潮濕環境黏性土地區考古現場地下水控制試驗研究

張明泉 郭青林 楊善龍 杜韶光 馬宏海 劉衍 王小娜

內容摘要：針對黏性土地區考古現場地下水排水困難的問題，采用了構筑人工填砂導水排水溝的方法，在考古探方周邊形成導水排水體系。現場模擬試驗證明，該方法不僅能夠排除黏性土中的地下水，而且能夠隔斷毛細水運動，從而有效控制地下水位，防治考古探方滲水，保障考古工作順利進行。該方法同樣可用于潮濕環境地下水淺藏地區的遺址保護和陳列館滲水防治。

關鍵詞：潮濕環境；黏性土；考古；地下水

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2016）02-0095-05

Abstract： This study aims to solve the problem of underground water drainage happening in archaeological sites in cohesive soil regions. The method is to build drainage ditches artificially filled with sand so as to form a drainage system surrounding tombs under excavation. Experiments show that this method is useful for the discharge of underground water from cohesive soil and the obstruction of capillary action， which will efficiently control the underground water level and protect the tomb from water seepage， thus ensuring the proceedings of archaeological work. The same method can be used in the shallow underground water of humid environments， not only for the conservation of ancient sites， but also for preventing seepage in galleries.

Keywords： humid environment； cohesive soil； archaeology； underground water

引 言

在我國長江流域的下游地區，人口分布比較密集，大小城市星羅棋布，社會發展歷史悠久，人類活動留下了眾多的遺跡。這些遺跡記錄著人類發展的歷史過程，記錄著古代人類生活生產方式，記錄著當時的生產力發展水平，記錄著科學技術的發展過程，也記錄著自然環境的演化過程[1]。其內容博大精深，是中華文明探源工程[2-5]的重點區域。這類地區的自然環境相對優越，地勢寬廣平坦，以平原和緩坡丘陵為主要地貌形態，大氣降雨量比較充沛，河流湖泊發育，地表水、地下水資源豐富，土壤以河湖沉積物為主，黏性土分布面積廣，植被覆蓋度高，物產豐富。從環境干濕度來講屬于潮濕地區或潮濕環境[6-7]。

在潮濕環境開展考古發掘，往往受到滲水和積水的干擾，嚴重時甚至造成水災[8]，使考古發掘難以進行。為此人們首先想到的辦法是在考古挖坑中一邊排水一邊發掘，但這樣往往會使發掘坑變成泥坑，不僅增加了考古發掘的難度，而且對土遺址文物造成損壞，喪失許多有價值的信息。人們也試想采用在發掘探方周圍打井排水的辦法來降低地下水位[9]，但是，黏性土地層的弱透水性特征，使得打井排水不能奏效[10]，就是在邊長5m的探方周圍打上4眼水井，也不能控制地下水位，也不能阻止黏性地層中地下水在探方緩緩滲出?？梢?，防治考古發掘坑中的滲水是潮濕環境黏性土地區考古現場面臨的一個重要問題。

為解決黏性土地區考古現場滲水困擾的難題，保障這類地區考古發掘工作順利開展，遏制地下水對遺址，尤其是土遺址發掘的影響，為這類地區文化遺產的研究和保護消除不良環境危害，我們經過幾年的調查研究，運用水文地質學理論和方法，設計了人工填砂溝導水排水方案，并經過實地現場試驗，證明該方案能夠有效地排除黏性土地層的地下水，降低考古現場周圍的地下水位，同時能隔斷黏性土中的毛細水運動，從而有效遏制或消除考古探方滲水問題。

1 試驗部分

1.1 試驗設計

試驗場地選擇在位于長江下游的浙江省科技考古與文物保護技術研究試驗基地，該區為潮濕環境黏性土地層分布區，地下水位埋藏深度小于1m。在這里選擇一塊平地，按照1984年文化部《田野考古工作規程（試行）》通常的田野考古發掘坑的面積大小[11]，布置5m×5m的考古探方，探方四邊向外擴1.0m形成7m×7m的正方形，再向外擴1m形成9m×9m的正方形。然后在最大正方形的三個內角和一邊中間的內側各布置井孔（圖1a），井徑0.3m，井深要求超過考古探方深度0.5m—1.0m。4眼井均按抽水井要求成孔。成井以后，待井中水位穩定后觀測其靜水位，確定考古現場地下水位的埋藏深度。然后選取其中1眼井為抽水井（1號井），其他3眼井為觀測井，進行抽水試驗和水位恢復試驗。水位觀測采用地下水位記錄儀，記錄間隔設定為10秒；如果用人工觀測，時間序列設定為：10秒、20秒、30秒、1分、1分30秒、2分、3分、4分、5分……直到水位降到井底。抽水停止后的水位恢復觀測時間序列與上述相同，直到水位恢復到原始水位（靜止水位）。

場地原狀黏性土地層抽水試驗完成以后，沿9m×9m正方形邊線內側開挖寬1.0m、深度超過考古探方設計深度0.5m的溝槽，充填透水性能好的砂礫（卵）石，臨近地面0.2m填上原狀黏土層，與原來地面保持一樣（圖1b）。這樣用人工充填的透水層將原先打成的4眼水井聯通起來，形成閉合的填砂導水溝。填砂導水溝施工完成，待井中水位恢復到靜止水位，再次進行抽水試驗和水位恢復試驗，抽水井、觀測井的布置與觀測方法與第一次試驗相同。

對比分析填砂導水溝建成前后的兩次抽水試驗結果，驗證填砂導水排水溝設置的作用，驗證該方法對考古現場地下水的控制效果。

1.2 黏性土原狀地層中的抽水試驗

2014年6月20日試驗工作人員進入模擬考古現場場地，按上述規則布置了地下水抽水試驗場地及井孔位置，聘請當地打井隊鉆進，7月2日成孔。隨后連續3天觀測各井水位，待地下水位穩定后，測定了各井的地下水靜止水位，確定了試驗場地地下水位埋深約0.6m。隨后以1號井為抽水井，其他井為觀測井，于7月6日做了場地原狀黏性土地層地下水抽水試驗和水位恢復試驗。試驗類型屬非穩定試驗[12]，試驗全過程中抽水井和各觀測井水位變化監測結果如圖2所示。

抽水試驗以定流量Q=51.87L/min進行抽水，僅僅用了1.5min，1號井中的水被抽完，抽水井水位下降迅速，抽出水量總計77.80L，觀測到的水位降深s=2.45m。抽水停止時算起的水位恢復觀測時間t =800mins，水位恢復比較緩慢。2號、3號、4號觀測井水位在整個試驗期間變化十分微弱，水位線緊靠橫坐標軸沒有明顯變化（圖2）。

1.3 填砂排水溝建立后的抽水試驗

黏性土原狀地層打井抽水試驗完成后，按照試驗方案，聘用民工和試驗技術人員一起經過15天的開挖溝槽、填筑砂礫石，建成了預先設計的填砂導水排水溝。待試驗場地地下水位恢復到原始水位后，于2014年7月23—24日，進行了模擬考古場地填砂排水溝建成之后的抽水試驗，仍然以1號井為抽水井，2—4號井為觀測井，抽水設施和試驗方法與原狀土地層抽水試驗基本相同。試驗類型同樣屬于非穩定試驗，試驗全過程監測的抽水井和各觀測井水位變化如圖3所示。

填砂導水排水溝建立后的抽水試驗和水位恢復試驗，平均抽水流量Q=0.84m3/h ，抽水延續時間tp=4.5h，井中水位降至井底后停止抽水，抽水井觀測到的水位最大降深s=2.41m。隨后開始水位恢復，延續恢復時間t =29.5h，直到抽水井、觀測井中水位恢復到了抽水前的靜止水位，即水位埋深0.6m。

2 試驗結果討論

2.1 填砂排水溝建立前的抽水試驗討論

黏性土原狀地層地下水抽水試驗表明，抽水井水位降深從0—2.45m變化，時間僅僅為短暫的90s。在這短暫的時間內抽水井水位迅速下降，圖2所示的水位下降曲線緊貼縱坐標軸。短暫的抽水時間從井中抽出的水量只有0.0778m3（77.8L）。這些水量主要是抽水井井管中的積水，幾乎不包括周圍黏性土地層的滲出水。這說明黏性土含水層雖然處于飽水狀態，但透水性和給水性能很差，不可能在短時間滲出[13-14]。試驗顯示該黏性土地層的滲透系數k=9.4362×10-7cm/s，對應的給水度μ≤0.10。 從水位恢復情況來看，抽水停止后800mins，抽水井水位恢復離靜止水位約0.2m，第二天的觀測表明，抽水井水位需要24—28小時才能恢復到抽水前的靜止水位。這充分說明試驗場地黏性土地層中的水滲入井孔速度是十分緩慢的。

從圖2還可以看出，抽水井水位下降、恢復過程中，觀測井水位幾乎沒有下降的跡象，就是距離抽水井4.5m的觀測井也不例外。仔細觀察才可以發現，在整個試驗進程100mins后觀測井水位有很微弱的下降反映。這一重要現象說明，周圍黏性土地層中的水分緩慢向抽水井補充，也說明場地黏性土滲透性能的確很差。在這種地層中直接打井排水是不可行的，不能達到排水降低水位的目的，不能控制考古現場的地下水。

2.2 填砂溝建立后的抽水試驗討論

人工填砂排水溝建立后的抽水試驗表明，抽水井水位降深從0—2.45m變化，抽水時間需要4.5h，總抽水量達3.86 m3。抽水井水位變化比較緩慢，這說明填砂排水溝具有良好的滲透性能和給水性能，其中所含水量能夠不間斷地向抽水井滲流補充?，F場滲透試驗得到填砂層的滲透系數K=4.463×10-2cm/s，對應的給水度μ=0.32。從水位恢復情況來看，抽水停止1小時內抽水井水位恢復很快，停抽后的8小時內水位恢復較快，然后逐漸變慢，直到25小時后，抽水井水位和觀測井水位均基本恢復到靜止水位。

從圖3可以看出，抽水井水位下降過程中，觀測井水位變化明顯，具有與抽水井水位同步變化的特征，距離抽水井越近的觀測井水位下降越明顯。這說明抽出的水量既包括人工填砂溝含水層中的水、抽水井和觀測井井管中的積水，也包括周圍黏土地層中的少量滲水。從水位恢復曲線來看，水位恢復的時間仍然長達24—30小時，這說明從黏土地層中的地下水滲入填砂排水溝的速度是十分緩慢的，而排水溝中的積水進入抽水井被排出是比較迅速的?？梢?，只要考古探方外圍黏性土中的地下水滲入填砂排水溝，就很容易滲入抽水井被排走，就能夠有效控制黏性土地區考古現場的地下水。

通過填砂排水溝建立前后的抽水試驗可以看出，填砂排水溝的建立顯著地改變了地下水的滲透性能和徑流條件，利用人工建立砂礫石導水排水溝，可以有效控制黏性地層考古現場的地下水，只要及時抽出填砂排水溝中的地下水，就能保證考古探方沒有地下水滲出，就能保證考古工作不受地下滲水的影響。這些效果已經在試驗場地模擬考古發掘后續試驗研究中得到了驗證。

3 結 論

長江下游黏性土層分布地區屬典型的潮濕環境，具有水源豐富、地下水埋藏淺的特征[15]，在這類地區進行考古發掘，往往受到地下滲水的嚴重影響。采取措施有效控制黏性土中地下水，排除地下水對考古現場的干擾，是一項保障考古工作順利進行，保障遺址本體免遭破壞的關鍵技術問題。

黏性土含水層滲透性和給水度極差，直接打井抽水不能排走其中的水量，不能達到降低地下水位的目的，不能遏制滲水對考古發掘的嚴重影響。

現場試驗證明，在黏性土層地下水淺埋地區考古探方周圍建立人工填砂排水溝，能使滲透系數k由9.4362×10-7cm/s增加到4.463×10-2cm/s，

給水度μ由小于0.10提高到0.32，能起到疏導地下水流動和順利排走地下水的作用，能夠有效降低地下水位，防止地下水向考古探方入滲，保障考古工作不受滲水的影響。

人工填砂排水溝不僅能疏導排泄黏性土層中的地下水，而且能夠阻隔黏性土層毛細水的運動。該項技術完全適宜于黏性土層地下水淺埋區考古現場滲水問題的防治，也適用于這類地區遺址陳列館滲水的防治及地下水的控制。

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