陜北明長城夯土密度與雨蝕破壞的量化研究

姚 雪

(1. 西南民族大學旅游與歷史文化學院，四川成都 610071； 2. 西北大學文化遺產學院，陜西西安 710069)

0 引 言

明長城是重要的世界文化遺產，大部分處于室外露天環境下保存。根據《陜西省明長城資源調查報告》，現存的明長城保存狀態堪憂。陜西省的明長城(明代延綏長城)分布在陜北榆林市，根據現場調查，降雨是陜北明長城的主要破壞因素之一[1-7]。明長城的雨蝕破壞模式分為干濕破壞、沖刷破壞和坍塌破壞[4]。目前，大多數對土遺址雨蝕的研究集中在病害調查和成因分析方面，對雨蝕形成過程中降雨和土遺址的相互作用研究較少。作者在前期研究中對五種長城典型遺址在大到暴雨條件下的雨蝕破壞特點和破壞過程進行了定性分析[6-7]，并發現夯土性質和雨蝕破壞模式間存在一定相關性。為完善前期研究成果，明確該地區土遺址的雨蝕發育過程，探索雨蝕量和夯土密度間的量化關系，本次研究借鑒土壤水蝕模型的研究方法和基本結構[8-18]，擬初步建立適用于當地特定條件下的夯土密度和雨蝕程度之間的量化關系。研究結果為探索多因素作用下夯土雨蝕的破壞機制提供方法借鑒，是土遺址病害機理研究的重要組成部分。

1 試驗設計

榆林市榆陽區境內明長城大多數(90%以上)采用當地原生黃土夯筑而成[4]。本次研究采用當地原生黃土，參照榆陽區明長城原狀土的工程參數，夯筑重塑樣，表1中為重塑土的工程性質。重塑樣外型按照保存較好的明長城單體建筑外形設計[3-5]，底面為邊長15 cm(d=15 cm)的方形，整體為向上有一定收分的臺體，按照單體建筑的1∶40大小夯筑。夯筑方法參考《秦漢時期長城墻體構筑工藝研究》[19]，夯筑參數來源于明長城搶險加固工程勘察設計資料。降雨設備采用組裝的人工降雨裝置模擬當地天然降雨。土壤雨蝕量的測量借鑒水土保持學和土壤侵蝕學中相關方法[16]進行，對降雨過程中產生的大塊坍塌土采用寬口膩子刀迅速鏟出，單獨收集，稱量其濕重后，攪拌均勻，采用烘干法測量含水率后計算坍塌土干重，對含沙水流中的含沙量采用比重瓶法測量，坍塌土重和含沙水流中含沙量質量之和為土壤雨蝕量[3]。

當地原生黃土的天然含水率極低在3%左右，干密度在1.5～1.9 g·cm-3之間。為保證重塑樣的工程性質最大限度上和遺址土類似，同時考慮到自然環境中結露、前期降雨等因素對土體含水率的影響，將試驗含水率區間設置為3%～7%。按照等間距原則，試驗設定重塑樣質量含水率3%、5%、7%，密度ρ為1.5 g·cm-3、1.6 g·cm-3、1.7 g·cm-3、1.8 g·cm-3、1.9 g·cm-3。為保證降雨效果，重塑樣設計為底邊長為15 cm的立方體，分層夯筑，脫模后放置避光通風處養護28 d。試驗以土體密度表征土體強度，以流失土干重表征夯土雨蝕量。

表1 土的工程性質表Table 1 Engineering properties of soil

試驗采用模擬降雨系統進行，(圖1)降雨器距地面高度2 m，實際降雨面積4 m2，降雨范圍內均勻系數大于0.8[3-4]。降雨強度和水壓呈線性關系，雨滴直徑、雨滴終速度符合水土保持學領域關于人工模擬天然降雨的參數要求[22-23]，滿足本次試驗研究需求。具體率定試驗及過程見參考文獻[3]和[4]。結合水土保持學研究成果[24-27]和前期研究成果[3-4]，短時間高強度的侵蝕性降雨是引起當地土壤侵蝕的主要降雨類型[24-27]。設計試驗降雨強度為0.9 mm·min-1(1964—2012年降雨強度極大值)，降雨時長為45 min(1964—2012年侵蝕性降雨的最長降雨歷時)[4]。

圖1 室內模擬降雨發生裝置Fig.1 Laboratory simulated rainfall equipment

2 試驗結果及分析

2.1 密度對雨蝕破壞模式的影響

2.1.1 密度夯土的雨蝕破壞模式 密度1.5 g·cm-3和1.6 g·cm-3的重塑樣品密度小，孔隙率大，這兩種密度的樣品代表當地風化程度較大、保存狀態較差的長城遺址。下面以密度為1.5 g·cm-3樣品的雨蝕破壞過程為例進行分析。

降雨啟動，樣品表面逐漸濕潤，雨水迅速滲入表面疏松的土顆粒間隙，逐漸緩慢的提高表層土體含水率，使表層土顆粒完全濕化(圖2)。一段時間后，樣品頂部出現積水(圖3)。試驗中，樣品的基礎含水率越高，土體飽和、出現積水的時間越短。

圖2 ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%土體表面無積水(2′37″)Fig.2 No water accumulation (2′37″)on the surface of soil sample (ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%)

土壤侵蝕學研究表明，雨滴濺蝕分散土壤顆粒使表層土體“板結”形成結皮層，這是造成土壤徑流(即沖刷破壞)的主要原因[2]。500倍掃描電鏡下觀察該試樣(圖4)，夯土樣品顆粒粗大，孔隙較多，細小顆粒間形成較大團聚體，團聚體間的疏松孔隙為雨水下滲提供通道，不易形成結皮層。

圖4 ρ=1.5 g·cm-3夯土SEM圖像Fig.4 Microstructure of soil sample (ρ=1.5 g·cm-3)

試驗中降雨通過疏松孔隙迅速入滲，沒有表現出徑流和沖刷破壞但內部含水率逐漸增大。降雨結束后，土體外觀保持完整(圖5)，但微小的震動即可引起樣品局部重力侵蝕甚至整體坍塌(圖6)。巖土力學中關于土質邊坡穩定性的研究成果表明[28-35]，土質邊坡坍塌是由于降雨導致土體內摩擦角和粘滯系數(c、φ)減小抗剪強度降低造成的，當某一滑動面的剪應力小于其重力時就會發生坍塌。圖6顯示土體內部完全浸潤，沒有明顯浸潤線，據此推測樣品的整體坍塌是土體內部含水率逐漸增加、抗剪強度逐漸降低的結果[28-35]。在無振動條件下，樣品保持極限平衡當土體內部平衡被打破時，重力侵蝕發生。

圖5 ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%降雨結束土體保持完整Fig.5 Soil sample (ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%)still complete after the rainfall

圖6 ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%土體完全浸潤坍塌Fig.6 Soil sample (ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%)saturated and collapsed

密度小于等于1.6 g·cm-3的低強度夯土重塑樣的破壞過程具有以下特點：雨水滲透迅速，但土體飽和所需時間較長，降雨過程中沒有表現出水力侵蝕和局部重力侵蝕現象，降雨結束后樣品基本保持原始形狀，但處于極限平衡狀態，微小震動即可引發重力侵蝕。

以密度1.5 g·cm-3和1.6 g·cm-3為代表的低強度夯土的破壞模式如下：在土體飽和前，降雨主要用于緩慢增加土體內部含水率，由于不易形成結皮層，試驗中不表現出水力侵蝕現象(沖刷作用)，因水力侵蝕產生的土體雨蝕量較低，降雨結束后，樣品容易發生整體坍塌。

2.1.2 高密度夯土的雨蝕破壞模式 密度1.7 g·cm-3～1.9 g·cm-3的重塑樣土顆粒較小，結構致密，孔隙率較小。它們代表調查中保存狀態較好、強度相對較高、風化程度較低的夯土長城。

以密度1.8 g·cm-3含水率3%夯土為代表的強度較高的夯土的雨蝕破壞過程如下。降雨開始，樣品頂部迅速出現積水(圖7)，積水難以滲入樣品內部，向有一定傾斜角度的立面流淌形成泥漿(圖8)，隨著降雨持續進行，樣品頂部邊角部位開始發生局部重力侵蝕(圖9)，隨后發生大范圍的坍塌(圖10)，重力侵蝕是水力侵蝕繼續發展的不良后果。圖11為該樣品試驗結束后狀態，泥漿流淌，發生坍塌，形制發生一定改變。測試樣品的浸潤深度，頂部4 cm完全浸潤，立面約2 cm完全浸潤，樣品內部保持原始狀態。

根據參考文獻[2]中關于徑流形成條件的闡述，結合圖12，ρ=1.8 g·cm-3土樣的500倍掃描電鏡圖像，分析高密度重塑樣出現這種破壞形式的原因。高密度樣品在制作時經過多次夯實，疏松的團聚體分散成為粒徑較小的土顆粒(圖12)。降雨試驗開始，表層土體迅速吸水，由于密度大，結構致密，容易形成結皮層。當降雨強度大于土的滲透系數時，積水產生，徑流形成。表層土體逐漸吸水飽和，抗剪強度逐漸降低，當抗剪強度小于飽和土體的自身重力時，局部重力侵蝕發生。由于結皮層的形成和土體自身結構致密，短時間高強度的降雨無法持續滲入樣品內部，因此，降雨結束時，內部土體保持原狀。

圖7 ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%土體表面迅速積水(1′50″)Fig.7 Rapid appearance of water accumulation (1′50″ )on the surface of soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%)

圖8 ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%土體出現徑流(3′20″)Fig.8 Appearance of a stream flow (3′20″ )on the soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%)

密度大于等于1.7 g·cm-3的高密度夯土破壞的過程呈現出如下特點：降雨滲透緩慢，表層土體迅速飽和，形成徑流，邊角部位容易發生局部重力侵蝕；降雨無法完全滲透土體內部，僅有表層(2～4 cm)土體完全浸潤，樣品有明顯的浸潤線。

密度大于等于1.7 g·cm-3的高強度夯土的破壞模式表現為明顯迅速的沖刷作用和局部重力侵蝕。試驗中發現，夯土密度越大，沖刷作用越明顯，沖刷造成的雨蝕量越大；夯土密度越小，滲透作用越明顯，沖刷作用減弱，沖刷造成的雨蝕量相對越小。

圖9 ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%土體小規模掉塊(4′48″)Fig.9 Partial dropping (4′48″)the soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%)

圖10 ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%頂部坍塌(8′59″)Fig.10 Collapsing (8′59″) of the top of the soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%)

圖11 ρ=1.8 g·cm-3 ，ω=3%降雨結束后土體現狀Fig.11 State of the soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%) after the rainfall

圖12 ρ=1.8 g·cm-3夯土SEM圖像Fig.12 Microstructure of soil sample(ρ=1.8 g·cm-3)

2.2 夯土密度與雨蝕破壞的量化關系

文獻研究結果表明，土體的前期含水率對雨蝕量有直接影響[14-15]，對不同含水率狀態下的夯土密度和雨蝕量(不包括降雨結束后發生整體坍塌的干土質量)間的關系進行研究，表2為三種含水率狀態下不同密度樣品的雨蝕量，圖13為雨蝕量和密度間的回歸曲線。

圖13 土體密度-土體流失量回歸關系圖Fig.13 Regression relationship between density and loss mass of soil

密度和雨蝕量關系圖顯示，試驗的三種含水率區間(3%～7%)內，夯土密度越大由于沖刷作用產生的雨蝕量就越大。

含水率3%夯土密度-土體流失量回歸方程為：

Y=73.55209-2292.29408e(-ρ/0.40906)，R2=0.97

表2 夯土重塑樣密度-土體流失量表Table 2 Data of rammed earth density-soil loss mass

含水率5%夯土密度-土體流失量回歸方程為：

Y=19.78651+0.31913e(ρ/0.41825)，R2=0.87

含水率7%夯土密度-土體流失量回歸方程為：

Y=41.86364+4.53303E-9e(ρ/0.0834)，R2=0.97

其中：Y為單場降雨下的土體流失量；ρ為夯土密度；三個回歸方程的相關系數均在0.85以上，置信度可靠。

綜上，當土體含水率在3%～7%區間內，夯土密度在1.5～1.9 g·cm-3區間內，短時間高強度降雨條件下，夯土的密度和雨蝕量呈指數函數關系，區間內遞增，基本形式為

Y=y0+Ae(ρ/t)

其中：Y為土體流失量；ρ為土體密度；y0、A和t均為大于0系數。

從方程表達式上看，短時間高強度的降雨會導致強度越大的夯土樣品因沖刷導致的雨蝕量越大。這是因為試驗設計的降雨條件下低強度夯土的雨蝕破壞仍處于量變積累階段，由沖刷作用引發的土體流失量較少。而高強度夯土已經進入水力侵蝕快速發育的階段，由于水力侵蝕產生的土體流失量相對較大。

這一數學模型在土體含水率3%～7%范圍內、榆陽區當地降雨條件下可以比較客觀地反映長城遺址受降雨沖刷的情況。但是，以土體流失量作為單一指標衡量夯土的抗雨蝕強度具有一定片面性。受土體孔隙率影響，低強度夯土在侵蝕性降雨過程中表現為內部含水率緩慢持續增高，不表現出徑流、沖刷、掉塊等作用，土體流失量相對較小。但這并不表示降雨對低強度夯土的破壞小。降雨導致低強度土體內部含水率增高、抗剪強度降低、安全系數降低，極大增加了低強度夯土坍塌的風險。在今后的夯土雨蝕機制研究中應綜合考慮到外形、結構缺陷等參數，綜合考慮多種因素耦合作用下夯土的雨蝕破壞程度，建立完善的多因素耦合作用方程，以達到預測夯土文物雨蝕的目的。

3 結 論

1) 在設計降雨條件下(短時間高強度侵蝕性降雨)，低密度夯土重塑樣(1.5 g·cm-3和1.6 g·cm-3)的雨蝕破壞仍處于提升土體內部含水率的積累階段。高密度夯土重塑樣(1.7～1.9 g·cm-3)的雨蝕破壞形式表現為水力侵蝕中的沖刷破壞和局部重力侵蝕。

2) 土體含水率在3%～7%區間內，由于沖刷作用產生的夯土雨蝕量和夯土密度呈指數函數關系，表現形式為Y=y0+Ae(ρ/t)，其中，Y為土體流失量，ρ為土體密度，y0、A和t均為大于0系數。在土體含水率3%～7%，土體密度1.5～1.9 g·cm-3條件下呈現增函數關系，即夯土密度越大，由于沖刷作用導致的夯土雨蝕量越大。

3) 結合實際降雨條件，夏季的短時間集中爆發式降雨對保存較好，風化程度低的遺址的整體穩定性影響不大，但沖刷破壞造成的泥漿流淌影響遺址外觀。保存較差、風化程度較高的遺址表現為干濕破壞，整體穩定性下降，發生坍塌破壞的風險增大。

4) 以土體流失量作為單一指標衡量夯土耐雨蝕程度是不全面的，容易忽視降雨增加的夯土發生坍塌破壞的風險。在今后的研究中應綜合考慮到遺址外形、結構缺陷等在雨蝕過程中的作用。