嘉峪關(guān)明長城日常保養(yǎng)維護(hù)技術(shù)措施的探索

趙麗娟

摘 要：大紅泉堡是嘉峪關(guān)長城防御體系中的重要組成部分。幾百年來，由于其地處祁連山腳，受所在區(qū)域賦存環(huán)境影響，夯土墻體出現(xiàn)了裂隙、掏蝕、風(fēng)化、坍塌等病害現(xiàn)象，時(shí)刻危及文物本體的安全。為確保文物本體安全，使文物價(jià)值的真實(shí)性和完整性得到有效保存，嘉峪關(guān)文物保護(hù)管理部門按照最小干預(yù)、不改變文物原狀的長城保護(hù)維修原則，組織實(shí)施了大紅泉堡的日常保養(yǎng)維護(hù)。通過現(xiàn)狀病害勘察分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，采用裂隙加固、掏蝕和坍塌區(qū)支護(hù)加固、周邊環(huán)境整治等技術(shù)措施，及時(shí)解決了長城本體安全險(xiǎn)情。文章通過總結(jié)大紅泉堡日常保養(yǎng)維修工作實(shí)施情況，探索夯土長城的日常保養(yǎng)維護(hù)方法和技術(shù)措施，為進(jìn)一步開展夯土長城的預(yù)防性保護(hù)提供有效借鑒。

關(guān)鍵詞：嘉峪關(guān);大紅泉堡;保養(yǎng)維護(hù);技術(shù)措施

嘉峪關(guān)，以其獨(dú)特的歷史地理背景，成了明王朝西北邊防的重要門戶，素有“諸夷入供之要路，河西保障之喉襟”之稱。明王朝為鞏固西北邊防，歷時(shí)200多年在嘉峪關(guān)兩翼及周邊修筑了由關(guān)堡、墻體、壕塹、烽燧等要素構(gòu)成的長城防御體系。

大紅泉堡是嘉峪關(guān)長城防御體系中的重要的關(guān)堡之一，地處祁連山腳，扼守祁連山中的埡口通道。幾百年來，由于其地處祁連山下，受所在區(qū)域賦存環(huán)境影響，夯土墻體出現(xiàn)了表面風(fēng)蝕、裂隙發(fā)育、墻基掏蝕、坍塌等病害現(xiàn)象，時(shí)刻危及文物本體的安全。2019年，嘉峪關(guān)文物保護(hù)管理部門按照最小干預(yù)、不改變文物原狀的長城保護(hù)維修原則，組織實(shí)施了大紅泉堡的日常保養(yǎng)維護(hù)，及時(shí)解決了長城本體安全險(xiǎn)情，確保文物本體安全，使文物價(jià)值的真實(shí)性和完整性得到有效保存。

1 大紅泉堡保存現(xiàn)狀

大紅泉堡修筑于祁連山北麓大紅泉山口北100米處的戈壁灘上，整體保存較差，坐北向南，平面呈矩形，東西38米，南北50米，周長176米。堡墻為黃土版筑，高0.50～4.10米，夯層清晰，厚0.11～0.18米。南墻開門，東墻、西墻、北墻中段外側(cè)筑有馬面，平面呈矩形，剖面呈梯形。目前，現(xiàn)存東墻、西墻北段、北墻和東墻、北墻中段的馬面，其余墻體坍塌僅存基礎(chǔ)，堡內(nèi)相關(guān)建筑遺跡無存。該堡自20世紀(jì)五六十年代至2019年保養(yǎng)維護(hù)前，均有牧民駐牧圈羊，東墻和西墻大部分為20世紀(jì)五六十年代在原基礎(chǔ)上用石塊壘筑的墻體，南墻為20世紀(jì)五六十年代在原基礎(chǔ)上用黃土夯筑的墻體。

2 區(qū)域環(huán)境特征

嘉峪關(guān)市屬典型溫帶大陸性干旱氣候，氣候干燥，溫差大，日照長，風(fēng)沙多，降雨量小，蒸發(fā)量大。據(jù)2018—2019年的氣候數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，年均氣溫7.8攝氏度，年均降水量131.7毫米，蒸發(fā)量為2125.58毫米，年均風(fēng)速2.9米每秒，平常風(fēng)力多為3～4級(jí)。①大紅泉堡地處嘉峪關(guān)市西南角祁連山北麓邊緣大紅泉山口處的沖積扇地帶，地勢(shì)南高北低，氣候受祁連山區(qū)氣候影響，降水量較市區(qū)充沛，且大風(fēng)頻發(fā)，日照強(qiáng)，晝夜溫差較大，年平均氣溫低于市區(qū)。

3 病害情況及成因和危害性分析

3.1 病害發(fā)育情況

通過對(duì)大紅泉堡實(shí)地勘查，由于其地處祁連山區(qū)，降水量較市區(qū)充沛，大風(fēng)頻發(fā)，生物和人類活動(dòng)頻繁，受雨雪、風(fēng)沙、凍融和急劇溫濕度變化等自然因素和人為因素影響，表面片狀剝蝕、酥堿、風(fēng)蝕以及根部掏蝕和局部夯土坍塌等病害較為發(fā)育，其發(fā)育的主要病害有裂隙發(fā)育、掏蝕、坍塌、沖溝等（表1）。

3.2 病害成因和危害性分析

3.2.1 土體特性

進(jìn)一步掌握大紅泉堡在所處的賦存環(huán)境中本體病害成因和具體危害，以制定合理的保養(yǎng)維護(hù)方案，選取保養(yǎng)維護(hù)材料開展保養(yǎng)維護(hù)?？辈殡A段對(duì)大紅泉堡本體土質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)取樣，并在室內(nèi)進(jìn)行土的界限含水率、易溶鹽和土的抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)有效的分析。大紅泉堡所在區(qū)域氣候?qū)贉貛Т箨懶愿珊禋夂颍瑝w土質(zhì)天然含水量偏低，含水率為0.744%，土體密度、干密度均較大，天然密度為1.558克每立方厘米，顆粒密度為2.716克每立方厘米，干密度為1.546克每立方厘米，孔隙率小，結(jié)構(gòu)均一，孔隙率為43.08%。易溶鹽總量最大，主要以硫酸鹽為主，沿墻體高度往上，含量逐漸減小，但總體含量均較小，為微腐蝕性。土體的pH酸堿值分布比較均勻，pH酸堿值范圍為7.73～8.39，分布范圍小且較集中，具有弱堿性。

3.2.2 病害成因和危害性分析

裂隙的發(fā)育成因及危害性分析：墻體裂隙成因主要有兩種：第一種為版筑縫裂隙，其成因?yàn)閴w夯筑過程中夯筑工藝形成的版筑縫，由于墻體過長，夯筑時(shí)由多版銜接夯筑，兩版段之間自然形成裂隙;第二種為卸荷裂隙，其成因?yàn)楦刻臀g，應(yīng)力重分布而產(chǎn)生的裂隙。

裂隙造成的危害性主要有兩種：一種是各種裂隙的存在為外界水進(jìn)入土體提供了通道，外界水灌入裂隙后，浸濕土體，從而降低了裂隙兩壁土體的力學(xué)強(qiáng)度，引起裂隙兩壁土體松散，進(jìn)而引發(fā)夯土體酥堿、塊狀剝落，造成墻體坍塌;第二種是各類裂縫交錯(cuò)組合發(fā)育，使墻體局部分割形成數(shù)個(gè)獨(dú)立的危險(xiǎn)單體，從而降低墻體的整體穩(wěn)定性，使墻體抵御大風(fēng)、震動(dòng)等外在因素動(dòng)荷載的能力降低，極易造成坍塌。

掏蝕發(fā)育成因及危害性分析：造成墻體根部掏蝕發(fā)育的原因有三種。第一種為水的作用形成的，對(duì)土遺址來講，水是造成土遺址各類病害發(fā)育的誘發(fā)劑和助推劑，對(duì)各類病害發(fā)育產(chǎn)生、發(fā)展、加劇起著至關(guān)重要的作用。降雨及周邊區(qū)域地面匯集水對(duì)墻體的沖刷和滲入，使墻體表層一定深度內(nèi)的夯土體含水率達(dá)到飽和進(jìn)而迅速崩解、沖蝕剝離。與此同時(shí)，夯土體含水率飽和后易引起易溶鹽析出，土質(zhì)酥堿，形成土體掏蝕。第二種為風(fēng)的作用形成。大紅泉堡地處山口的沖積扇地帶，大風(fēng)頻發(fā)，風(fēng)能促使夯土墻體表面因水和易溶鹽作用形成的一層結(jié)構(gòu)松散殼體剝離脫落。風(fēng)是墻體根部掏蝕的主要營力之一，風(fēng)攜帶的砂粒對(duì)土的撞擊作用和風(fēng)在墻體根部形成渦流對(duì)土進(jìn)行磨蝕作用非常容易發(fā)生掏蝕凹進(jìn)現(xiàn)象。第三種是急劇溫濕度變化和凍融。大紅泉堡所在的祁連山區(qū)晝夜溫差較大，冬季寒冷多降雪，急劇溫濕度變化易造成夯土體的收縮，為墻體表層風(fēng)蝕剝蝕奠定了良好的基礎(chǔ)。凍融是根部掏蝕病害發(fā)育的主導(dǎo)因素之一，急劇溫濕度變化和凍融引起夯土體內(nèi)鹽分發(fā)生運(yùn)移，導(dǎo)致夯土體的不均勻收縮和酥堿疏松，為根部掏蝕提供了先決條件。掏蝕病害造成的危害性主要是在墻體底部形成巨大的臨空面。墻體下部失去支撐且有臨空面存在的情況下，整體抗傾覆能力降低，較容易發(fā)生夯土體分層墜落，引起夯土體局部或整體坍塌，加速墻體破壞速度，致使墻體消失。

坍塌發(fā)育成因及危害性分析：坍塌病害發(fā)育的成因主要有三種：第一種是由雨水滲入墻體后致使夯土體的內(nèi)聚力降低、發(fā)生變形而起坍塌;第二種是由于水、風(fēng)及人為破壞等外營力造成的墻體根部掏蝕導(dǎo)致的上部夯土體懸空而引發(fā)的坍塌;第三種是震動(dòng)引發(fā)的坍塌，墻體產(chǎn)生裂隙后，由于地震或重型車輛通過引起的震動(dòng)極易導(dǎo)致墻體夯土體坍塌;坍塌病害造成的危害性主要是加速破壞墻體的整體性，最終導(dǎo)致墻體的消失。

沖溝發(fā)育成因及危害性分析：沖溝病害的發(fā)育成因分為兩種：一種是沿墻體夯土密實(shí)度薄弱部位發(fā)生，多在夯土墻體構(gòu)筑的版筑縫處，該處土體相對(duì)疏松，在水的沖刷作用下容易發(fā)育生成沖溝，這種沖溝均具有沖蝕深度大、頂部沖蝕面開闊等特點(diǎn);另一種是墻體周邊地面沖溝，此類沖溝引導(dǎo)地面水匯集在墻體根部，對(duì)墻體根部沖蝕，引起墻體根部掏蝕的等病害發(fā)育。沖溝的危害性主要是水的沖蝕破壞造成墻體土質(zhì)流失。尤其是版筑縫處，土質(zhì)相對(duì)疏松，沖溝沖深大，降雨匯集后，易在溝道內(nèi)形成急流，急流產(chǎn)生的較大沖蝕能力使沖溝規(guī)模不斷擴(kuò)大，加速了墻體夯土體土質(zhì)的流失。

4 保養(yǎng)維護(hù)技術(shù)措施

按《長城保護(hù)維修工作指導(dǎo)意見》①中的基本原則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，本次保養(yǎng)維護(hù)以消除安全隱患為主，主要采取裂隙加固、掏蝕區(qū)和坍塌區(qū)加固、表面沖溝整治、防排水處置等技術(shù)措施，以確保保養(yǎng)維護(hù)效果的可識(shí)別性和可逆性，為下一步開展保護(hù)修繕工作奠定基礎(chǔ)。

4.1 裂隙加固

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查和試驗(yàn)分析，大紅泉堡墻體發(fā)育的裂隙具有不同的特征，對(duì)遺址的穩(wěn)定性影響程度也不相同，因此，為避免對(duì)本體的過大干擾，采用灌漿的技術(shù)措施加固，灌漿材料依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果選定。較小的裂隙直接采用無壓力灌漿加固;對(duì)于墻體上發(fā)育裂隙寬度大于2厘米的深大裂隙，僅僅通過注漿無法達(dá)到裂隙加固的效果，必須充填與土性質(zhì)相近的土塊后注漿達(dá)到裂隙密實(shí)的效果。注漿加固技術(shù)措施如下：

①埋設(shè)注漿管。在砌補(bǔ)過程中按照不小于300毫米的間距，順著裂隙的走勢(shì)方向埋設(shè)注漿管。注漿管采用直徑10毫米的塑膠注漿管。貫通裂隙注漿管的埋設(shè)要求在墻體兩側(cè)的不同高度同時(shí)埋設(shè)，兩側(cè)相鄰兩根注漿管的距離不得大于200毫米，且墻體兩側(cè)兩根注漿管的末端的搭接長度不小于100毫米。①

②裂隙注漿前，清理裂隙壁表面的沙和虛土，并滲透加固裂隙中充填的土塊填充物和裂縫兩壁，注漿漿液采用C+F（黏土加粉煤灰）漿液，按自下而上的順序依次向上通過注漿管注漿。

③注漿時(shí)，嚴(yán)格控制注漿量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)相鄰的上方注漿管中漿液溢出時(shí)，應(yīng)停止注漿并堵塞該注漿孔，再依次從上方的其他注漿管中注漿。注漿時(shí)注意做好封堵工作，防止冒漿，出現(xiàn)噴漿現(xiàn)象污染墻體。

④對(duì)于較窄小的裂隙，應(yīng)采用適當(dāng)增大水灰比的方式以減小漿液黏度，增大漿液可灌性進(jìn)行注漿。

⑤注漿完成后，漿液達(dá)到膠凝固化狀態(tài)后，切除露出墻面外面的塑膠注漿管，并用泥填堵注漿孔，抹平做舊。

4.2 掏蝕區(qū)、坍塌區(qū)加固

在長城的保養(yǎng)維護(hù)時(shí)要確保“最小干預(yù)和不改變文物原狀”的保護(hù)維修原則，必須遵循“原形制、原結(jié)構(gòu)、原材料、原工藝”的文物修繕原則進(jìn)行。大紅泉堡墻體為黃土夯筑，如進(jìn)行保護(hù)維修，則需選用與之相同的材料和工藝進(jìn)行。但此次為日常保養(yǎng)維護(hù)，工作的重點(diǎn)是排除危及本體安全的險(xiǎn)情，阻止各類病害的繼續(xù)發(fā)育，因此，本次采取土坯補(bǔ)砌支護(hù)加固措施。該措施既能解決目前出現(xiàn)的病害險(xiǎn)情，阻止病害蔓延，還具有可逆性，便于今后采用更為科學(xué)合理的材料配比和技術(shù)措施進(jìn)行保護(hù)維修。

對(duì)于體積較大、掏蝕和坍塌深度大于30厘米的部位的支護(hù)加固措施：首先，根據(jù)墻體安全危險(xiǎn)性的實(shí)際情況，使用木支撐做臨時(shí)安全支護(hù)措施，確保施工過程中施工人員的人身安全和堡墻文物本體的安全。并采用與堡墻本體基本相近，且可溶鹽含量低于0.3%的土經(jīng)人工加工制成土坯。土坯制作時(shí)選用當(dāng)?shù)乜扇茺}含量低于0.3%的黏土，土色與堡墻土質(zhì)顏色相近，按照水灰比0.2～0.3∶1拌制，放入模具夯實(shí)而成，壓實(shí)度不低于95%。土坯砌筑泥漿采用相同材料配制，水灰比應(yīng)為0.5～0.6∶1。砌筑時(shí)底部做一層20厘米厚的三七灰土墊層，并將墊層沿掏蝕兩側(cè)各延伸20厘米，且沿墻體向外延伸60厘米，注意保持遺址形制。

其次，采用壓槎搭接的方式砌筑土坯，磚縫黏結(jié)寬度為10毫米。砌筑時(shí)將拉筋麻繩布設(shè)壓埋至相對(duì)應(yīng)的泥漿層中，使砌筑土坯與墻體形成網(wǎng)狀錨固連接，以提高砌補(bǔ)土坯與堡墻本體的整體性。與此同時(shí)，在砌補(bǔ)的過程中按照0.5米*0.5米間隔設(shè)置埋設(shè)4.5毫米的注漿管，用于砌筑體沉降穩(wěn)定后沉降縫注漿修補(bǔ)。

再次，注漿填充。砌補(bǔ)土坯達(dá)到一定強(qiáng)度后，采用水灰比為0.6∶1的泥漿填補(bǔ)砌補(bǔ)過程中的沉降縫和砌補(bǔ)體與原墻體間形成的不規(guī)則空洞，增強(qiáng)砌補(bǔ)層與原墻體的結(jié)合力。

最后，根據(jù)病害輕重程度進(jìn)行砌補(bǔ)后外形的修正，通過對(duì)遺址本體外部結(jié)構(gòu)、線條、形狀、色彩等的理解、分析、試驗(yàn)進(jìn)行最后細(xì)節(jié)修正措施，對(duì)砌補(bǔ)部位進(jìn)行修正、偽裝，使其外形結(jié)構(gòu)細(xì)部線條和色彩等與其遺址本體整體相協(xié)調(diào)。

4.3 沖溝整治

對(duì)于規(guī)模較大的沖溝且局部發(fā)生塌陷的地方，找到合適的持力層進(jìn)行土坯砌補(bǔ)，砌補(bǔ)不宜過量，保持與遺址的原貌相協(xié)調(diào)，然后進(jìn)行匯水區(qū)的表面平整形成一定的坡度，以利于排水。對(duì)規(guī)模不大的沖溝進(jìn)行適當(dāng)平整。匯水區(qū)表面整治，形成一定的排水坡度。

4.4 墻基防排水

在各段墻體底部做寬度為60厘米的散水，散水坡度為5%。散水材料采用三七灰土人工夯實(shí)，壓實(shí)度不低于95%。

5 保養(yǎng)維護(hù)前后效果

保養(yǎng)維護(hù)前后效果對(duì)比如圖1～圖8所示。

6 結(jié)語

對(duì)長城而言，任何保護(hù)維修措施都是有損的，都是對(duì)文物原狀的干預(yù)，對(duì)真實(shí)歷史信息的減損。長城的日常保養(yǎng)維護(hù)是一種行之有效的預(yù)防性保護(hù)措施，尤其對(duì)于極其脆弱的嘉峪關(guān)土質(zhì)長城來說，西北地區(qū)惡劣的氣候環(huán)境對(duì)長城保存狀況的直接影響較大，日常保養(yǎng)維護(hù)顯得尤為重要。

日常保養(yǎng)維護(hù)措施要嚴(yán)格遵守不改變文物原狀和最小干預(yù)的原則，嚴(yán)格控制各類干預(yù)措施的實(shí)施范圍和工程量，妥善保護(hù)長城遺存的真實(shí)性、完整性和滄桑古樸的歷史風(fēng)貌。通過詳細(xì)的長城本體病害勘查和科學(xué)試驗(yàn)，掌握長城本體病害的成因和發(fā)育機(jī)理，量身制定的合理有效且具有可逆性的技術(shù)措施，及時(shí)開展日常性的保養(yǎng)維護(hù)，制止危及長城本體安全的病害發(fā)育蔓延，調(diào)控干預(yù)，抑制各種環(huán)境因素對(duì)長城本體的危害作用，既可以阻止或延緩長城本體的最終劣化，還可以減少保護(hù)工程對(duì)長城本體的干預(yù)，減少災(zāi)害發(fā)生的可能和災(zāi)害對(duì)長城造成損害以及損壞后需要采取的修復(fù)措施的強(qiáng)度。使長城處于一個(gè)“穩(wěn)定、潔凈”安全生存環(huán)境，達(dá)到長久保存。