西北干旱、半干旱地區土遺址典型病害及其相關性研究

王常亞, 石玉成, 劉 琨,2

(1. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000;2. 中國地震局黃土地震工程重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

土遺址是一種建筑型文物,其蘊含了中國古代建筑的特有技術,反映了各個歷史時期人類的社會活動、社會關系、意識形態及利用自然、改造自然的狀況[1]。土遺址文物文化價值極高,保存至今的土遺址擁有珍貴的文化旅游資源。根據統計,國務院公布的西北地區重點土遺址文物有104處(其中陜西境內44處,新疆境內25處,甘肅境內22處,青海境內6處,寧夏境內7處),就土遺址分布而言是全國重點保護文物單位最多的區域[2]。

前人對西北地區及絲綢之路沿線土遺址進行了一系列調查研究,唐洪敏等[3]認為土遺址作為開放系統,所受破壞多是因為土體對環境變化的響應造成的[3]。王旭東等[4]通過對西夏王陵的調查研究,總結認為人為破壞對土遺址的穩定性有較大影響,易造成了土遺址的大面積倒塌[4]。張衛喜等[5]發現高昌故城西南大佛寺受裂縫、掏蝕影響有倒塌的可能,應對土遺址進行加固保護[5]。孫滿利等[6]發現交河故城的變形裂縫作為墻體最主要的病害,主要有人工開挖窯洞引起的病害和地基不均勻沉降引起的變形裂縫。馬長振[7]分析七個星遺址的病害,提出裂縫、掏蝕、沖溝等病害普遍存在,人為破壞與振動破壞不多,但往往破壞程度較高。崇顯燦等[8]通過對河西走廊眾多明長城的調查,將遺址掏蝕區空間形狀簡化為弓形柱體狀、長方體和半弓形柱體三種主要類型。張影會[9]認為遺址表面剝離是水鹽運移過程中易溶鹽差異和溫度梯度引起不均勻共同作用。

前人對西北地區土遺址的病害現狀進行了調查研究,分析總結了西北地區土遺址的病害類型,介紹了西北地區土遺址各類病害的主要特征,并研究了其發生的機理,但是極少研究針對土遺址各類病害之間內在聯系。本文通過實地考察,記錄分析了西北地區土遺址的典型病害,對研究區域土遺址主要病害進行量化統計,并對病害數據進行分析。通過研究揭示各種病害之間的內在聯系,給出典型病害之間的相關性系數。研究結果可為今后西北地區土遺址加固保護提供設計施工的思路,也為確定土遺址加固方法提供重要的參考作用。

1 西北地區土遺址的典型病害

本文分別對陜西、寧夏、甘肅、新疆四省土遺址進行了現場實地考察和研究分析,研究調查的土遺址一般處于室外。根據調查結果認為四省土遺址病害種類繁多,病害發育情況嚴重。本文對具有代表性的病害進行簡單歸納總結,主要病害為掏蝕、裂縫、沖溝、倒塌、表面風化、生物破壞和人為破壞等。裂縫是調查區域土遺址極為顯著的病害類型,其發育的主要類型有建筑工藝裂縫、變形裂縫、卸荷裂縫、和構造裂縫四種。(1)建筑工藝裂縫主要形成于“夯土版筑”,土遺址在建設時會因為夯筑過程的間斷及分層填土形成分界面,或者分段夯筑墻體時,墻與墻連接處形成分界面或者接搓縫。隨著時間發展逐漸發育成裂縫病害,此類型裂縫在三種裂縫類型中數量最多。(2)變形裂縫主要是由于應力的重分布而引起土遺址開裂變形產生的裂隙。土遺址開挖洞口處易產生變形裂縫,基礎存在不均勻沉降時也會產生變形裂縫。(3)卸荷裂縫主要是由于土遺址應力重分布向臨空面釋放土體變形形成的裂縫,此裂縫多發于在土遺址臨崖面,此類型裂縫病害數量相對較少。(4)構造裂縫主要是由于構造活動產生的裂隙,如地震作用等造成的[10]。幾種類型裂縫如圖1圈畫處所示。

沖溝病害主要是由于雨水在土遺址表面匯集,在形成水流后沿著土遺址表面流動,流動過程中沖刷土遺址土體部分,最終由外到內逐步對土遺址造成侵蝕破壞。調查區域土遺址沖溝病害主要表現出兩種類型:裂縫型沖溝和徑流型沖溝。其中裂縫型沖溝是水流沿裂隙不斷沖蝕、擴大為裂隙型沖溝,其表現為上寬下窄,上部侵入土遺址較深,下部侵入較淺,外觀呈“V”形[11]。徑流型沖溝通常是因為土遺址頂部存在低洼區域,降雨匯水以后在土遺址表面形成徑流,多次沖刷以后形成徑流型沖溝。裂隙型沖溝規模相較于徑流型沖溝而言更大,且容易沿著裂縫發育,最終貫通土遺址。該類型病害如圖2圈畫處所示。

圖1 裂縫病害Fig.1 Crack disease

圖2 沖溝病害Fig.2 Gully disease

掏蝕病害根據其成因,主要可以分為酥堿、風力掏蝕、流水掏蝕、凍融掏蝕等。酥堿病害出現的原因主要是土遺址墻體含有多種可溶鹽,可溶鹽在遇水后發生溶解-結晶-溶解往復循環演化以后,土體由緊密變得不斷疏松,土體結構因此遭到破壞,最終變得蓬松酥軟形成酥堿掏蝕。絲綢之路沿線區域環境惡劣,大風天氣較多,當大風攜帶著沙粒吹打土遺址時,會對土遺址不斷的磨蝕和旋蝕,形成風力掏蝕病害[12]。流水掏蝕病害主要是因為當降水過程中由于雨水無法快速排掉,且因為地形因素水流匯聚,對土遺址基礎部分形成侵蝕凹陷。凍融掏蝕病害主要發生在冬季,冬季降雪時會在土遺址墻體基礎部分積存冰雪等,冰雪融化后浸濕墻體,墻體基礎部分含水量逐漸增高,當環境溫度變低以后墻體部分發生凍結,溫度升高后發生融化,在凍結-融化的循環作用下土體強度變低,根部發生掏蝕[13]。該類型病害見圖3圈畫處。

倒塌病害是一種極為嚴重的土遺址病害,一旦發生就意味著土遺址的徹底破壞。目前土遺址倒塌多是因為以下幾個原因:第一種是因為雨水在土遺址基礎部分蓄積,基礎部分土體被泡軟以后失去強度,在無法支撐土遺址上部重量以后發生倒塌;第二種是因為人為破壞土遺址基礎部分引起倒塌;第三種是由于裂縫、沖溝、掏蝕等病害不斷積累,各種病害相互作用逐漸減弱土遺址整體的強度,最終在土遺址自身重力作用下或者地震等外力作用下發生倒塌[14]。該類型病害如圖4圈畫處所示。

圖3 掏蝕病害Fig.3 Erosion disease

圖4 倒塌病害Fig.4 Collapse disease

表面風化是土遺址普遍發育的一種病害,主要破壞外質營力為風、雨、溫度及可溶性鹽運移的相互作用[15]。此病害目前主要是因為降雨后土遺址表面墻體吸水飽和,呈稀泥狀。降雨停止后溫度急劇變化,稀泥狀表皮快速失水時形成泥皮;溫度緩慢變化,稀泥狀表皮緩慢失水形成龜裂紋。最終表現為空鼓、片狀剝離、塊狀脫落等。本次考察土遺址表面風化情況嚴重,且每處土遺址均表現出整體風化[圖5(a)]。

生物病害主要是指由于生物作用對土遺址的破壞,包括動物病害和植物病害。如植物生長過程中,根系擴張破壞土遺址。此外還有蟲洞與鼠洞等侵蝕土體,霉菌生長時分泌酸性物質破壞土體[圖5(b)]。

人為破壞主要是指人類活動對土遺址的破壞。人類活動對土遺址的影響巨大,如修路、造田活動拆毀墻體,爆破、車輛振動等加劇裂隙發展[16-17],開挖窯洞及攀爬破壞土體穩定性等[圖5(c)]。同時部分土遺址還存在破壞性修復的情況,如某些土遺址文物加固保護的時候改變了土遺址的原貌和整體結構,損害了土遺址的完整性和藝術價值。

圖5 其他病害Fig.5 Other diseases

2 西北地區土遺址典型病害相關性分析

根據實地考察情況、記錄手冊、勘查報告,本文對掏蝕、裂縫、沖溝、倒塌等幾種病害進行了定量記錄,裂縫長度值采用土遺址各個面超過50 cm以上的裂縫值相加以后除以統計的面數獲得;沖溝長度采用各個面沖溝長度值相加除以統計面數獲得;掏蝕體積采用各個面基礎部分掏蝕體積量相加獲得;坍塌面積采用各個面坍塌面積相加獲得。表1給出了現場調查土遺址形制信息,表2給出了裂縫長度、沖溝長度、掏蝕體積、倒塌面積等病害數據信息。對各種病害進行數據擬合后可分析病害之間的相互聯系,根據相關系數可進行病害影響程度判斷[18]。下文將研究各病害之間的相互關系,并進一步揭示病害發展之間的內在聯系,并嘗試對它們之間的內在聯系進行部分理論解釋。

因為統計的數據類型分別是長度、面積、體積,數據單位不一致,為了方便對比分析,將表2數據進行歸一化處理后得到表3數據。分別將表3中兩組數據進行擬合,可以分別得到裂縫-沖溝、裂縫-掏蝕、裂縫-倒塌、沖溝-掏蝕、沖溝-倒塌、掏蝕-倒塌線性擬合曲線(圖6),根據擬合曲線可得病害相關擬合函數與相關系數系數(表4)。由圖6可以發現裂縫長度、沖溝長度、掏蝕體積、倒塌面積每兩組數據之間呈現正相關。根據圖6與表2、3可對病害之間的相互關系做如下解釋:(1)降雨時裂縫成為水流排泄通道,雨水滲入到裂縫中,使得裂縫擴展形成不同規模的沖溝。土遺址下部夯層因為雨水作用,將導致部分夯層土體強度降低,夯層逐漸脫離,脫離的土體形成基礎掏蝕。裂縫的存在會降低墻體的連續性,降低了土遺址的整體穩定性,使得土遺址抵御地震等外部荷載的能力顯著減弱,最終發生倒塌。根據擬合數據和現場調查,可以認為裂縫是基礎病害。(2)降雨水流匯集導致土遺址表面沖溝發育,同時降雨也會導致掏蝕病害的加重,可以認為沖溝與掏蝕因為發育必備要素水而密切相關。沖溝是引發坍塌的重要因素,雨水匯集形成沖溝的過程中會破壞土遺址墻體的連續性,也會降低沖溝附近土體的力學強度,進而導致墻體在外力及重力作用下發生倒塌。(3)掏蝕病害多數發育在土遺址基礎部分,隨著掏蝕病害的發展,土遺址基礎部分逐漸變小,一方面土遺址形狀變得不規則,且重心會逐漸升高,而物體重心越低穩定性越好,重心越高穩定性越低。另一方面掏蝕病害發展會使得土遺址支撐面變小,當掏蝕超過墻體底部基礎寬度的一定比例時,在重力或者地震等外力作用下極易出現應力集中造成支撐面破壞,從而發生倒塌[19]。

表1 土遺址數據

表2 土遺址病害數據

表3 土遺址病害歸一化數據

圖6 土遺址病害相關性Fig.6 Disease correlation of earthen sites

表4 土遺址病害相關性數據

通過對裂縫、沖溝、掏蝕、倒塌等4種病害數據進行線性擬合,從數據角度證明典型病害之間存在不同程度的相互聯系。其中裂縫-沖溝、沖溝-掏蝕、沖溝-倒塌、掏蝕-倒塌病害之間的校正判定系數均大于0.5,據此可得到4種典型病害的演化規律如圖7所示,倒塌可以視為是裂隙、沖溝、掏蝕等3種典型病害發育和演變的結果,沖溝和掏蝕都是在水作用下對土遺址造成的破壞,因此沖溝病害和掏蝕病害直接相關系數為0.72,沖溝、掏蝕病害和倒塌病害的擬合相關系數分別為0.71和0.80,故而可以認為沖溝和掏蝕是土遺址倒塌最為重要的影響因素。

圖7 土遺址典型病害相互關系示意圖Fig.7 Relationship between typical diseases of earthen sites

3 結論與不足

西北干旱、半干旱地區土遺址病害種類繁多,病害嚴重,本文通過現場調查和典型病害量化擬合分析,得出如下結論:

(1) 自然因素引起的土遺址病害最為普遍,其中片狀剝離、裂縫、掏蝕、沖溝、倒塌是最為典型的病害類型。裂縫、掏蝕、沖溝、倒塌等病害有內在的聯系,其中裂縫是一種基礎病害,裂縫、沖溝、掏蝕病害在自然條件作用下發育演變,最終發生倒塌,因此認為倒塌是多因素控制的最嚴重病害類型。

(2) 裂縫的發育發展會導致掏蝕、沖溝、倒塌等病害出現或加重,沖溝和掏蝕病害的發育程度直接影響著土遺址倒塌程度,若不對土遺址病害進行綜合治理,土遺址最終會在各種病害的相互作用下倒塌并消失。

(3) 對土遺址加固保護時需要考慮多種病害,進行多病害綜合治理的方法,控制裂縫向沖溝、掏蝕病害發育的速度,做到最大程度地延緩土遺址破壞。

通過現場調查和數據分析,可以發現土遺址病害直接存在相互聯系,為以后土遺址的保護方案設計提供參考。但本次研究尚存在一些不足之處,如進行病害統計時,由于量化尚無標準,量化時會因為統計方法較為粗糙而出現誤差。同時土遺址作為一種開放性文物,多種病害相互影響著土遺址的穩定性,因此進行單因素相關性分析時相關性系數較低。后續應嘗試將病害量化標準化,同時綜合考慮多因素作用下病害之間的相互聯系。