淮安板閘遺址的結構安全評估與保護設計研究

張承文，淳 慶，莊 劍，李釧源

(1. 東南大學建筑學院，江蘇南京 210096； 2. 南京大學建筑規劃設計研究院有限公司，江蘇南京 210093)

0 引 言

2014年10月，淮安市生態新城“板閘風情街”建設項目在施工過程中發現地下大量條石。淮安市博物館隨即對其進行了實地調查和勘探，確定地下埋藏的石砌建筑為一座明代板閘遺址，經國家文物局批準，淮安市博物館于2014年11月至2015年1月和2015年4月至9月對遺址進行了兩次發掘，發掘總面積2 000余平方米，板閘及其河道才得以再現天日[1]。淮安板閘遺址保存狀況良好，年代明確，遺跡豐富，為世界遺產大運河增添新的重要內涵和材料，同時對研究明清水利史、運河史、明清兩代稅收史、古代水利工程學、古建筑學等都具有重要的意義和價值。

目前，國內外學者對水閘結構和古代磚砌遺址的研究[2]與保護工作已有一些探索。徐桂玲等[3]通過室內試驗對通古斯巴西古城遺址土的物理、力學、水理和化學性能進行測試，測定了不同PS濃度加固后遺址土重塑土塊抵抗風蝕雨蝕能力的差異，進一步確定了PS的滲透加固措施對土質文物的防風化及雨蝕效果；容波等[4]通過對比分析了當前考古發掘現場出土脆弱遺跡所常用的石膏提取、聚氨酯泡沫提取、環十二烷提取以及薄荷醇提取等幾種方法的使用情況，對它們的提取工藝及性能做出了評述；劉東坡等[5]采用無損方式對定型加固劑浸漬液即時濃度進行分析，并對冷凍干燥終點進行預測，采用這種無損技術成功地對志丹苑元代水閘遺址出土的30件木構件進行真空冷凍脫水定型處理。張金風[6]針對磚石結構古建筑的特點，對磚石結構古建筑修繕的特性提出問題及相應建議。朱才輝等[7]以陜西榆林衛城為研究背景，對磚墻砌體及夯土材料力學特性進行原位測試和室內試驗，再基于數值方法來綜合評判磚-土結構劣化及入侵建筑物在拆除過程中古城墻的整體穩定性和受力性態。盧羽平[8]對耿樓節制閘進行了Ansys二次開發建模計算，研究了混凝土水閘結構的非線性求解問題；陳頁開[9]基于對剛性和柔性擋墻土壓力的研究，在充分考慮土與結構的相互作用的基礎上，用指數函數描述作用于擋墻上土壓力與墻體位移的相互關系，提出了一種考慮位移的土壓力計算方法；Yan等[10]以某高速公路加寬工程為例，建立了18m以下重力式擋土墻的有限元模型，研究了擋土墻外位移與內側產生的拉應力及擋土墻后土體的壓實程度之間的關系；Li等[11]采用上限定理、混合數值離散化和線性規劃相結合的方法，研究了砌體擋土墻邊坡的極限承載力；Invernizzi等[12]以博洛尼亞的阿西內利塔為例，提出了一種考慮砌體損傷和開裂各向異性的計算公式。

綜上所述，目前國內外學者主要是對古建筑、古代城墻或古塔等砌體結構遺產以及現代水閘進行了研究，而對古代水閘遺址的結構性能和保護技術的研究鮮有報道，淮安板閘遺址是典型的明清官式做法，與現代水閘、其他砌體結構遺產在形制和構造上有明顯的不同，因此對其進行結構分析和保護措施的研究是十分有意義的。本工作首先通過現場測繪調研，獲得板閘遺址的幾何尺寸和結構構造，然后再對板閘遺址的殘損進行分析，找出其顯見的病害，然后進行遺址本體非線性有限元計算，得出結構隱在的病害；最后給出板閘遺址主體科學合理的保護方案。

1 板閘遺址基本情況

1.1 形制分析

板閘在古代又稱牐或碶，是對水流實施控制的水工建筑。板閘的出現，是古代水工建筑發展的重要標志之一。中國古代水利工程中，板閘應用十分廣泛，如灌溉、供水工程，航運工程，治河防洪工程。此次考古發現的板閘，即是應用于運河航運的工程，其相關尺寸如圖1所示。

圖1 淮安板閘與清工部《工程做法則例》中石閘對比

將淮安板閘遺址的做法與清工部《工程做法則例》[13]中的“石閘部分名稱圖(壹孔閘)”(圖1c)的做法進行對比分析(表1)，淮安板閘遺址的形制、結構和構造與清工部《工程做法則例》中的做法較為一致，屬于典型的明清官式水閘做法。

表1 清工部《工程做法則例》中石閘部分與淮安板閘的相關對比

1.2 殘損現狀分析

經過了數百年的自然與人為破壞，雖然板閘遺址的整體格局較為完整，但其存在一定程度的殘損病害。如圖2a所示，在西閘墻雁翅位置的墻面石上發現有若干凹窩，距閘底2.8～3.5 m高：一種為柱形凹窩，內部較為平整，深度較淺；另一種錐形孔，外大內小，深度略深。東閘墻整體和西閘墻正身部分則未見此類凹窩，似系行船撐篙形成。閘墻自底以上2.8 m高的條石皆可見清晰的水流沖刷痕跡。閘體未見明顯自然沉降，局部有結構通縫(即貫穿截面的裂縫，裂縫走向如圖2a所示)與淺表性裂縫(即結構表面的淺層裂縫，裂縫區域如圖2a所示)；石材本體保存完好，局部有石塊破損或斷裂，下層石受水流沖刷，可見淺表性風化現象；石條表面常見明顯黃褐色水銹、粘結材料基本完好，局部有缺失；如圖2b所示，閘底開挖期間，局部見閘體底部木板隆起現象。閘底局部木板嚴重缺失，鐵釘銹蝕，缺失較多，整體木材嚴重腐朽。這些殘損病害已經影響到板閘遺址的結構安全。

圖2 淮安板閘殘損情況

2 數值計算

2.1 計算依據

淮安板閘遺址為17～26層條石壘砌而成，條石之間有的用鐵扒鋦連結加固，閘門寬6.3 m，位于閘墻偏南位置，兩邊中間有2個對稱的閘槽，長0.25 m，寬0.16 m。閘體由上迎水雁翅、正身、下分水雁翅組成。板閘遺址總占地面積約2 600 m2(含閘墩)，實際發掘面積445 m2(以閘底計算)。板閘全長57.8 m，寬6.2～56.2 m，殘高5.2～7.8 m。

參考《板閘遺址保護與展示工程巖土工程勘察報告》(工程編號：171302)，遺址場地內各層土從上往下依次為填土(平均厚約2.47 m)、粉土(平均厚約1.77 m)、黏土(平均厚約5.98 m)。本場地為相對穩定區，屬穩定場地。場地內布設了較多木樁，經確認，起到穩定土層作用。根據巖土工程勘察報告，板閘遺址下部的黏土層的樁土復合地基承載力特征值為140 kPa。分析截面各土層力學參數及幾何尺寸如表2所示。

表2 淮安板閘周邊土體力學參數與幾何尺寸

2.2 傳統計算方法

根據現場測繪圖紙，取最不利幾何條件(板閘墻體高度較高和墻體厚度較窄處)，確定簡化后板閘主體如圖3所示。

圖3 淮安板閘周邊土體分布情況

墻體高度按最不利土體分布及最高墻體處截面，偏保守取值8.0 m，墻厚1.8 m，考慮沿墻厚度方向12.0 m土體產生的側壓力(按最較不利截面處土體寬度，偏保守取值)。

用參考文獻[14]中的傳統計算方法，對板閘遺址的結構安全性進行計算，計算主要過程及結果如表3所示。計算結果表明，淮安板閘主體及周邊土體滿足抗滑移、抗傾覆、抗破壞等強度與穩定性要求。

表3 淮安板閘傳統計算方法驗算表

(續表3)

2.3 非線性有限元計算

2.3.1有限元模型建立 傳統方法驗算過程由于計算方便的要求，對于結構進行了過分簡化，驗算的內容也過于簡單，無法考慮遺址本體三維空間效應和平面不規則形狀效應，也沒有考慮結構的非線性效應，因此為了進一步了解板閘遺址的結構安全狀況，本工作采用Ansys軟件建立了板閘遺址主體實體模型并進行了非線性有限元數值分析。

根據現場勘察調研，板閘遺址主體結構由側墻石砌體和夯土復合承重，較為復雜，且殘損嚴重，整體性差，為方便建模計算，假定：對墻體現有的孔洞裂縫等先進行了補砌和修補，將墻體簡化為各向同性連續均質材料[15]。

幾何外觀尺寸按現場實際測繪尺寸，近似按雙軸對稱考慮，取主體結構整體的1/4建立模型。有限元網格如圖4所示。單元類型為SOLID95單元(填土，粉土和黏土，采用Drucker-Prager模型)和SOLID65單元(主體結構，采用William-Warnke模型，考慮開裂和壓潰)，單元邊長約為0.5m，單元數目約為5.2萬。不同土體間采用了節點耦合，對稱剖切面采用對稱約束。

圖4 板閘遺址的有限元模型

在計算模型中，水壓力(側壓力)作為面荷載直接加在主體結構上。填土上的附加堆載取10kPa(考慮游客和附加建筑小品等)。

對主體結構在4個工況組合作用下的裂縫、變形和應力及地基應力進行了非線性分析：

1) 自重+土壓力，主要模擬土體側推力的影響；

2) 自重+土壓力+附加堆載，主要模擬土體側推力及附加堆載的影響；

3) 自重+土壓力+水壓力，主要模擬土體和地下水的側推力影響，地下水位高度為0.6 m；

4) 自重+土壓力+水壓力+0.75×附加堆載，考慮2)、3)的組合影響。模擬土體和地下水的側推力與附加堆載的組合，附加堆載考慮適當的折減，地下水位高度為0.6 m。

考慮閘體與土體間的接觸，結合檢測數據、地勘報告和砌體規范，并按偏保守的原則取值，板閘遺址主體材料和板閘遺址周邊土體參數分別如表2和表4所示。

表4 板閘遺址主體的材料參數表

2.3.2有限元分析結果 分4個方面論述。

1) 工況1(自重+土壓力)作用下。基體的拐角即曲率變化較大的位置出現裂縫，未出現二級及以上裂縫，如圖5a所示；仍未出現壓碎區域(圖5c)。從第一主應力云圖(圖5b)可見，雖然開裂后局部應力得到了釋放和重分布，但應力仍較大。主體結構的變形(圖5d)較小，約為10 mm。黏土壓應力(圖5e)最大值為0.32 MPa，大于0.140 MPa，通過分析發現，主要為墻體下部土層第三主應力較大，因此建議現場施工時對墻體下方土層進行適當加固處理，粉土壓應力(圖5f)基本滿足承載力要求。

圖5 工況組合1(自重+土壓力)分析結果

2) 工況2(自重+土壓力+附加荷載)作用下。拐角處裂縫進一步擴展，拐角處出現了較多二級裂縫，其余地方依然沒有出現裂縫，如圖6a所示；仍未出現壓碎區域(圖6c)。從第一主應力的云圖(圖6b)可見，雖然開裂后局部應力得到了釋放和重分布，但拐角尖端區域的應力仍較大。主體結構的側向變形較小(圖6d)，總位移值約為11mm左右，遠遠小于規范限制值。填土的承載力滿足要求(圖6e)。粉土此時出現壓潰區(圖6f)，但壓潰區較小可認為滿足安全要求。墻體附近黏土S3應力較大(圖6g)，需要采取可靠的措施來保證土層穩定性。

圖6 工況組合2(自重+土壓力+附加荷載)分析結果

3) 工況3(自重+土壓力+水壓力)作用下。

和工況1相比，在工況3作用下，雖然浸水使得土重改為浮容重而減小了土壓力，但水壓力會帶來附加的不利影響，此時由于不均勻受力使得板閘外側上部拐角處出現了三級裂縫，如圖7a、b所示；仍未出現壓碎區域(圖7d)。從第一主應力的云圖(圖7c)可見，拉應力依然較大，裂縫會繼續出現。主體結構的側向變形較小(圖7e)，整體位移在10 mm左右。圖7f～7h所示，填土的S3值變大，但依然滿足要求。粉土出現壓潰區，壓潰高度為0.5 m左右。墻體附近黏土S3應力較大，需要采取可靠的措施來保證土層穩定性。

圖7 工況組合3(自重+土壓力+水壓力)分析結果

4) 工況4(自重+土壓力+水壓力+0.75×附加堆載)作用下。裂縫長度擴展，且三級裂縫繼續發展，如圖8a所示；但未出現壓碎區域(圖8b)。從第一主應力的云圖(圖8c)可見，拉應力依然較大，裂縫會繼續出現。主體結構的側向變形較小(圖8d)，整體位移在11 mm左右。圖8e～8g所示，填土的S3值變大，但依然滿足要求。粉土出現壓潰區，壓潰高度為1 m左右。墻體附近黏土S3應力較大，且相比前幾種工況壓潰區擴大，需要采取可靠的加固措施來保證土層穩定性。

圖8 工況組合4(自重+土壓力+水壓力+0.75×附加堆載)分析結果

由于工程中常用的傳統計算方法無法考慮三維空間效應和平面不規則形狀效應，對結構非線性尤其是幾何非線性和狀態非線性考慮不足，而本次有限元模型建立時各參數取值盡量貼近了實際情況，因此，可以認為Ansys有限元模型計算結果可以與傳統方法相互印證與補充。

根據對板閘遺址主體結構在4個工況下的計算結果分析，可以得出以下結論：墻體下部的黏土層已經被壓潰，需要先加固地基，提高地基承載力；對于粉土層，后兩種工況出現了壓潰區，因此也應該采取一定預防措施；對于填土層，承載力富余量尚可，可以認為滿足承載要求。各種工況組合中，主體結構均沒有出現壓潰區域，主壓應力均具有較大的富余量。主體結構的側移量也較小，具有較高的整體穩定性。對主體結構最不利工況組合是(自重+土壓力+水壓力+0.75×附加堆載)，這種工況組合出現多級較大裂縫。裂縫會削弱結構的整體性，降低材料耐久性，帶來安全隱患，可能會引起修復后結構局部區段的再次破損。

3 加固修繕

3.1 設計原則

通過分析，對板閘遺址采用現狀保護的方式，本著“不改變原狀”，保持文物完整性和真實性的修繕原則，最大限度地保存文物真實的歷史信息，在確保文物安全的前提下最低限度地干預文物。

3.2 設計內容

板閘采用露天帶水保護，內部儲水并控制水位為50～100 cm，水環境不僅可以保護閘底木材，同時可適當減小閘體兩側的壓力差和閘底木板變形。為了控制板閘遺址區域的水位，采用三排直徑700 mm總厚度1 700 mm的水泥攪拌樁的方式，在板閘主體外圍(圖9a)增設止水帷幕，止水帷幕深度處于自然地面下約12～14 m之間，深入不透水層約2 m。

對于墻體的較大孔洞，采用與原石塊同樣厚度、顏色相近的石塊進行補砌，補砌部分與原有石塊相互咬合，且增加不銹鋼鋼筋拉結；對于開裂的石塊，采用灌注潮濕環境用的結構膠進行加固；對于墻體松動的灰縫處先采用灌注潮濕環境用的結構膠進行加固，再采用改性石灰砂漿進行勾縫，確保整體外觀風貌一致。圖9b為板閘主體加固修繕方案設計。

板閘地基土體進行壓密注漿加固，防止板閘繼續發生不均勻沉降及隨著水土作用的滲透變形，其次加固水閘背部土體，減少板閘承受的側向土壓力(圖9c和9d)。

圖9 板閘遺址加固修繕方案設計

圖10表示填土彈性模量對淮安板閘及其周邊土體極限應力的影響。結果表明，加固填土后可認為其彈性模量提高，而填土的彈性模量改變對填土應力值影響很小可以忽略不計。從增幅來看板閘第一與第三主應力及粉土與黏土應力的變化都隨著填土彈性模量，表現出前期非線性減小后期逐漸趨于平緩變化的模式。總體而言，進行本方案設計后加固的土體，可以有效減小板閘主體的第一主應力，并且不會對其他土體造成不利影響。

圖10 填土彈性模量與淮安板閘及其周邊土體應力關系

4 結 論

本工作首先通過現場測繪調研，獲得板閘遺址的幾何尺寸和結構構造，然后再對板閘遺址的殘損進行分析，找出其顯見的病害；然后通過有限元分析方法與傳統計算方法進行對比，分析其結構性能，找出其隱在的病害，綜合現狀調研成果和理論計算結果，提出了板閘遺址科學合理的保護措施，得到了一些重要的結論：

1) 工程中常用的傳統計算方法無法考慮三維空間效應和平面不規則形狀效應，對結構非線性尤其是幾何非線性和狀態非線性考慮不足，因此計算結果偏于不安全，建議同時考慮三維有限元分析方法與傳統計算方法進行相互印證與補充。

2) 對主體結構最不利工況組合是“自重+土壓力+水壓力+0.75×附加堆載”，結構出現較多裂縫從而影響結構承載力，但是結構未出現壓碎區，主體結構的受壓承載力有較大富余量。

3) 板閘遺址的背部粉土層和下部黏土層均出現了壓潰區，因此需要采取壓密注漿等措施進行加固，一方面減小背部土體的側壓力，一方面提高地基的承載能力。

4) 對于板閘這類平面轉折的文物類型進行修繕時，應采取適當措施增強墻體拐角處的抗拉強度，可以通過沿水平灰縫埋設不銹鋼鋼筋進行加固。

5) 在后續的有限元模擬研究中，可以考慮材料更加真實的本構模型、考慮鐵扒鋦加固、結構初始裂縫、土體間接觸等因素，進而提高模擬計算精度。