某土質遺址包氣帶水分布特征及其對遺址保存的影響

張曉周,云智漢*,袁 偉,李 毅,趙 凡

(1.四川省地質工程勘察院集團有限公司,四川 成都 610072;2.四川省文物考古研究院,四川 成都 610042)

土質遺址是以土為主要載體或建筑材料的具有獨一無二的歷史、文化、社會和科學價值的古遺址。中國土質遺址從石器時期綿延至近代,歷經了數千年自然(風沙、溫度、日照)、人為等因素的破壞,大都存在嚴重的結構隱患等病害[1],即使新發(fā)掘的土質遺址也面臨著土體干縮開裂、鹽堿化等水害侵擾[2]。

一般認為,土體開裂與內部失水、應力變化和收縮特性有關[3-4]。土體在失水收縮過程中,受到邊界約束的作用而在內部產生拉應力[5-6]。當拉應力超過土體本身的抗拉強度時,導致土壤中土顆粒、團聚體重新排列和孔隙體積變化,形成裂縫[7-8]。干縮裂縫往往會破壞土壤黏結結構,改變水分、溶質運移通道,且具有較強隨機性,發(fā)育趨勢預測難度較大。學者們常用收縮特征曲線、斷裂力學理論和裂隙網絡隨機法3種方法進行裂隙的模擬[9]。其中Vogel等[10]通過簡化土壤間黏聚力提出了基于胡克定律的裂隙延展模型。Chertkov[11]在細觀尺度對土壤顆粒的收縮特征進行模擬,總結了裂隙發(fā)育與土壤含水率之間的關系。也有學者[12-16]嘗試采用LEFM、離散元和有限元的方法對裂隙動態(tài)演化規(guī)律進行研究。

針對土遺址保護,王旭東[17]認為水是主要問題,通過水環(huán)境控制措施,可將潮濕環(huán)境土遺址保護問題轉變?yōu)楦稍锃h(huán)境土遺址保護的問題。張虎元等[18]、朱世彬[19]嘗試用直流電場抑制潮濕土遺址毛細水的上升,為潮濕土遺址保護提供了新的方法。張明泉等[20-21]對潮濕環(huán)境黏性土地區(qū)考古現場地下水進行控制試驗,運用人工填砂排水溝對黏性土層中的地下水進行疏導排泄,且能阻隔土層中毛細水的運動,提出采用填砂排水溝與集水井相結合的方法控制地下水水位,并進行了試驗論證該方法的科學性與有效性。周雙林等[22]對國內7處有名的遺址博物館的隔水防潮技術進行了對比研究,發(fā)現主要有擋墻法、隔水廊道法、抽水法、拱券法等,認為這幾種方法中拱券法是效果最好的。

隨著監(jiān)測技術的發(fā)展,對文物館藏環(huán)境監(jiān)測手段不斷普及,但針對文物賦存環(huán)境監(jiān)測較少,且多為單點環(huán)境監(jiān)測,不能揭示地下水環(huán)境與文物災害之間的關系,各點間的數據往往不具備綜合分析的條件[23-25]。另外,有關土遺址開裂機理的研究多集中于干旱區(qū)遺跡重塑土室內試驗研究,聚焦于產生裂縫的一小塊區(qū)域,未考慮場區(qū)水文地質的影響,導致防治效果不佳。鑒于遺址環(huán)境不同,土質不同,潮濕地區(qū)土遺址表面裂縫的開裂擴展特性與干旱地區(qū)存在較大差異,有必要從機理和防治措施上對土質遺址進行細致研究。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

遺址處于廣漢市,面積約為12 km2,分布在沱江支流湔江(鴨子河)南岸,馬牧河(現今為漿砌條石灌渠)從遺址中間穿流而過,距祭祀區(qū)最短距離僅為200余米,渠深0.7～3.1 m,滲漏渠水可少量補給地下水。區(qū)域所屬四川盆地中亞熱帶濕潤氣候區(qū),氣候溫和,干濕明顯,四季分明,多年平均氣溫為16.3℃,最熱為8月的25.5℃左右,最冷為1月的5.4℃。降雨豐富,多年平均降水量為890.8 mm[2]。

1.2 地質概況

由綜合水文地質鉆孔揭露地層可知,祭祀區(qū)內地層與區(qū)域內基本保持一致,粉質黏土厚約1.55～4.33 m,其下為4.5～5.4 m厚的全新統(tǒng)黃色、灰褐色卵石,強風化花崗巖、砂巖,卵石之間充填砂,再下為上更系統(tǒng)灰褐色、黃褐色砂礫卵石。有所區(qū)別的是祭祀區(qū)內最上層覆蓋有0.5～0.6 m的灰褐色、深褐色耕植土,含植物根系及腐殖質,部分耕植土下覆0.50～0.75 m厚的土黃色人工填土,夾雜部分次圓形卵石,粒徑為2.4～7.0 cm。

1.3 遺址水害現狀

遺址祭祀區(qū)發(fā)掘坑深度在0～2 m,處于粉質黏土內。該段粉質黏土膨脹系數為43.0,具有弱膨脹性。發(fā)掘過程中土體原有濕度環(huán)境被打破,高含水率的土層持續(xù)蒸發(fā),鹽分在表層堆積,致使表土酥化、粉化病害的產生。同樣由于水分的流失,土壤含水率減小,降低了顆粒間的拉應力,出現了土體干縮開裂的現象,并且除橫向裂縫外,發(fā)掘現場保留的標志柱和發(fā)掘坑壁上也產生許多縱向裂縫。不僅破壞了遺址表面的完整性,還降低了結構的穩(wěn)定性,不穩(wěn)定的坑壁對發(fā)掘坑內考古人員和文物造成威脅。文保人員針對部分裂縫進行灌漿修復處理(圖2),但裂縫由于地下水波動引起的表土含水率變化,導致裂縫的動態(tài)變化使得土體修復效果不盡人意。

2 試驗方法及場地布設

2.1 試驗方法

地處成都平原的遺址祭祀區(qū)面積雖小,但由于早期作為村磚窯取土場,對部分地表改造較大,且場地周邊河流、灌渠、水田環(huán)繞,水文地質條件相對復雜。在精細化的水文地質調查中發(fā)現該區(qū)域地下水位埋深為3.2～5.6 m,土壤含水率較高,常年維持在24%左右,地表存在持續(xù)蒸發(fā)條件,但是無法解答考古大棚小區(qū)域內的地下水動態(tài)特征。為此,本文借助Solinst Levelogger地下水記錄儀、MW307GD-M4型無線梯度土壤三參數監(jiān)測終端對地下水流場、潛水水位、毛細上升高度動態(tài)變化進行連續(xù)監(jiān)測,結合室外環(huán)境多參數采集終端、室外型蒸發(fā)量在線監(jiān)測終端采集的氣象監(jiān)測數據,利用統(tǒng)計分析工具對數據進行相關性分析,確定黏性土干縮開裂影響因素。

2.2 場地布設

結合場地條件,在祭祀區(qū)邊緣布設了4口監(jiān)測井,并在發(fā)掘大棚外補充滲水試驗,另外還對考古大棚內環(huán)境指標進行監(jiān)測:首先沿大棚縱向布置了1-1、1-2、1-3、2-3共4個8梯度三參數監(jiān)測終端(各監(jiān)測點監(jiān)測梯度大致保持同一深度);沿大棚橫向布置了2-1、1-4共2個8梯度的監(jiān)測終端,且與1-3在一條直線上;在大棚西南角布設1個8梯度監(jiān)測終端(2-2)和大氣監(jiān)測儀,2-2與1-3、3-3、3-2、3-1沿對角線分布。監(jiān)測設備具體布設位置見圖3。

2021年4—5月各監(jiān)測設備陸續(xù)安設完畢,隨后對場區(qū)地下水位按照6 h/次,對大氣降雨量以及棚內含水率、溫度按照15 min/次的頻率展開長時序的連續(xù)監(jiān)測。

3 結果與分析

3.1 包氣帶水垂向動態(tài)變化

包氣帶水受氣象因素影響極為顯著,并隨季節(jié)性氣候變化而變化。土體滲透性好,包氣帶水對氣象相應及時,反之則遲緩。圖4顯示,大棚外各層土壤含水率在降雨后幾乎同步升高(Pearson相關系數均在0.87以上),且均滯后于降雨1～2 d。但根據抽水試驗斯卡巴拉諾維奇公式(式1、2)及現場雙環(huán)滲水試驗計算結果(式3)可知,祭祀區(qū)范圍內粉質黏土滲透系數為(2.07～3.41)×10-5cm/s,1～2 d內雨水很難入滲至2.5 m的深度。

圖4 棚外監(jiān)測儀2-1各層含水率與降雨量關系

(1)

(2)

式中Q——抽水井涌水量,m3/d;Sw——抽水孔水位降深值,m;K——含水層滲透系數,m/d;H——含水層厚度,m;R——影響半徑,m;rw——抽水孔半徑,m。

(3)

式中Q′——穩(wěn)定滲入水量,cm3/min;F——滲水內環(huán)面積,cm2;Z——滲水內環(huán)中水層厚度,cm;HC——毛細上升高度,cm;L——濕潤帶深度,cm。

據實地踏勘,遺址祭祀區(qū)曾組織過大規(guī)模的探方工作,沿長寬間距均為1 m布孔,深度均大于2 m,且后續(xù)未進行統(tǒng)一封堵,由于水分持續(xù)蒸發(fā),探方孔內存在豎向干縮裂隙,為雨水快速入滲提供了優(yōu)勢通道,導致監(jiān)測深度范圍內土壤含水率與降雨同步變化。

盡管棚外高程較大棚內高約0.5 m,但棚內監(jiān)測點距棚邊緣約19.6 m,且棚外設置擋水措施,杜絕了場地積水向棚內倒灌的發(fā)生,因此降雨很難直接通過徑流作用于棚內表層土壤。不過,圖5顯示,棚內監(jiān)測儀1-3處除0.8 m以下含水率與季節(jié)同步變化外,0.1、0.2、0.6 m位置與降雨變化高度擬合,尤其表層土壤含水率可迅速響應降雨過程。而土工試驗測試結果顯示祭祀區(qū)0.1～2.5 m范圍內顆粒成分除0.4 m處粉粒含量略少之外并沒有明顯的變化趨勢,在顆粒組成大致一致的情況下,0.1、0.2、0.6 m處含水率與0.6～2.0 m處含水率變化趨勢差異明顯,說明棚內土壤含水率可能與顆粒成分有關外,主要受降雨導致棚內空氣濕度增大的影響。同時,由含水率變化幅度可判斷,棚內空氣濕度對表層土壤含水率的影響深度一般不超過0.6。而0.8 m以下的深部土壤含水率在雨季穩(wěn)步上升,主要受到棚外地下水的水平向補給,但補給強度較小,因此,含水率呈季節(jié)性波動特點。

圖5 棚內監(jiān)測儀1-3各層含水率與降雨量關系

3.2 包氣帶水水平向動態(tài)變化

包氣帶水除垂向入滲外,在毛管勢、土水勢等驅動力下也會產生水平向上的運移。比較同一布設線上各監(jiān)測設備相同深度含水率的關系(例如2-1監(jiān)測儀2.0 m處、1-3監(jiān)測儀1.5 m處、1-4監(jiān)測儀1.5 m處)可以明確包氣帶水水平運移特征(圖6)。

圖6 各監(jiān)測儀相同層位土壤含水率關系

由圖6可知,1-3監(jiān)測儀1.5 m處含水率持續(xù)升高,似乎與棚外2-1監(jiān)測儀處包氣帶水有密切聯(lián)系,但在整個監(jiān)測時間段內其含水率僅由24.5%升至25.12%,并且在7月3日之前1-3監(jiān)測儀處含水率均大于2-1監(jiān)測儀處含水率,不符合包氣帶水運移規(guī)律。因而,祭祀區(qū)范圍內基本不存在包氣帶水水平向的運移,但由于棚外大量洛陽鏟孔的存在,加之孔內分布豎向裂隙,可為棚外包氣帶水在水平向上的運移提供驅動力,向棚內存在微弱的水平向運移,但該補給是微弱的可忽略的。由此可推測,主導棚內深部土壤含水率變化的為潛水面以上的支持毛細水帶。

3.3 潛水動態(tài)變化

祭祀區(qū)周圍地勢平坦,人口密集,農耕發(fā)達,地下水動態(tài)類型為入滲-蒸發(fā)-開采排泄型,受氣候影響明顯。選取距離發(fā)掘坑較近的兩口監(jiān)測井(監(jiān)測井1、監(jiān)測井2)的監(jiān)測數據與同時段降雨量做分析:由圖7可知,兩口監(jiān)測井水位變化步調與降雨基本一致。在無降雨時,潛水位在波動中逐漸下降,單日平均水位下降速率約0.04～0.07 m/d,該下降速率在降雨相對集中的時間段內會進一步減小。降雨后潛水位迅速抬升,在短時間內超過未降雨時間段內的常水位,水位抬升與降雨幾乎同時發(fā)生,且一般在降雨后1～2 d內達到短時段內的最高水位,而后緩慢下降,例如,2021年9月12日降雨量累計達到10.3 mm后,潛水位上升了1.07 cm,在之后連續(xù)2 d超過28 mm降雨后,水位埋深由3.041 m陡升至2.736 m,并于9月15日達到最高水位埋深2.516 m?，F場滲透試驗測得祭祀區(qū)內滲透系數較小,而場區(qū)內松散砂粒卵石層較厚,上游滲入潛水的雨水可通過側向徑流的方式快速對下游潛水進行補給,這也是祭祀區(qū)潛水位響應速度快的主要原因。

圖7 監(jiān)測孔水位埋深與降雨量關系

為明確潛水位波動對發(fā)掘坑的影響,借助遺址祭祀區(qū)4口監(jiān)測井一個水文年內不同時期的實測值對大棚中心點(高程為448.20 m)水位進行空間插值。插值結果顯示該處水位埋深常年在4.18～4.78 m波動,地下水位距發(fā)掘坑底約為2.18～2.60 m,潛水不會直接作用于祭祀坑底,但在極端降雨條件下,上升的毛細水仍有抵達發(fā)掘界面的可能,可進一步加劇土壤病害。

4 討論

遺址祭祀區(qū)內地勢較為平坦,降雨積水不易排泄,多匯聚于場區(qū)內通過探方孔洞縱向裂隙向下入滲。重力水在經過包氣帶時增加了棚外土壤水勢,在水勢梯度的作用下,包氣帶水由水勢高的棚外向水勢低的棚內流動,少量補給棚內表層土壤水分,但由于粉質黏土水平向滲透系數較小,考古大棚外積水僅可少量補給棚內邊緣地帶,不能對棚內表土形成有效補給。棚內水害的產生還是由于表土水分快速蒸發(fā)導致的,水分散失導致的含水率下降則引起土體干縮開裂,裂縫一旦形成,局部的應變能得以釋放,裂隙在水平和豎向上繼續(xù)延伸,逐漸變寬加深,對土體進一步破壞。另外,潛水位變化主導下的支持毛細水也影響著裂縫的發(fā)育。場區(qū)內松散砂礫卵石層較厚,可快速響應上游降雨入滲,致使棚內毛細水迅速上升,增大表層土壤含水率,相應的干縮裂縫有所回縮,但雨后潛水位的回落則會導致裂縫的再次擴大,從而使裂縫始終維持在動態(tài)變化中。

由此可見,穩(wěn)定的含水率可能是防止遺址祭祀區(qū)土體開裂或擴展的前提。因此,防治水害的首要任務是控制土質遺址的含水率。借鑒工程地質措施,在地下水徑流方向上游進行攔截,可將考古大棚下方潛水位有效降低,但是隨著潛水位的波動,含水率仍會動態(tài)變化,因此在上游攔截的同時對下游實施抽水排泄,并且對土遺址本體建立氣象、溫濕度、潛水位、土壤含水率的綜合監(jiān)測體系,實現含水率的精細化調控,進而達到對土遺址水害防治的目的。

5 結論

a)現場試驗表明,祭祀區(qū)內土壤滲透系數小,但在早期探方影響下,降雨可快速向下入滲,不過水平向運移仍然有限,考古棚外雨水對棚內的直接影響可忽略不計。

b)祭祀區(qū)棚內地下水位插值結果表明,潛水位的波動雖不會直接作用于棚內文化層,但極端降雨條件下,受其影響的支持毛細水最大上升高度可直接影響發(fā)掘界面,加劇土壤病害的產生。

c)棚內水分持續(xù)蒸發(fā)以及支持毛細水的波動是裂縫動態(tài)發(fā)育的內在機理,控制含水率的穩(wěn)定是實現土質裂縫有效治理的科學內涵。

d)在地下水、氣象監(jiān)測數據基礎上,借鑒上游攔截、下游排泄的工程治理手段,對土體含水率進行精細化調控,可為祭祀區(qū)遺址提供新的思路。