陜北明代夯土長城雨蝕破壞發(fā)育過程的模擬研究

姚 雪

（1. 四川博物院，四川 成都 610071；2. 西北大學(xué)文化遺產(chǎn)學(xué)院，陜西 西安 710068）

夯土建筑是一種古老且分布范圍極廣的建筑形式，具有取材便利、工藝簡單、物理性能良好的特點。在對陜北地區(qū)明長城進(jìn)行調(diào)查的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)?0%以上的長城遺址均為夯土建筑，受自然和人為因素的雙重影響，夯土長城目前保存狀況堪憂。在對陜北榆陽區(qū)54座明長城夯土建筑的現(xiàn)狀調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，雨蝕是該地區(qū)明長城破壞的主要病害類型之一[1-5]。大多數(shù)夯土遺址表面風(fēng)化嚴(yán)重，部分遺址沖溝和裂隙發(fā)育，少數(shù)遺址底部有淘蝕凹槽，這些均為降雨直接或者間接破壞的結(jié)果[2]。文章著眼于降雨對夯土遺址的破壞過程，是對半干旱環(huán)境下土遺址雨蝕破壞極值的探索性研究。

目前，一般通過野外實地勘察研究夯土遺址的雨蝕病害[6-7]，對不同雨蝕病害間的發(fā)育過程研究尚顯不足，對不同病害模式間的關(guān)系研究較少。作者曾采用小比尺模型，在室內(nèi)可控條件下研究降雨、夯土性質(zhì)和雨蝕量間的單因素量化關(guān)系，取得初步成果[4-5]。但室內(nèi)模擬試驗受條件限制，不能完全反映出夯土雨蝕破壞的發(fā)育過程。本次研究采用現(xiàn)場模擬試驗的方法，在陜北榆林榆陽區(qū)采用長城原始夯筑工藝建造夯土墻體，采用人工模擬降雨設(shè)備對夯土墻體進(jìn)行模擬雨蝕，探究天然賦存環(huán)境下夯土建筑的雨蝕破壞發(fā)育過程。病害發(fā)育過程是機(jī)理研究的重要組成部分，以現(xiàn)場試驗為手段探究夯土遺址不同雨蝕病害的發(fā)育過程是科學(xué)評估、預(yù)測其生存態(tài)勢的重要依據(jù)。

1 榆陽區(qū)明長城遺址土的工程特性

該地區(qū)建筑材料為低塑性粉質(zhì)黏土，天然含水率低，夯土密度較大，但土顆粒級配大多數(shù)不良，易水解，抗雨蝕能力較弱，抗剪強(qiáng)度低，土中易溶鹽主要為硫酸鹽，易發(fā)生溶解結(jié)晶?？傮w上看，土的工程性質(zhì)較差，抗風(fēng)化能力弱。

2 榆陽區(qū)明長城雨蝕破壞模式分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，綜合考慮水土作用方式和破壞程度，榆陽區(qū)明長城夯土雨蝕病害分為干濕破壞、沖刷破壞和降雨導(dǎo)致的重力侵蝕。

第一種破壞模式是干濕破壞，干濕破壞包括片狀剝蝕和干縮開裂，是降雨和其他因素協(xié)同作用產(chǎn)生的結(jié)果，基本作用是逐漸降低土體強(qiáng)度，增加表面風(fēng)化層厚度。調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，片狀剝蝕和表面收縮開裂廣泛分布于長城遺址中，是分布范圍最廣的雨蝕病害。

第二種破壞模式是沖刷作用導(dǎo)致的破壞，表現(xiàn)為沖溝和極少量基底淘蝕，是降雨對土遺址的直接破壞。現(xiàn)場調(diào)查中，基底淘蝕數(shù)量較少，沖溝多出現(xiàn)于頂面有良好匯水面的遺址，分布范圍較廣。

第三種破壞模式是降雨導(dǎo)致的重力侵蝕，包括局部小范圍掉塊和大面積失穩(wěn)坍塌，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，部分長城遺址有大型貫穿性裂隙發(fā)育，已經(jīng)形成危險塊體，在降雨和振動的作用下發(fā)生坍塌的可能性極大。坍塌受遺址本體結(jié)構(gòu)和降雨、振動等外界因素的共同影響，是雨蝕破壞的偶然結(jié)果，在調(diào)查中較少見，但一旦發(fā)生破壞性極大。

3 雨蝕發(fā)育過程的試驗研究

3.1 試驗方法

試驗采用人工模擬降雨的方式加速夯土雨蝕破壞進(jìn)程。本次試驗為破壞性試驗，不適宜在長城墻體上進(jìn)行，在榆陽區(qū)長城周邊一處地勢平坦的場地人工夯筑2座墻體作為試驗對象，按照明長城夯筑工藝夯筑，采用人工降雨的方法模擬天然降雨對夯土建筑的破壞。

降雨參數(shù)綜合考慮當(dāng)?shù)亟涤旮怕?、降水貢獻(xiàn)率和破壞性，根據(jù)1964—2012年榆陽區(qū)天然降雨資料統(tǒng)計分析得出[2]56（表1）。試驗?zāi)康氖侵噩F(xiàn)降雨對夯土遺址的破壞過程，試驗時觀察并記錄3種雨蝕破壞模式的產(chǎn)生、發(fā)育過程，記錄3種破壞模式的發(fā)育順序及伴生關(guān)系，原則上以土體開始出現(xiàn)小范圍掉塊作為試驗結(jié)束標(biāo)志，不出現(xiàn)大范圍坍塌。

表1 降雨設(shè)計值

3.2 試驗對象

在長城真實賦存環(huán)境下夯筑2座長3 m、寬1.5 m，高2 m的夯土墻體，2座試驗臺相互垂直但不相接。試驗臺為當(dāng)?shù)卦S土按照原始工藝夯筑，控制密度和含水率與長城遺址一致（圖1）。圖2為模擬墻體剖面圖，具體參數(shù)表2。

本次試驗設(shè)計夯層厚度0.15 m，干密度1.7 g/cm3，最優(yōu)含水率17.5%。分層夯筑，夯筑結(jié)束陰干10 d后，脫模避雨通風(fēng)養(yǎng)護(hù)≥28 d（圖3、圖4），養(yǎng)護(hù)期間為防止墻體表面迅速脫水開裂，在墻體表面覆蓋植物纖維，保證避雨通風(fēng)。

表2 模擬墻體設(shè)計參數(shù)

圖1 模擬墻體方位示意圖

圖2 模擬墻體剖面圖

圖3 疊加模板

圖4 脫模

3.3 降雨設(shè)備

本次研究借鑒水土保持學(xué)領(lǐng)域關(guān)于人工模擬降雨的相關(guān)知識理論，采用便攜式野外人工模擬降雨裝置進(jìn)行試驗。雨滴發(fā)生器噴嘴直徑9 mm，噴灑角度45°，降雨系統(tǒng)分為供水系統(tǒng)、降雨系統(tǒng)和支架3個部分，見圖5。

為保證人工降雨精度，對模擬降雨器參數(shù)進(jìn)行室內(nèi)率定和現(xiàn)場校正[12]。結(jié)果顯示，模擬降雨器在設(shè)計降雨條件下均勻系數(shù)大于0.7，達(dá)到規(guī)定精度標(biāo)準(zhǔn)，滿足試驗需求。

圖5 便攜式人工模擬降雨系統(tǒng)現(xiàn)場圖

3.4 試驗結(jié)果

3.4.1 干濕破壞發(fā)育過程

干濕破壞指土體中水分的干濕作用導(dǎo)致的土的性質(zhì)逐漸削弱、破壞的過程。結(jié)果顯示，試驗條件下夯土墻體均會出現(xiàn)干濕破壞，表現(xiàn)形式為片狀剝蝕和干縮開裂。

(1)片狀剝蝕。片狀剝蝕是多次降雨后反復(fù)干濕作用的結(jié)果。具體形成過程為，表層土顆粒濕潤后發(fā)生位移形成疏松團(tuán)聚體，在雨滴的擊實作用下形成細(xì)密結(jié)皮層（圖6），降雨結(jié)束后，結(jié)皮層失水干燥與原土體分離，在外力作用下呈片狀脫落（圖7）。片狀剝蝕發(fā)育過程見圖8、圖9，結(jié)皮層實際強(qiáng)度較差，剝落后露出內(nèi)部新鮮土體，呈蜂窩狀強(qiáng)度較差。

圖6 初步形成結(jié)皮

圖7 結(jié)皮層剝離

圖8 片狀剝蝕發(fā)育初步形成

圖9 片狀剝蝕成片脫落

(2)干縮開裂。干縮裂隙通常在土體表部形成。降雨結(jié)束后，土顆粒間基質(zhì)吸力增強(qiáng)逐漸大于土體內(nèi)部黏聚力，土體表面產(chǎn)生裂隙，多次反復(fù)裂隙發(fā)育擴(kuò)大。圖10至圖13為3場降雨后試驗臺體表面干縮開裂發(fā)育情況，結(jié)果顯示，隨著干濕次數(shù)增加，頂部裂隙發(fā)育方向延伸并擴(kuò)張，裂隙張開度明顯增大，縱向切深增大。

圖10 Ⅰ號墻體頂部原始形貌

圖11 頂部初步產(chǎn)生干縮裂隙

圖12 頂部干縮裂隙形成

圖13 頂部干縮裂隙進(jìn)一步發(fā)育

綜上，干濕破壞包括土體吸水濕化—失水收縮兩個過程，降雨過程中的干濕破壞處于土體濕化發(fā)育階段，一般來講，土體濕化程度越大，干濕破壞越明顯，干濕破壞作用貫穿于整個降雨及雨后失水的過程。

3.4.2 沖刷破壞發(fā)育過程

沖刷破壞實質(zhì)上是由于水力侵蝕造成的土顆粒脫離本體或離開原有位置形成的破壞，最常見的表現(xiàn)形式為沖溝。

夯土墻體頂部輕微的不平整為沖溝發(fā)育提供條件。沖溝的形成包括飽和、徑流形成、泥漿流淌和沖溝發(fā)育4個階段。試驗時，表層土體含水率逐漸升高，當(dāng)滲透系數(shù)小于降雨強(qiáng)度時，表層土體飽和，產(chǎn)生積水，積水沿下洼處流淌形成徑流，徑流帶走頂部飽和土體形成泥漿流淌，形成泄水通道。隨著降雨繼續(xù)，大量挾沙水流沿泄水通道流失，最終形成具有一定縱深的沖溝。

降雨引發(fā)的重力侵蝕是由于土體吸水飽和后重力增加，土體內(nèi)部C、Φ值減小，抗剪強(qiáng)度降低，當(dāng)抗剪強(qiáng)度小于飽和土體重力時發(fā)生坍塌。一般發(fā)生于遺址本身存在結(jié)構(gòu)性問題的情況下，例如大型裂隙發(fā)育、底部出現(xiàn)懸空區(qū)等。本次模擬試驗以現(xiàn)代夯筑墻體作為對象，墻體表面完整、無裂隙發(fā)育，不存在結(jié)構(gòu)性問題，不存在發(fā)生坍塌破壞的內(nèi)在條件，因此在試驗中歷史最大降雨條件下僅出現(xiàn)局部掉塊現(xiàn)象，屬于由沖刷破壞向坍塌破壞過渡階段，關(guān)于降雨對夯土遺址坍塌破壞的影響將采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究。

4 結(jié)束語

(1)榆陽區(qū)明代夯土長城雨蝕破壞模式分為干濕破壞、沖刷破壞和降雨導(dǎo)致的重力侵蝕，試驗結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致。

(2)夯土雨蝕破壞發(fā)育的一般過程分為3個階段。降雨初期雨蝕破壞以干濕破壞的濕化作用為主；雨蝕破壞發(fā)育中期，以表層土體開始飽和為標(biāo)志雨蝕破壞以沖刷破壞為主；雨蝕破壞發(fā)育后期，遺址表面土體局部飽和發(fā)生變形，降雨對土體的破壞作用以坍塌破壞為主。3種破壞模式可以并存，破壞程度逐漸遞增。