關于白鶴梁水下博物館的講解探究

摘 要：修建重慶白鶴梁水下博物館，需解決深水條件下文物保護、安全利用和展示三個關鍵性技術問題，經過研究集合了大量卓越技術來解決上述問題，如基于“無壓容器”原理的深水條件下文物原址保護技術，集水循環凈化處理、自動監測與控制于一體的凈水平壓系統，研制“雙向水質專用過濾器”，研發40米深水條件下的參觀廊道技術，研制深水、耐高水壓、大功率LED照明裝置，研發水下可卸式穿艙連接技術等。白鶴梁水下博物館建設對推動水下文化遺產保護做出了重要貢獻，為促進人文環境、國民經濟和社會文化可持續發展產生了積極影響。

關鍵詞：水下文物原址保護；安全利用；展示

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.13.019

1 概述

白鶴梁古水文題刻位于長江涪陵段，是一道長約1600m、寬約15m的石梁，梁脊高程138m，三峽工程建成前，在長江枯水期時才會露出水面。白鶴梁題刻以文字（計3萬余字）和水標圖像的形式，記載了唐廣德元年（763）以來1200余年間的72個枯水年份的水位資料，還有歷代文人的詩文、書法和繪畫作品，極具科學、歷史和文化價值，被聯合國教科文組織譽為“保存完好的世界唯一古代水文站”和世界罕見的“水下碑林”，1988年被國務院列為全國重點文物保護單位。

三峽水庫（水位在145～175m運行）蓄水后，白鶴梁題刻將沉入近40m的水底，題刻被列為三峽庫區第一位急需搶救和保護的文化遺產。但是，深水下文化遺產原址保護國內外尚無成功先例，屬世界性難題。

白鶴梁水下博物館工程是三峽庫區文物保護的1號工程，是在需要保護的白鶴梁題刻上興建一座水下博物館，由保護體、交通廊道、參觀廊道和地面陳列館組成，基于“無壓容器”原理興建：通過凈水平壓系統使保護體內外水壓平衡，系統會隨著長江水位的變化，自動調節和過濾江水，保持保護體內的題刻處于平壓狀態。在保護體內設置了承壓的金屬參觀廊道、玻璃觀察窗和蛙人孔，通過水下照明系統，人們可常年在深水下觀賞題刻，專業研究及工作人員還可出艙進入保護體內開展對題刻的研究和維護工作。

1994年啟動保護方案研究，2001年2月確定“無壓容器”保護方案，2003年2月開工建設，2006年5月保護體主體結構完工，2009年5月白鶴梁水下博物館開館（2010年對外全面開放）。

白鶴梁水下博物館基于理論研究、模型試驗、設備研制及工程監測反饋等手段，破解深水條件下題刻原址保護、利用、展示三大技術難題，建成了世界上第一座遺址類水下博物館，取得了系統性創新成果，實現了題刻“原址、原樣、原環境”保護目的，并以一種全新的方式展現在世人面前，成為讓文化遺產“活”起來的成功范例。

白鶴梁水下博物館是迄今水下文物涉及工程技術學科最多、難度最大的項目。2010年10月，在聯合國教科文組織等三家單位召開的“水下文化遺產的保護、展示與利用國際學術會議”上，會議公報認為“白鶴梁水下博物館的建造解決了諸多工程和技術上的難題，同時也造就了就地保護水下遺產的國際先例”。ICOMOS（國際古跡遺址理事會科學委員會專家組）評價：“白鶴梁項目的獨特之處在于解決了許多不同尋常的挑戰和限制。白鶴梁水下博物館在同類型中是第一個保存比較完整的博物館，在水下文化遺址的原址保護方面是一個獨特的創新。”目前，保護工程已被列為世界文化遺產預備清單和《中國文物保護準則案例闡釋》。《白鶴梁的沉浮》一文進入義務教育課程標準實驗教科書（六年級語文教科書）。

白鶴梁水下博物館一直在近40ｍ的深水下運行，保護體導墻、穹頂、交通廊道、參觀廊道等建筑經受了超標準水位變幅的考驗，監測和檢查資料表明，主體結構全部測點變化合理，水下保護體下基巖變形為閉合狀態，測縫計表現為閉合，保護體內外壓差≤0.2mH20，保護體內水質控制濁度＜3NTU，平壓、過濾及照明系統運行正常。

白鶴梁水下博物館的成功建設推動了深水下原址保護技術的發展，在同類型中是第一個保存比較完整的博物館，在水下文化遺址的原址保護方面是一個創新性的特例。白鶴梁水下博物館建成后已成為獨特的人文景觀，是重慶市六大旅游精品項目之一，帶動了重慶和三峽的旅游發展，成為安全耐用、環保可持續的工程典范。

2 研究和應用了大量卓越技術

深水下的白鶴梁題刻原址保護面臨著保護、利用、展示等一系列世界性難題，國內外尚無成功先例，超出了我國工程經驗和規范的適用范圍，突出體現在以下三個方面：一是深水條件下文物原址保護技術。題刻石梁為薄層砂頁巖，存在地質條件差、白鶴梁本體受滲透水揚壓力抬動而遭破壞、泥沙淤積掩埋及磨損題刻、保護體結構過大占用河道而影響行洪及航運安全、實施難度大等突出問題。二是集水循環凈化處理、自動監測與控制于一體的自適應凈水平壓技術。長江為有沙河流，存在泥沙淤積掩埋文物，江水濁度300～5000NTU，并不能清晰觀賞題刻；同時水位日最大變幅達9.5m，控制40m深水下保護體內外水壓差在合適范圍，構建適應江水水位變化的凈水平壓技術是清晰觀賞文物及工程安全的關鍵問題。三是深水安全參觀與文物展示技術。題刻展示場景是在40m深水下的封閉水體中，照明、觀測及密封穿艙技術直接影響能否實現多種方式向公眾展示。

項目研究團隊基于理論研究、模型試驗、設備研制及工程監測反饋等手段，圍繞深水條件下題刻原址保護、利用、展示三大關鍵技術難題，開展了研究與建設，取得了系統性創新成果。

研究前充分認識白鶴梁歷史信息和全部價值，盡量真實、全面地保存并延續其重要的部分，這是保護技術研究的目標。從1994年開始，經歷8年研究，最具代表性的成果有“水晶宮”和“就地保護、異地陳展”兩類方案，均因題刻本體地質條件差、所處河道為長江主航道和水庫變動回水區等復雜條件被否定。

2.1 深水條件下文物原址保護技術

首次提出基于“無壓容器”原理的深水條件下文物原址保護技術，解決了白鶴梁題刻薄層砂頁巖受滲透水揚壓力抬動而遭破壞、保護體結構過大占用河道而影響行洪及航運安全等技術難題，節省了工期及工程投資，實現了對白鶴梁題刻“原址、原樣、原環境”保護目的。

基于“無壓容器”原理的深水條件下文物原址保護技術是在需要保護的白鶴梁題刻上興建一座保護體結構—“容器”，保護體內充滿處理過的長江清水，凈水平壓系統根據長江水位的變化情況，自動將處理過的長江清水引入保護體內，或者將保護體內的水排出，保持保護體內外水壓平衡，題刻及保護體處于壓力平衡的狀態。在保護體內設置了承壓的金屬參觀廊道，并設置了供參觀的玻璃觀察窗和蛙人孔，通過水下照明，游客可常年在水下40m深處以多種方式觀賞題刻，專業研究及工作人員還可出艙進入保護體內開展研究和維護工作。

保護體內充滿與外江壓力平衡的長江清水，避免了題刻受滲透水壓力抬動而遭破壞，并且處于長江水的保護之中，也免遭游人踐踏，保護環境更好；保護體結構由于不再承受巨大的水壓力，拱殼結構高度大大降低，解決了航道工程安全問題，減少工程實施難度，縮短工期，節約了工程投資。

研究并實施了保護體與圍堰相結合的施工方案，確保了文物敏感區題刻安全，滿足了三峽工程按期蓄水的要求。三峽水庫2006年汛后至2009年汛期按156m方案調度運行；2009年汛后具備蓄水至175m的運行條件，水下主體工程必須在2006年汛前完成，且只能在枯水期施工。

鑒于水下保護工程緊靠文物敏感區，研究提出了保護體水下導墻與圍堰相結合施工方案，使保護體頂拱處在水上施工，保證了施工期文物不受損害、船只航行正常，確保了工程質量，滿足了三峽工程按期蓄水的要求。

2.2 集水循環凈化處理、自動監測與控制于一體的自適應凈水平壓技術

白鶴梁水下博物館研發了集水循環凈化處理、自動監測與控制于一體的自適應凈水平壓系統，建立了保護體內水體濁度及內外水壓差控制標準，解決了40m深水條件下題刻看得清、原水環境保護和江水水位變化引起保護體內外壓差過大帶來工程安全及文物安全的技術難題。

一是研究并提出保護體內水體濁度及內外水壓差控制標準。保護體內水質除須滿足觀賞要求外，還須保證不對題刻本體、設備及保護體結構等產生影響。通過試驗選擇確定凈化水質指標，提出凈水平壓系統出水濁度控制指標不超過1NTU，保證保護體內水的濁度不超過3NTU。

二是合理控制保護體內外水壓差，實現“無壓”理念。題刻保護體內外水壓差限值為±0.5mH20。

三是創建了自適應凈水平壓系統技術。通過管道將保護體內水與長江水連通，連通管上的“雙向水質專用過濾器”可有效攔截外江濁質進入，保護體內外水壓隨江水變化自動平衡，呈“靜水”平衡狀態。當保護體內濁度不滿足觀賞要求時，通過濁度及壓差監測裝置控制一系列設備及部件協同工作，能有效保證保護體結構內外“無壓差”，使保護體呈“動水”平衡狀態。

四是研制“雙向水質專用過濾器”。研制了凈水平壓系統的核心構件“雙向水質專用過濾器”，使外江水與保護殼內部水體通過凈水平壓系統可靠連通，保持內外水壓平衡，阻止外江水濁質對系統滲透產生明顯的影響。研究適應深水條件下水下古文物觀賞要求的過濾技術，選定普通石英砂濾料和均質濾料作為過濾材料，確定其基本參數。

白鶴梁水下博物館多年成功運行效果表明，保護體內外壓差穩定控制在±0.2mH20以內，內部水質穩定維持在3NTU以內，水質滿足水下觀賞要求，實現了題刻保護及展示功能。

2.3 深水安全參觀與文物展示技術

白鶴梁水下博物館研發了40m深水條件下的參觀廊道、耐高水壓大功率LED投射燈、水下電纜穿艙連接器等技術及相應設備，創建了深水安全參觀與文物展示系統，攻克了深水中電氣設備運行、維護和觀賞系列技術難題，實現了白鶴梁題刻全天候向公眾展示，成為讓文化遺產“活”起來的成功范例。

一是研發了40m深水條件下近距離觀察系統。為實現40m深水條件下的參觀，研制出了承壓參觀廊道和具有自主知識產權的雙層觀察窗裝置，游客可以近距離觀賞題刻。參觀廊道由“U”形廊道、八字體艙、球艙及觀察窗組成；觀察窗采用雙層耐高壓YB-3航空有機玻璃結構，具有優越的透光性能，在確保水下使用安全的同時，也便于在水下更換。

創建了CCD遙控觀測系統，創造性地將實時圖像與圖片資料集成到一個操作界面上，實現了水下博物館的全天候展示，游客可遠程控制和在參觀廊道內通過手控操作攝像頭實時觀看題刻。

二是研制深水、耐高水壓、大面積、大功率LED照明裝置。首先白鶴梁水下博物館建設工程應探索建立深水照明照度標準，照度值及色光是決定視覺效果和成像質量的主要因素之一，針對白鶴梁題刻石材及封閉水體的特性，通過大量研究和試驗，確定了深水下白鶴梁題刻表面照度為350Lux，特別關注的部位題刻表面照度為400Lux的標準。研制了封閉深水介質中耐高水壓、大面積、大功率LED照明裝置，最后以大功率LED為光源的專用照明燈具，這也是國內唯一的深水大面積大功率LED照明工程。

三是研制專用的水中脫卸水中插拔的電纜穿艙連接器。白鶴梁水下博物館建設工程研發了具有自主知識產權的水下可卸式穿艙連接技術，研制了水下穿艙管兩端設置可拆卸連接器的組件結構，解決了在水中更換電纜穿艙件的技術難題，提高了水下電器設備的可維護性和拓展性。

3 白鶴梁水下博物館是安全耐用、環保可持續的工程

3.1 工程質量優良

白鶴梁水下博物館于2009年5月試運行，2011年7月通過竣工驗收。工程接受了各種設計工況的考驗，水下保護體、參觀廊道、交通廊道和地面陳列館等建筑物及設備系統均運行正常，長江航運及行洪正常，題刻觀賞清晰，工程及題刻安全。

多年監測數據表明主體結構應變為受壓狀態，受壓應變幅值不大，全部測點反應變化在合理范圍內；水下保護體下基巖變形為閉合狀態，界面應力表現為受壓，測縫計表現為閉合。特別是白鶴梁工程經受了汶川大地震余震和三峽大壩175m蓄水的考驗，工程應變變化較小，表明結構安全。保護殼體內外最大水壓差僅為±0.2mH20，系統出水濁度控制指標不超過1NTU，且在一個循環周期內系統中水的濁度不超過3NTU，運行狀態良好，實現了“無壓容器”方案設想，而且滿足了游客觀賞題刻的要求，達到了文物保護目的。

2014年12月，湖北省科學技術廳組織“白鶴梁古水文題刻原址水下保護關鍵技術”科技成果鑒定會，鑒定結論認為：“該項目集成了文物、水利、建筑、市政、交通、軍工、特種設備等多學科專業技術，是一項在國內外文化遺產保護領域具有重要影響的系統工程。”目前，文物本體保存狀況及展示效果良好，保護體結構安全，維護方便，江面航運正常，汛期行洪安全。

3.2 白鶴梁水下博物館建設為推動水下文化遺產保護做出了重要貢獻，對促進人文環境可持續發展產生了積極影響

受技術限制，在深水下原址保護珍貴文化遺產是一個世界性難題。白鶴梁水下博物館成功實現40余米的深水下文物遺產原址保護，對推動水下文化遺產保護事業做出了重要貢獻。白鶴梁水下博物館最大限度地保留了白鶴梁題刻的歷史信息，符合《威尼斯憲章》關于文物保護的真實性、完整性、觀賞性和延續性的要求。該工程的建成為以后類似的保護工程提供了范例，其“無壓容器”理念、工程布局方案、凈水平壓技術、深水照明與遙控觀測技術、參觀廊道設計和水下施工技術等可為文物保護和其他工程的研究設計實施提供借鑒。

聯合國教科文組織評價該工程是同類文物保護和展示的先驅，也將成為特殊景觀的杰出代表，在全球范圍內是水下文物原址保護的首個成功典范。

3.3 白鶴梁水下博物館在促進國民經濟和社會文化可持續發展、改善人民生活福祉等方面發揮了表率作用

白鶴梁水下博物館建設實現了國家級重點文物的永續利用，讓水下文物遺產“活”起來。白鶴梁水下博物館開放運行后已成為獨特的人文景觀，成為重慶市六大旅游精品項目之一，帶動重慶和三峽的旅游發展。白鶴梁水下博物館首創“無壓容器”方案建造水下保護工程，總投資1.9億元，較“水晶宮”方案節約工程投資1.1億元。白鶴梁水下博物館工程獲2009年度全國文物保護科學和技術創新一等獎；反映工程創新的《白鶴梁的沉浮》一文被列入義務教育課程標準實驗教科書（六年級語文教科書）；白鶴梁保護工程也被列入高考試題，具有廣泛的社會影響。

3.4 白鶴梁水下博物館注重環保節能，強調建筑與自然環境、人文環境協調

白鶴梁水下博物館注重環保，創建獨特的凈水平壓系統，自動適應江水變化，使題刻時刻處于長江水保護中，不產生水污染。創建的深水照明與遙控觀察系統，研制的LED投射燈等專用裝置，解決了在深水中電氣設備運行維護的節能問題。

在白鶴梁石魚文化中，“石魚出水兆豐年”體現了古代涪陵人民對氣候預測、水利建設的高度重視，對豐收年歲的期盼與渴求，反映了我國古代人民的科技文化水平與科技理性精神。白鶴梁水下博物館結合涪陵濱水景觀帶建設，利用橢圓形開放式庭院和展廳突出屋頂觀景平臺，實現“石魚出水”的建筑意境，與周邊自然人文環境協調統一。

參考文獻

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