嘉峪關長城第一墩病害成因及監測技術探尋*

柳君君，張曉東，馬慶珍，許德臣，徐曉君，張翔，陳穎

（1.嘉峪關世界文化遺產監測中心，甘肅嘉峪關735100；2.嘉峪關長城博物館，甘肅嘉峪關735100）

嘉峪關長城第一墩病害成因及監測技術探尋*

柳君君1，張曉東2，馬慶珍1，許德臣1，徐曉君1，張翔1，陳穎1

（1.嘉峪關世界文化遺產監測中心，甘肅嘉峪關735100；2.嘉峪關長城博物館，甘肅嘉峪關735100）

摘要：嘉峪關長城第一墩本體長期受自然和人為損害，特別是經過多年的風雨侵蝕，風化剝落現象十分嚴重。第一墩下方崖壁由于受河水的沖刷、侵蝕，使得崖體底部被掏空，加之自然卸荷等因素的影響，在第一墩東西兩面崖頂地面上形成了大量的裂隙，這些裂隙危及第一墩和明長城的保存。對第一墩本體病害和賦存崖體穩定性進行監測，將能有效預測病害的發展趨勢，達到及時預警、預防危害發生的目的。

關鍵詞：長城第一墩；病害；監測技術

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.03.020

1　概況

長城第一墩位于嘉峪關關城南7.5 km處，是明代長城西端臺墩的起點，又名“討賴河墩”和“頭墩”。它由明代甘肅鎮肅州兵備道李涵筑于嘉靖十九年，依存于討賴河高達56 m的懸崖峭壁之上，原高14.5 m，底邊長、寬均為14.5 m，呈正方形棱錐體。現存遺址長13 m，寬10 m，最高處高9 m，表面積約200 m2。墩臺下河岸崖壁經過數百年的風雨侵蝕、河水沖刷，已發生多次坍塌，致使墩臺的一部分隨著崖壁的沙石塌入河谷。墩臺東側，距河岸邊緣約1.8 m處，有一條長幾十米，寬約10 cm的裂縫直抵墩臺，墩臺底部也出現明顯的裂紋。2002年12月，嘉峪關一帶發生5.6級地震，墩臺西側河岸又開始出現裂縫，墩臺及其載體的穩定性受到極大的威脅。

近年來，為保護墩臺，在討賴河北岸修筑了攔河壩，用以阻隔河水對崖體基礎的沖刷。對墩臺本體結構進行了補強措施，并對墩臺表面進行了防風化加固措施，這些措施對第一墩的安全起到了有效的保護作用。同時，為有效防止崖壁巖體在自重及外力作用下發生傾倒、崩塌等破壞，對第一墩正下方及地下博物館擴建場地下方的崖壁巖體進行了系統錨固工程，區域崖體的穩定性得到了提高。但第一墩至博物館間的崖壁亦有卸荷開裂、下部受河水沖刷、崖體懸空等問題，急需開展對崖壁穩定性的監測。

1.1地形地貌

第一墩位于嘉峪關關城南7.5 km處的討賴河北岸邊緣。墩臺所在地區在地貌上位于祁連山麓沖積扇，受祁連山雪水和雨洪常年沖刷，沖積扇被切割成了一個深深的大峽谷，形成了討賴河。討賴河屬常年性河流，呈“S”型流經墩臺崖體下面場地，由于受河水常年沖刷、侵蝕，在場地內形成了相對高差56 m，寬170 m的“U”字型非巖質大峽谷，峽谷兩側陡峭，峽谷頂部兩側地形相對平坦。場地內主要為古人遺留的長城遺跡。

1.2氣候特征

本區屬溫帶大陸性荒漠氣候，其主要特點是晝夜溫差大、雨量小、蒸發強、日照長。年均氣溫在6.7℃～7.7℃之間，6～7月份最熱，日平均最高氣溫23.4℃，元月份及12月份最低，日平均氣溫-9.8℃；多年平均降水量為87.09mm；春季多風。全年大風（≥8級）達30 d，極端最大風速25.7 m/s，風向西北，平均風速2.4 m/s。嘉峪關市多年標準凍結深度為132 cm，屬季節性凍土。

2　第一墩本體病害現狀

2.1片狀剝離

片狀剝離是土遺址在外營力或內營力的作用下表面疏松起殼，在外力或重力作用下成片狀或小塊狀脫落。其中包含有四種形式，即雨蝕剝離、風蝕剝離、溫度剝離和裂隙剝離。嘉峪關長城第一墩因其所處干旱環境中，溫濕度變化巨大且風力過強，遺址表面的薄弱部分易形成大小不等的脫落（見圖1所示）。

圖1　片狀剝離

2.2酥堿

酥堿是指在水的作用下，土體內部的鹽分在土遺址表面富集，由于鹽分的反復結晶—溶解，土體結構不斷疏松，在外營力作用下土遺址不斷被掏蝕凹進。此類病害主要出現在一墩基礎部位，表現為土質極為疏松，孔隙多，較密集，土體表面疏松，呈粉粒狀掉落（見圖2所示）。

圖2　酥堿

2.3沖溝

由于雨水長期作用，在土遺址表面低洼部分易形成沖溝，主要有裂隙型沖溝和徑流型沖溝。第一墩墩臺由于長期的風化侵蝕、酥堿和塊狀剝落，在其中部形成一個凹陷的聚水區域，該區域受長期短時強降雨作用影響，已經形成一個裂隙型沖溝（見圖3所示）。

2.4裂隙

裂隙是指土遺址在外力和內力綜合因素下形成的裂縫（裂隙），主要有卸荷裂隙、構造裂隙、變形裂隙、建筑工藝裂隙等。一墩本體在強烈日溫差引起的反復脹縮、凍融、卸荷和地震等自然因素影響下產生縱橫交錯的裂隙，主要為卸荷裂隙和沖溝裂隙。長期的雨水侵蝕、沖刷，使裂隙進一步延伸，導致土體逐漸開裂坍塌（見圖4所示）。

圖3　沖溝

圖4　裂隙

3　第一墩賦存環境病害現狀

3.1崖體的病害特征

由于長城第一墩所處的崖壁陡峭，且崖壁下部有討賴河流過，在漫長的歷史年代中，受各種自然因素與人為因素的長期影響，自第一墩西側至博物館下部的崖壁巖體不斷卸荷開裂、風化剝落，崖壁頂部地面出現寬大的裂隙，崖壁整體穩定性逐漸降低。雖然第一墩西側至正下方及博物館處崖壁已進行過錨固處理，但第一墩至博物館之間、博物館東側的崖壁錨固工程尚未完成，此段崖壁仍然存在開裂、坍塌危險。

3.1.1崖體裂隙發育

在崖壁頂部，主要分布有兩條延伸較長、貫通張開的卸荷裂隙，其中1#裂隙（如圖5）距崖壁邊緣約3.8 m，裂隙可見范圍為第一墩東側45～50 m范圍內，崖壁直立，危巖體沿整個崖面連續分布，呈板狀，危巖體主要由厚層礫巖組成，巖質較軟弱，表層巖體風化較為嚴重，常呈鱗片狀剝落。可見長度為45 m，裂隙寬度為2～5 mm；受后部卸荷裂隙切割及風化作用的影響，在該區形成了大面積的板狀和片狀危巖體，崖壁表層片狀危巖體的穩定性較差。若卸荷裂隙繼續不斷向后牽引發展，將影響該區巖體的穩定，更重要的是第一墩本體就在該區正上部，該區巖體是否穩定，直接關系著第一墩本體的安全；2#裂隙（如圖6）距崖壁2.0～5.6 m，裂隙可見范圍為觀景臺至觀景臺以西78 m，可見長度78 m，裂隙寬度為20～800 mm。兩條卸荷裂隙切割崖體，已形成危巖體，該區危巖體主要受后部陡傾卸荷裂隙切割控制，卸荷裂隙走向與崖面走向平行，近直立，表現為上寬下窄，裂隙張開寬度為20～800 mm。危巖體高54 m，寬78 m，厚2.0～5.6 m。危巖體底部受河水淘蝕，局部懸空。危巖體的存在威脅著長城第一墩及博物館的穩定，如不對其進行工程加固，將給長城第一墩、游人和相關設施的安全帶來極大的安全隱患。

圖5　1#裂隙

圖6　2#裂隙

3.1.2崖底河流沖刷

討賴河出山口徑流呈明顯的季節性變化，一般規律是：冬季由于河流封凍，地下水補給，是徑流的最枯時段，1～3月徑流量占年徑流量的7.1%，3月以后，隨著氣溫升高引起融雪和解凍，徑流量增大，4～5月徑流量占年徑流量的11.8%；夏秋雨季是流域降水較多而且集中的時期，6～9月的徑流量占年徑流量的55.7%，10～12月為河流退水期，徑流量占年徑流量的25.4%。歷史上，討賴河水常年從崖壁基礎流過，對崖壁基礎沖刷十分嚴重。嘉峪關市政府從2013年開始的《討賴河嘉峪關市區段生態環境治理工程》，在第一墩所處的崖壁底部修建了一條攔河壩，用以隔離討賴河對崖底的沖刷，從而對崖壁基礎起到了一定的保護作用。（如圖7）

圖7　第一墩崖壁基礎處討賴河攔河壩

3.2病害成因分析

3.2.1地形地貌及地層巖性是崖壁穩定性差的內因

該段崖壁由于河水的沖刷、侵蝕，已經形成了一相對高差56 m、寬170 m的非巖質大峽谷，峽谷壁陡立，在坡腳處形成應力集中，坡頂邊緣部位在卸荷作用影響下，易形成拉力帶，產生卸荷裂隙。從野外實地觀察，其谷壁巖性均為Q3apl卵石，泥質膠結，巖體膠結強度較低，整體性差，易于變形失穩。

3.2.2河流沖刷和地震影響是崖壁巖體失穩的直接原因

工程區崖壁位于討賴河河岸的邊緣，由于河流在此河谷坡降大，平均流速高，特別是7～8月份洪峰時流量劇增，水流具有較大的輸沙能力，為侵蝕性河床。流水對河床及河岸的沖刷侵蝕，會引起岸坡巖體的崩塌，使上部臨空側陡立崖壁失去部分支撐。此外河水的浸泡，使坡腳部位巖體中的泥質膠結軟化，造成巖體強度降低，加劇坡腳部位的應力集中，為崖壁失穩埋下隱患。

3.2.3地表水沿裂隙流入對弱化崖壁巖體穩定有重要影響

由于現有卸荷裂隙張開，雨季時降雨沿裂隙流巖體，本區巖體在遇水的情況下極易軟化，導致裂隙切割深度不斷增加，危巖體與母巖剝離面積擴大，危巖體穩定性變差。

4　監測內容及方法

4.1本體監測

4.1.1整體外形監測

三維激光掃描技術是近幾年發展起來的一種新技術，具有掃描精度高、速度快、多方位、無接觸、易操作等特點，在文物保護測繪工作中得到越來越多的應用。

三維激光掃描儀可以將三維點的坐標通過控制點轉換到相對應的地面坐標系中，因此模型的每一個點都有規定坐標下的真實坐標，可以對模型進行測繪，從而避免與目標直接接觸，最大程度地減少對文物本體的損害。運用三維掃描儀對一墩本體進行掃描，獲取一墩本體的三維點云數據就可以建立三維數值模型，對模型進行直接測繪，可得出一墩本體的體積、面積、裂縫、坍塌缺失等量化值。將兩次定期掃描的圖片在同等對應位置進行平面切割，將可以對比計算出墩臺表面風化脫落、酥堿、雨水沖蝕、坍塌缺失等外形病變發展的趨勢和速率。根據監測結果可及時準確做出預警評估，采取相應保護措施。對一墩本體的三維掃描可初步確定為1年掃描一次。

4.1.2裂隙監測

為了避免對本體造成破壞，對本體裂縫的監測可考慮應用三維掃描儀和遠距離裂縫觀測儀相結合進行監測。在裂縫病害正面設站，進行精細的三維掃描，通過掃描結果分析計算出裂縫的深度及長度信息。也可以選擇在冬季和夏季定期掃描兩次，將兩次掃描的結果進行量化分析，計算出裂縫在溫差變化下發展的趨勢；采用無損的遠距離裂縫觀測儀，定期對本體存在的裂縫長度、各處寬度、最大寬度等進行監測，這樣既能彌補三維掃描儀掃描代價高、分析技術難度大的缺陷，又能結合三維掃描儀對裂縫的精細掃描數據，綜合掌握裂縫整體變化趨勢和速率。

4.1.3沖蝕監測

一墩本體受所處地區氣象環境的影響，遭短時強降雨破壞顯著，為了更好地對雨水沖刷情況進行監測，有必要在雨水沖蝕嚴重部位安裝一個帶刻度的探針，進行水土流失監測。安裝位置可選在水流最急、流速最快、沖刷最為嚴重的部位。經現場勘查，水流最急部位離地面約1.5 m，安裝在此處也便于巡查人員讀取數據。巡查人員定期去現場讀取探針表面刻度位置，通過和歷史讀數的對比，計算出探針安裝部位的水土流失量。此探針體積小，安裝時對本體破壞小，屬不銹鋼材質，耐腐蝕，刻度也可保持多年不腐蝕不變形，且無需供電，屬于純物理測量儀器，方便觀測。

4.2賦存環境監測

4.2.1氣象環境監測

第一墩所處地區屬溫帶大陸性荒漠氣候，具有日照強、溫差大、降雨時短但強度大、蒸發量大等特點，第一墩本體又位于崖壁頂層，位置突出，周邊為荒漠戈壁，無以遮擋，使得風力、溫濕度、日照輻射等氣象因素對本體病害的影響明顯，因此有必要在第一墩設立全自動氣象站，對其所處氣象環境進行實時監測。實時監測內容包括風速、風向、溫度、濕度、雨量、蒸發量、日照時間、太陽輻射八要素。通過對氣象的八要素進行監測，能有效分析出風力、雨量、蒸發量等因素對本體的破壞情況，并做出準確評估。

4.2.2崖體裂縫監測

第一墩本體所賦存的崖壁受多種因素的影響，其崖頂地面上形成了大量的裂隙，嚴重威脅著本體的穩定性，必須采取有效的監測手段。因崖壁開裂程度較嚴重，在巖體深部安裝實時監測儀器的施工難度大，危險系數高，因此，監測重點只能考慮以地表位移和裂縫監測為主。可在崖頂裂縫處埋設雙向測縫計，這樣就能同時監測崖壁裂縫的縱向和橫向變動情況，及時預見其位移和開裂的速率，達到預警目的。

5　結論

5.1病害分析

通過大量的實地調查及分析，嘉峪關長城第一墩遺址本體的主要病害有片狀剝離、酥堿、沖蝕、裂隙等，其賦存環境的病害重點是崖壁的懸空和卸荷開裂。病害是在遺址自身因素與環境影響因素的共同作用下形成的。環境影響因素主要為風蝕、雨蝕、溫濕度變化、河流沖刷、地震等。分析嘉峪關長城第一墩遺址發育的主要病害及其成因，將有利于對該遺址采取科學合理的監測措施，達到預警作用。

5.2監測方式

以安裝固定監測儀器進行實時監測為主，輔以便攜式監測儀器開展日常監測。日常監測可使用探地雷達監測墩體土內的空洞、滑移斷層；用全站儀監測第一墩的地基、墩身局部下沉或鼓起變形；用鹽分計和水分計監測墩體土質鹽堿度。

5.3監測儀器的選型

監測儀器要求能適合現場條件，長期穩定性好，并能滿足工程的精度和量測。數據采集和發射裝置要求能與已開發的世界文化遺產監測預警管理信息平臺對接，能夠實時將數據傳輸回軟件平臺。

5.4監測布置上的總體考慮

考慮到其賦存崖體對一墩本體的危害現狀，在監測布局上既要兼顧墩臺整體穩定性監測，更要關注崖體局部開裂、崩塌等危害性的監測；考慮到監測施工的安全性，以巖體表面位移監測為主。

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中圖分類號：K878

文獻標識碼：A

收稿日期：2016-1-12 項目基金：2014年甘肅省文化遺產保護領域科研項目“嘉峪關世界文化遺產監測需求研究”（GWJ2014021）。

作者簡介：柳君君（1983-），女，漢族，甘肅平涼人，碩士，文博館員，主要從事文物保護及文化遺產監測工作。