高昌故城城墻保護加固研究

阿布都艾尼·阿不都拉

內容摘要：城墻遺址是高昌故城的重要組成部分，在整個高昌故城的空間格局中有著不可代替的作用和地位，有重要的歷史、科學和藝術價值。由于自然因素和人類活動的破壞，現存城墻普遍存在根部掏蝕凹陷、墻體坍塌、裂縫、風化剝落等病害。2005年，絲綢之路（新疆段）大遺址保護項目啟動以來，對高昌故城的西城墻、南城墻、部分內城墻進行了保護加固。從工程實際效果看，城墻遺址得到了較好的保護，然而尚存不少問題和有待提高的地方。本文利用ANSYS有限元模擬計算軟件模擬計算加固前后的應力及位移狀態，結合前幾期保護加固措施，在對其進行效果評估基礎上，對保護措施和施工工藝進行優化，以期對新疆地區的土遺址加固提供參考。

關鍵詞：土遺址；加固效果評估；ANSYS模擬計算；保護措施優化

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2016）05-0150-08

Abstract： City wall sites are an important part of ancient Gaochang for their function and position in the framework of the city， and for their historical， scientific， and artistic value. The remaining walls have suffered from various kinds of deterioration caused by natural factors and human activities， however， including serious damage caused by basal sapping， fissuring， and general weathering. The western wall， southern wall， and part of the inner city of Gaochang have been protected and reinforced since 2005 and the conservation project has been effective to some extent， but there remain some problems regarding conservation methods that need improving. This paper calculates the stress and displacement of both consolidated and unconsolidated walls using ANSYS numerical simulation software and assesses the reinforcement effect of past conservation efforts， then carries out optimization calculations for protective methods and construction technologies， hoping to provide reference for the future conservation of earthen sites in Xinjiang.

Keywords： earthen site； assessment of consolidation effect； numerical simulation of ANSYS； optimization of conservation method

1 引 言

高昌故城位于新疆維吾爾自治區吐魯番市區以東30km處的二堡鄉古城村，是公元前1世紀至公元14世紀之間絲綢之路東天山南麓的第一大中心城鎮，也是絲綢之路現存漢唐城址中唯一保存了三重城郭及原有城墻規模的古代城址。高昌故城于1961年被國務院公布為第一批全國重點文物保護單位，2014年作為“絲綢之路：長安和天山廊道的路網”的一個遺產地被列入世界文化遺產名錄。高昌故城呈不規則正方形，選址在北高南低的臺地上，因地制宜，建造了內外相套的外城、內城和宮城三重城墻（圖1）。

由于自然和人為的因素，古城遺址毀壞的速度逐漸加快，而且還存在著嚴重的結構穩定性隱患以及各種病害。為保護、傳承并利用遺址價值，現有的城墻遺址亟須進行科學保護加固。基于此，本文根據高昌故城的布局及建造特點，在闡明其現存病害的基礎上，利用ANSYS有限元軟件模擬計算加固前后遺址體的應力及位移狀態，結合已有加固工程，對土坯砌補、裂隙注漿加固、表面防風化及頂面封護等措施的加固效果進行評價，并對加固措施進行優化，以期對新疆境內土遺址的加固提供借鑒。

2 城墻布局及建造特點

作為絲綢之路上重要的軍事防御單位，城墻主要由墻體及其附屬設施構成。城墻從結構和功能方面劃分，可分為墻體、馬面、城門（包括甕城）、角臺、雉堞、城壕及城墻附屬設施等。外城墻都是夯筑而成，墻體內外面收分基本相同，收分約為4∶1，與北宋《營造法式》規制基本相一致。內城墻在外城正中，現僅殘存南、西兩面城墻，用含有一定數量砂礫的黃土夯筑而成。內城無馬面和城壕，墻體收分比外城墻大，墻體保存狀況較差。宮城又稱可汗堡，位于內城北部，內有一個約900m2的土臺，上有塔形建筑遺址。土臺西側有下沉式庭院遺址。地面上或疏或密地分布著直徑、深度不等的圓坑，但城垣不存，其分布狀況已不可辨識。

3 主要病害

常年風蝕、雨侵、溫差、凍融、地震、生物侵蝕及人為破壞等因素的影響，使城墻遺址遭到了嚴重破壞，現存城墻普遍存在著墻體坍塌、墻基根部掏蝕、裂縫、風化剝落等病害（圖2）。尤其是根部掏蝕、坍塌及裂縫，極大地威脅著墻體的穩定性。

4 墻體土的基本性質

4.1 遺址土體的物理性質

遺址土的物理性質測試均以《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999）為依據，分別對遺址土的濕容重、干容重、含水率、液限進行測試。遺址夯土及土坯原狀土的各項物理參數見表1。

從表1可以看出，無論夯土還是土坯含水量均很低，且具有較高的干密度，尤其是原狀夯土密度高達1.85g/cm3以上。這就是高昌故城墻體高大，且能保存很長時間的主要原因之一。

4.2 遺址土體力學性質

根據《土工試驗方法標準》（GB/T50123—1999）分別測試夯土原狀土試塊、泥漿試塊、自制土坯試塊的無側限抗壓強度，試驗儀器采用型號為CSS-88100型電子萬能試驗機。試塊尺寸為70mm×70mm×70mm，加壓速度v=1mm/min，最終試塊的破壞形式見圖3，試驗結果均取三組平行樣的平均值，如表2所示。

從所測樣品的抗壓強度來看，遺址土體均有較高的抗壓強度，這和測得較高干密度的結果是一致的。

5 保護加固對策及創新優化

從2005年開始至今，高昌故城搶險加固保護工程先后實施了五期，其中一至四期工程已經竣工，五期工程方案也順利獲得了國家文物局的批復。回顧這四期工程，從工程實際效果看，城墻遺址雖然得到了較好的保護加固，但依然存在不少需要提高和改進的地方。為了更好地保護、傳承、利用城墻遺址，在嚴格遵循文物保護的基本原則和科學規律的前提下，對已竣工的城墻保護項目進行了系統總結，分析了已有的成熟技術和材料，以優化后期保護加固措施和施工工藝，提高城墻遺址保護加固工程的技術含量。

5.1 既有工程措施評估

現根據詳細的現場調查、試驗資料和室內分區試驗資料，以有限單元法為基礎，借助大型有限元軟件ANSYS建立三維有限元模型，數值模擬分析了具有代表性的城墻遺址部分的受力和變形，從理論上對城墻遺址的工程加固措施進行評估。

5.1.1 計算基本假設

1） 土體為彈塑性體，采用摩爾—庫倫模型；

2） 土體基本物理參數參照試驗數據，取最小平均值，其他材料按常規取值；

3） 遺址頂面及凌空面為自由面；

4）荷載作用考慮最不利的組合。

5.1.2 荷載取值

1） 基本荷載數值

5.1.4 墻基掏蝕加固的評估

城墻根部掏蝕凹陷加固的有效措施是凹進行補填。高昌故城城墻，最嚴重且最多見的病害多為根部掏蝕，深度較淺，上方殘存土體穩定性較差，土坯填補是比較適宜的方法，不但便于施工，而且不會對遺址產生震動破壞，同時也符合保護中“可識別”的原則。基于此，選取掏蝕嚴重的墻體為研究對象，擬采用土坯砌補措施來進行加固處理，在自重和風載荷最不利組合的作用下，利用ANSYS有限元模擬計算軟件對加固前后墻體的受力及位移狀況進行模擬計算。計算結果如圖4所示。由圖4可知，加固前墻體承受過大的拉應力，掏蝕嚴重部分存在應力集中現象，極易發生坍塌；并且懸空部分位移過大，亟須進行加固處理。采用土坯砌補加固后，有效地降低了最大拉應力，消除了應力集中的現象，尤其顯著地減小了最大位移，僅為加固前的13%。該措施很好地滿足了墻體結構對穩定性和安全性的要求，因此，采用土坯砌筑措施是合理的。

從圖5可以看出，土坯支護對城墻遺址根部掏蝕區域的加固起到了有效的作用，砌筑后的效果較好，但是需要對原有城體以及新砌筑土坯表分析與定量化評估，進而確定最少干預的標準。

6 結論與展望

通過以上研究分析，我們形成了以下結論和建議：

1）從遺址土的物理力學性質來看，高昌故城遺址土具有較高的干密度和較大的抗壓強度，加之較為干燥的氣候環境，是高昌故城能夠保存至今的主要原因之一。

2）長期的自然和人為因素的影響，使高昌故城亟須進行搶險加固。利用ANSYS有限元模擬計算軟件，通過建模計算，評估了墻基掏蝕加固、裂隙加固、防風化加固、城墻頂面封護等及加固措施的保護加固效果，為下一步工作的開展奠定了堅實的基礎。

3）考古研究為遺址區內一切保護工作的前提，高昌故城內現有考古工作相對薄弱，直接制約了其他工作的開展，建議系統地開展城址的考古，全面揭示遺產的價值。

4）高昌故城作為重要的文化遺產，現有展示設施的缺乏影響了遺產的合理利用。建議吸納和借鑒國際、國內大遺址展示利用的先進經驗，結合高昌故城遺址的特點，創新展示手段和工作方法，提高展示利用的水平。

5）土遺址保護是長期性的工作，應進行定期、不間斷的保護養護和監測，以便積累病害情況和發展趨勢的資料數據。建議按照世界文化遺產監測規程的要求，全面、持續和科學地進行監測，及時掌握高昌故城區域內各類文化遺產的變化，實現世界文化遺產信息化、精細化、智能化管理，為高昌故城的保護和利用提供有效的保障。

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