，夯層之間縫隙比較平直，附近無次生裂隙。二是窯洞開挖后附近土體發育的次生變形裂隙，多集中于頂部，形狀上小下大，張開度為1-10cm，多平直，無充填物，長度大小不等，大者延伸至墻體。三是卸荷裂隙，即墻體坍塌變形后所產生的寬大裂隙及伴生的裂隙，裂隙張開度 為2-12cm，呈折線、直線、曲線等形態，多有后期充填物，充填物多松散剝落土，含水量不大。建筑工藝裂隙分布廣泛，卸荷裂隙多集中于墻體變形、坍塌嚴重的遺址區，次生裂隙主要發育在窯洞開挖后附近土體發育中。

2.5 沖溝

鑒于北庭故城受沖溝破壞嚴重，部分墻體的沖溝沖深達10-50cm，寬度達8-100cm，對墻體造成了極其嚴重的破壞，因此將沖溝從雨蝕中單獨列出。由于北庭故城墻體厚，頂面寬大，形成了有利的匯水面，在墻體頂部沖溝較為發育。沖溝主要是徑流型沖溝，雨水沿有利的匯水地形形成，多較寬大，沖深10-50cm，寬8-100cm。從沖溝發育特點看，墻體馬面、角樓、門闕、佛塔的頂面沖溝異常發育，即大面積匯水的墻體沖溝發育，且易形成大規模沖溝。

3 保護加固對策及施工工藝的優化

3.1 保護加固對策

基于對北庭故城主要病害特征及主要破壞因素的分析，本著當前 “保持原狀，最小干預，最大兼容”的文物保護原則，根據現場調查和施工經驗，我們主要提出了以下具體的保護措施：

（1）砌補和回填

對于歷史上發生坍塌和凹進的墻體進行土坯砌補，根部局部掏蝕的墻體可就近取土回填處理。土坯的尺寸根據基礎凹進的深度和高度制作，總的原則是土坯砌補后方便恢復原貌和作舊。土坯可用當地可溶鹽含量低的黏土制成，干密度比遺址內部土強度略高即可。砌筑泥漿選用PS-C漿液。砌筑時應分段加筋，保證原墻體和新砌體之間的整體性。該措施是在確保墻體穩定性的前提下，適度對業已坍塌的墻體進行修復，干預度適當，而且砌補后表面進行復舊處理，使之與周圍土體兼容，符合文物保護準則。

（2）錨桿和注漿加固

對于危及墻體穩定的寬大裂縫采用錨桿錨固與裂縫充填注漿相結合的方法[4-6]，否則一旦裂縫中入滲雨水會導致土體軟化，使裂隙繼續擴大，造成墻體坍塌。裂隙注漿采用PS-（C+F）（注：F為粉煤灰，C為粉土；F∶C一般為2∶1）漿液，按自下而上的次序通過注漿管進行。錨桿可采用楠竹錨桿和玻璃纖維錨桿。楠竹錨桿長一般為1-2m，桿徑35mm，壁厚0.5-0.7mm。玻璃纖維錨桿一般用于塊體較大的加固體，桿長一般為2-5m，具有強度好、耐老化性強、材質輕等優點。楠竹錨桿和玻璃纖維錨桿主要用于裂隙加固，錨桿灌漿采用PS-（C+F）漿液。錨桿應進行現場拉拔試驗，單根錨桿的極限錨固力≥30kN/ m。這種加固措施均較為隱蔽，一方面增強了遺址體的穩定性，一方面阻止了雨水的入侵破壞，兩者兼顧了結構穩定性和耐久性的要求。此外隱蔽工程對于遺址體的外觀無明顯影響，符合文物保護準則。

（4）PS滲透加固

PS滲透的主要目的是防止風蝕、雨蝕。研究表明，粉土中的黏土礦物經PS處理后，可使片狀、離散、晶態的黏土礦物微觀結構發生變化，形成一種致密的非晶態網狀膠凝體，從而使其力學性能發生巨大變化。風洞模擬實驗證明，土遺址土體樣品經PS滲透加固后，其耐風蝕強度提高10-13倍。水中崩解實驗證明，PS處理后的遺址土體耐水性也大大提高，使PS滲透處理后的土遺址有很好的抗風蝕、雨蝕的性能。PS滲透注漿材料采用模數為3.8、濃度為3-5%的PS漿液。注漿方式采用滴滲，注漿滲透深度應超過墻面疏松風化層厚度，施工時應以實際的疏松風化層厚度為準。完成墻面的PS滲透加固后，應進行做舊處理；滲透注漿施工期間對工作面應采取防曬措施，使加固體緩慢陰干，以免形成龜裂。該保護加固措施增強了遺址體表面的抗風化能力，同時不會影響到遺址體的風貌，完全符合文物保護準則。

（5）沖溝處理

沖溝進行土坯砌補或回填處理，對匯水面進行一定的填補， 然后進行表面PS滲透，并設計排水系統。該措施主要是增強現有沖溝的抗沖刷能力，其次干預量適度，對不會遺址體的外貌有太大改變，基本符合文物保護準則。

（6）對于人為破壞和植被破壞，應加大宣傳力度，加強遺址周邊環境整治。

3.2 施工工藝的優化

為驗證所采取措施的有效性，我們在工程實施前，針對設計方案所提出的工藝，通過現場試驗改進和優化一些施工工藝，同時根據試驗結果來驗證措施的可行性和有效性。

（1）夯補和回填

由于風蝕和水鹽運移，北庭故城城墻的下部存在嚴重的掏蝕凹進，一些部位已經導致了墻體的坍塌，嚴重影響遺址的保存，用土坯砌補后下部仍然發生酥堿，另外，也存在耐水性差的問題。針對這一問題，工程實施小組進行了現場試驗，利用敦煌研究院最新研究成果，將一定比例的燒料礓石拌和到當地土中，制作出了適合于墻基夯補的改性土。燒料礓石改性土不但具有很好的耐水性、耐風蝕性，而且耐鹽堿性能明顯提高。將一定比例的燒料礓石改性土用于遺址風化凹進部位夯補，取得了較好的加固效果。

（2）錨固

對于遺址本體的較大塊體的加固，當木質錨桿無法提供足夠的錨固力時，我們采用玻璃纖維錨桿作為錨固桿材，PS-（C+F）作為錨固漿液。通過現場試驗發現，PS-（C+F）和玻璃纖維錨桿匹配時，無法為較大危土體提供足夠的錨固力。在現場我們進行了玻璃纖維作為桿材，燒料礓石作為漿液的試驗，試驗表明，玻璃纖維作為桿材，燒料礓石作為漿液不但能夠滿足文物保護原則，而且可以提供足夠的錨固力。

（3）PS滲透加固

由于北庭故城搶險加固工程病害影響因素較多、遺址土體表面風化嚴重，表層孔隙大，風化疏松層厚度不均勻，厚度大的區域呈片狀剝蝕，一般墻體表面比較破碎。主要出現在迎風面的墻體上，保護難度大，氣候環境條件特殊，通過多次現場試驗，對于風化層較厚部位的加固，我們總結出了如下的具體施工工藝：首先進行表面起皮墻體壓實，主要是針對墻體表面起皮區域，采取墻體噴灑水滲透，待半干時使用柔軟物體適當的壓實；壓實后進行PS溶液噴灑滲透。增加了噴水對疏松遺址土的壓實這一措施后，遺址土體表面疏松層和內部密實層之間的差異減少，一定程度上避免了加固后遺址土表面和內部由于強度之間的差異而產生片狀剝離。

根據現場試驗，我們對北庭故城搶險加固工程采取的相關技術措施進行了改進，主要采取錨桿錨固、裂隙加固、土坯砌補、洞穴加固、頂面處理、表面防風化、植被治理以及坡腳處理等多種措施，順利完成該項目一期施工任務。圖版9和10、圖版11和12為加固前后對比照片。

4 結論

（1）北庭故城是絲綢之路上重要的文化遺址，是國家級考古遺址公園建設地，具有重要的歷史、藝術和科學價值。

（2）遺址存在風蝕、沖溝、裂隙、雨蝕等多種病害，亟待實施搶救性保護。

（3）針對遺址存在的病害，提出了表面PS 防風化加固和錨固灌漿相結合加固裂隙的對策，并取得了較好的加固效果。

（4）現場試驗驗證了我們設計中所采取措施的可行性，同時也對我們的施工工藝進行了優化和改進，是文物保護工程實施過程中最重要的環節之一。

參考文獻：

[1]蘭州大學，敦煌研究院，西北大學.北庭故城搶險加固工程勘察報告.2006.8.

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