環(huán)境對交河故城破壞機理研究

內(nèi)容摘要：交河故城遺址在自然和人為環(huán)境的影響下，已經(jīng)遭受了嚴重的破壞，交河故城的環(huán)境主要特點是風(fēng)沙大。溫差大，土體耐崩解性差，礦物成分的耐風(fēng)化、熱膨脹系數(shù)有差異，位于新構(gòu)造活動帶。它的主要病害有風(fēng)蝕、雨蝕、裂隙、崩塌等，交河故城的破壞主要是這些因素的綜合作用。通過對交河故城賦存環(huán)境和病害的調(diào)查，分析它的賦存環(huán)境因素對土遺址的作用機理，認為風(fēng)是交河故城破壞的主要外動力，風(fēng)蝕病害是交河故城的最主要病害，風(fēng)參與了所有的破壞活動；溫差變化大、雨蝕、地質(zhì)構(gòu)造和地震是它破壞的因素之一。溫度變化引起土體內(nèi)水分含量的變化是表層土體風(fēng)化的主要因素；土體中可溶鹽、方解石、長石含量高，是它抵抗破壞性能差的主要內(nèi)因；同時，建議可用PS材料對它進行保護加固。

關(guān)鍵詞：交河故城；環(huán)境；保護；土遺址

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106(2007)05-0068-06

一 前言

土遺址保護的根本點就是研究環(huán)境對文物的作用，并把環(huán)境對文物的破壞作用降低到最低。交河故城在自然和人為環(huán)境的侵蝕下，已經(jīng)遭受了嚴重的破壞，它的主要病害有風(fēng)蝕、雨蝕、裂隙、崩塌等，這些病害都和環(huán)境有著密不可分的聯(lián)系，只有研究清楚它的環(huán)境賦存條件，才能準確的分析病害形成機理，才可能對其進行有效的保護。因此，研究它的賦存環(huán)境，對科學(xué)的保護有至關(guān)重要的作用。

環(huán)境對文物的重要性已經(jīng)引起文物工作者的注意，過去對交河的環(huán)境也做過大量基礎(chǔ)工作，但是，這些工作沒有將交河故城的賦存環(huán)境與病害形成機理之間的關(guān)系作系統(tǒng)的研究，本文就試圖從這方面進行探討。

二 建造工藝及組分特征

1、建造工藝

交河城址坐落在雅爾乃孜溝兩條河之間的30m高的黃土臺上，長約1650m，兩端窄，中間最寬處約300m，呈柳葉形半島。交河故城的布局大體分為三部分，北部寺院區(qū)和南部居住區(qū)，一條長約350m、寬約10m的南北大道，把居住區(qū)分為東、西兩大部分。大道兩側(cè)是高厚的土垣，垣后是被縱橫交錯的短巷分割的“坊”，臨街不開門。交河故城的建造工藝主要有兩類，一類是整個建筑直接在生土上挖造而成，多為窯洞式建筑，如窯洞、地穴、半地穴、井等；另一類是挖、夯和堆砌三種工藝組合或者挖和堆砌兩種工藝組合構(gòu)筑的建筑物，多為庭院式建筑、佛塔和佛壇等，這類建筑物的基礎(chǔ)部分都是自地表向下從生土中挖出。一種是在生土墻基頂部的自然凹陷處，用土料分層夯補找平，也有用填補土塊的方法補平，若高度不夠，其上再做版筑泥墻至所需高度，版筑泥層高約0.6-0.8m，以0.7m的層高多見，每層可分為細層，細層厚10-15cm每垛長45-60cm，另一種沒有找平層，在夯土上直接砌筑版筑泥。

2、組分特征

交河故城生土的巖性以粉土、粉質(zhì)黏土、粉細砂互層為主，生土墻基及臺體是第四紀沖洪積物，呈層狀不均勻結(jié)構(gòu)，含沙量大，強度較低。版筑泥墻體相對沙含量較低，但仍是用臺地土料建造，其性質(zhì)與墻基生土基本相同，夯土一般就地取材。土性也和生土基本一致。

交河故城墻體土的礦物成分主要是石英、方解石、長石、水云母和綠泥石少量。不同的建筑工藝的材料，各種礦物的含量略有變化。交河故城土體的易溶鹽主要為NaCl、Na₂SO₄，易溶鹽總量為6.05-17.96g/kg。

三 交河故城的賦存環(huán)境特征

影響交河故城保護主要的環(huán)境因素有風(fēng)、雨、溫度、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造及地震。

1、風(fēng)的特征

吐魯番盆地風(fēng)沙很大，春季多風(fēng)，根據(jù)吐魯番40年(1951-1990)的氣象資料統(tǒng)計：8-10級大風(fēng)年平均為36.2d，沙暴年平均為11.2d，大風(fēng)持續(xù)時間最長為8d。平均每天刮8.35h。

2、雨的特征

吐魯番盆地屬典型的大陸性暖溫帶干旱荒漠氣候，具有干熱、少雨的氣候特征，最大年降水量為48.4mm，最少為2.9mm，多年平均降水量為16.2mm，年蒸發(fā)量為2787.1mm，但歷史上也曾出過現(xiàn)過40-50mm的大暴雨，近50年來，40mm以上的大雨也有數(shù)次，吐魯番地區(qū)的大降水具有時間短、強度大、范圍小和雨量集中的特點。

3、溫度特征

交河臺地夏季高溫、干燥，冬季干冷，最高溫度47.4℃，最低溫度為-28℃，年平均溫度為35℃，高溫天氣一般可達99d，其中40℃以上高溫可達36d。1994年7月15日至20日6天的溫差測試數(shù)據(jù)見圖1，最高氣溫與最低氣溫相差21.9℃，地面晝夜溫差達44.5℃。

4、地質(zhì)構(gòu)造及地震作用

交河故城位于吐魯番盆地中央隆起構(gòu)造帶肯德克逆斷裂一背斜的背斜東北段，該構(gòu)造帶呈100°-110°走向的狹窄條帶狀展布，由肯德克山前逆斷裂及其上盤的肯德克背斜組成，是一條活動的斷層擴展背斜帶。

據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2001)》，故城的抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。有發(fā)生中強地震的條件，并且吐魯番盆地已再一次面臨大地震的危險。同時，據(jù)僅百年記載，造成吐魯番地區(qū)民房、寺廟倒塌的地震就有五次。

5、水文環(huán)境

東天山的降水和冰雪消融形成的洪水通過塔爾朗、大河沿兩道河溝和戈壁下瀉至環(huán)繞交河的雅爾乃孜河溝，洪水對故城的危害是十分嚴重的。故城東側(cè)雅爾乃孜河溝平時流量只有2-3m³/s，但每年的七八月間都要發(fā)生大小不同的洪水二三次，流量可達40-80m³/s，據(jù)吐魯番水文資料初步統(tǒng)計，1955-1995年塔爾朗河和大河沿河在40年間發(fā)生較大的洪水19次，其中1958年從雅爾乃孜溝下瀉的洪水達80m³/s。

四 病害類型及特征

1、風(fēng)蝕

風(fēng)蝕在交河故城的各種病害中占主導(dǎo)地位，它自始至終都參與各種病害發(fā)生、發(fā)展，除了典型的風(fēng)蝕地貌外，它也對其他病害起到加重作用。在交河故城中，典型的風(fēng)蝕地貌有三種：蜂窩狀、層狀、棒槌墻。在風(fēng)的作用下，版筑墻面上的草泥層被磨蝕殆盡，向西北的墻面被風(fēng)蝕得千瘡百孔，有的墻面凹凸不平呈蜂窩麻面狀，有的呈鱗片狀龜裂剝離，甚至有的墻體局部被風(fēng)蝕穿透，大部墻被風(fēng)蝕凹進，使墻呈“棒錘山”。

2、雨蝕

吐魯番地區(qū)雖然非常干旱少雨，但一次降雨量超過40mm的強降雨也偶爾出現(xiàn)。在兩千多年漫長的歲月里，這種偶爾大雨沖刷造成的破壞是可以想象到的。遺址的墻體含沙量大，耐崩解性差，遇到雨水便立即崩解成泥漿而流失，形成三種典型病害：墻面片狀剝離、低洼區(qū)浸水、沖溝。

3、根部酥堿

交河故城的根部酥堿主要發(fā)生在臺地中部和南部，造成大量的墻體坍塌。1992年曾進行的搶救性保護，用土坯進行了砌補，由于當時的保護技術(shù)落后，現(xiàn)在許多已經(jīng)開裂。

4、裂隙密布

在強烈日溫差所引起的反復(fù)脹縮以及地震、凍融和卸荷等內(nèi)外營力長期作用下，建筑物裂隙密布，主要表現(xiàn)形式是土體開裂、洞頂裂隙和版筑泥縫開裂。

5、崩塌

墻體、窯洞、臺體和臺地邊坡的崩塌是交河故城危害性最大的一種病害，交河故城的崩塌主要有錯斷式、拉裂式和傾倒式。

五 環(huán)境因素對土遺址的作用機理研究

1、溫度對文物的作用

溫度對土遺址的作用主要是溫差的影響，由于土遺址本身所含的礦物成分的差異，不同礦物的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度急劇變化的條件下，產(chǎn)生差異膨脹，使土體的結(jié)構(gòu)不斷疏松，強度降低。

熱膨脹是礦物材料的重要物理性質(zhì)，礦物的熱膨脹是礦物在不同溫度下分子鍵長及鍵角變化的復(fù)合反應(yīng)，組成晶體的配位多面體的膨脹性不因晶體結(jié)構(gòu)的變化而變化，熱膨脹的大小和組成晶體的化學(xué)成分、化學(xué)鍵類型、配位數(shù)、離子價態(tài)、離子大小、電子分布等有關(guān)，晶體的熱膨脹嚴格受晶體對稱性的約束，中、低級晶族晶體的熱膨脹系數(shù)表現(xiàn)出明顯的各向異性。對于層狀、鏈狀結(jié)構(gòu)礦物這種異向性表現(xiàn)更明顯，另一方面，組成晶體的配位多面體若以共角頂?shù)姆绞竭B接，則有可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)隨溫度迅速變化，如石英的情況，或角頂間夾角的改變造成熱膨脹系數(shù)的異常大或異常小的現(xiàn)象。

交河故城土體中的層狀、鏈狀結(jié)構(gòu)礦物不多，但含有34-40％的方解石，方解石屬于含氧鹽礦物大類的碳酸鹽礦物類方解石族，是無水碳酸鹽，屬中級晶族三方晶系，晶體結(jié)構(gòu)屬方解石型，硬度為3，比重為2.71，方解石結(jié)構(gòu)型礦物熱膨脹系數(shù)存在各向異性，耐凍融性差，在溫差的作用下，由于體積變化和熱膨脹差異，在巖石顆粒內(nèi)部以及顆粒之間會產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力效應(yīng)，造成應(yīng)力的局部集中，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞，如此長期反復(fù)發(fā)熱作用，使土體的結(jié)構(gòu)不斷疏松。

溫度的變化還可以引起版筑泥墻裂縫的形成，版筑泥墻由于失水收縮，沿版跺縫開裂形成裂縫，為其他環(huán)境因素的進一步作用提供了條件。

2、水對土遺址的作用

交河故城水的來源主要由溫差引起的空氣濕度變化、降雨以及地表水。

(1)吸附水的作用

氣溫升降引起巖石干濕變化，會使巖石沿著已有的聯(lián)結(jié)軟弱部位(如未開裂的層理、片理、劈理，礦物顆粒的集合面以及礦物解理面等)形成新的裂隙，即風(fēng)化裂隙，或者對原有裂隙進一步增寬、加深、延展和擴大，這種巖石裂隙的生成或加劇主要是水的楔入和凍脹作用的結(jié)果。由于溫度的變化引起空氣濕度的變化，同時，由于交河故城的溫差極大，可以產(chǎn)生凝結(jié)水。水對土遺址的破壞主要有三種形式，水可以形成吸附水，加速礦物的風(fēng)化，交河故城土體中含有15-30％的長石，長石屬于含氧鹽礦物大類的硅酸鹽礦物類的架狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽亞類長石族，硬度為6，比重為2.5-2.8之間，長石族礦物是抗風(fēng)化能力較差的一類礦物，當遭受風(fēng)化時，顆粒表面常為一層次生的絹云母或高嶺石一類礦物所覆蓋，因而致使它對油、氣、水的吸附能力加強并產(chǎn)生膨脹，堵塞巖石所在的孔隙或使之變小，造成巖石滲透性降低。

吸附水是以中性水分子形式被機械地吸附于礦物顆粒外表面或孔隙中的水，呈分子狀態(tài)，含量不固定，不參加晶格構(gòu)造。這種水可以是氣態(tài)的，形成氣泡水；也可以是液態(tài)的，或者包圍礦物的顆粒形成薄膜水，或者填充在礦物裂隙及礦物粉末孔隙中形成毛細管水，或者以微弱的聯(lián)結(jié)力依附在膠體粒子表面上，形成膠體水，在常壓下，當溫度達到100-110℃或更高一點時，吸附水就可從礦物中全部逸出。吸附水的作用增加改變了孔隙內(nèi)表面分子的相互作用力，大約在巖石孔隙表面吸附達到3個分子層時，就可發(fā)生強烈的膨脹效應(yīng)，在低的相對濕度下，伴隨水的吸附作用存在的膨脹效應(yīng)使孔隙張開，水能進一步滲入孔隙和張裂隙，加速它的風(fēng)化作用。

水的另一個作用是引起可溶鹽的結(jié)晶、溶解。交河故城遺址土中含有較多的可溶鹽，由于溫濕度的變化，引起土中可溶鹽的反復(fù)結(jié)晶、溶解，尤其是Na₂SO₄反復(fù)的溶解收縮—結(jié)晶膨脹—溶解收縮。Na₂SO₄溶解度隨溫度的變化比較大(從15℃-5℃溶解度減小十幾倍)。因此，溫度的降低將會導(dǎo)致大量的Na₂SO₄·10H₂O晶體析出，硫酸鈉吸水后結(jié)晶析出，會造成體積膨脹3.1倍，而且土中的硫酸鈉晶體析出使土體的膨脹量更大，對故城產(chǎn)生極大的破壞作用。像基礎(chǔ)部位由于水分含量相對高，水的作用更為明顯，基礎(chǔ)酥堿是故城破壞的主要形式之一。

水的冰劈作用。由于吐魯番最低溫度一28℃，充填于孔隙的水結(jié)冰膨脹，對土體的破壞也不能忽視。

(2)雨對文物的作用

雨蝕是交河故城的破壞原因之一，交河故城雖然位于干旱區(qū)，但交河40毫米以上的大雨也時有發(fā)生，土遺址表層的土體由于長期風(fēng)化作用，抗剪強度較低，抗雨蝕能力較差。雨滴的平均降落速度為7-9m/s，對土遺址產(chǎn)生很大的沖擊力，雨滴擊濺可分為干土濺散、泥漿濺散、層狀侵蝕三個階段。降雨初期，雨滴降落到相對比較干燥的土體表面，因土體顆粒間隙有空氣充填，土粒還來不及吸取雨水，細小土粒只隨雨滴濺散開。隨著降雨時間的延長，表層土體空隙充填的水分逐漸增多，并繼續(xù)接受雨滴的沖擊、震蕩，由于交河故城土體的耐崩解性能較差，在雨的作用下，土體迅速崩解。當其土體表層水分增加到過于飽和程度后，即成為稀泥狀態(tài)，降雨過程繼續(xù)延長，土體表層的泥漿將阻塞土壤孔隙，妨礙水分繼續(xù)下滲，形成泥漿狀沿墻面流下。同時土體的可溶鹽溶解流失，使墻面形成一層富含CaCO₃的泥皮，在太陽的暴曬下龜裂。由于表層土體和新鮮土體性質(zhì)的差異，在其他外動力作用下脫落，形成面片狀剝落。對版筑泥墻，雨水還可以沿版筑縫下滲，使版筑縫不斷擴大，最后墻體失穩(wěn)倒塌。對有些臺體由于頂部面積較大，有匯水面，雨水匯集成徑流，順地勢而下，在臺體表面形成沖溝，破壞臺體的外貌并且雨水滲入土體裂隙，降低土的力學(xué)性能，引起土體失穩(wěn)坍塌。同時，雨水還可以匯集在墻的基礎(chǔ)，使基礎(chǔ)處土體含水量增加，加速了基礎(chǔ)的酥堿作用。

(3)地表水的作用

在兇猛的洪水沖擊下，故城周緣崖體不斷坍塌，據(jù)測算，故城東崖岸塌毀地段不少于15-20米，隨著崖體的坍塌，大量建筑也隨之塌落。目前，洪水對臺地的破壞已經(jīng)得到了人們的重視，1992年已經(jīng)修建了防洪堤，較好地解決了洪水對臺地的危害。

3、風(fēng)對文物的作用

風(fēng)是交河故城破壞的主要外動力，風(fēng)蝕病害是交河故城的最主要病害。風(fēng)對土遺址的破壞主要是吹蝕作用和磨蝕作用，在溫度和雨等長期作用下，土體表面風(fēng)化、強度降低，尤其是挾沙風(fēng)對土遺址產(chǎn)生巨大的破壞作用。交河故城大于17m/s的風(fēng)經(jīng)常發(fā)生，15m/s的挾沙風(fēng)吹蝕模數(shù)可達20.4kg/m²·h。在交河，所有朝向西北的墻面損壞的都很嚴重，表面呈現(xiàn)凹凸不平的鈣結(jié)核，版筑泥墻面的草皮被吹蝕殆盡，大部分面片狀泥皮被剝落。風(fēng)沙的磨蝕作用破壞性也很大，風(fēng)所挾帶的沙主要集中在離地面2m高度范圍內(nèi)，是基礎(chǔ)掏蝕的主要外動力。

4、地質(zhì)條件對文物的作用

不同的地層，土體的成分、礦物結(jié)構(gòu)、膠結(jié)程度、強度都不同，其抗風(fēng)蝕的能力也差異很大，形成了典型的風(fēng)蝕地貌。溫度的風(fēng)化作用主要是礦物成分之間的差異，雨的作用強度與土體本身的水理性質(zhì)有關(guān)，也離不開可溶鹽的參與。

礦物是巖石的構(gòu)成單位，它的化學(xué)性質(zhì)在一定程度上是控制巖石強度及其抗風(fēng)化能力的重要因素。結(jié)晶質(zhì)礦物都具有一定的化學(xué)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，化學(xué)組成是構(gòu)成礦物晶體的物質(zhì)內(nèi)容，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)是該礦物在一定條件下得以穩(wěn)定存在的形式，它們兩者之間相互依存、相互制約的有機聯(lián)系，決定著結(jié)晶質(zhì)礦物的外部形態(tài)和各項物理性質(zhì)。

地質(zhì)構(gòu)造的作用在交河故城也不可忽視，由于交河故城位于新構(gòu)造活動帶，其裂隙明顯的受構(gòu)造影響，裂隙的走向以SW300°-SW330°居多。在交河故城的崖邊更是發(fā)育大量的卸荷裂隙，嚴重地影響崖體的穩(wěn)定。

5、地震對文物的作用

交河故城所在地區(qū)地震頻繁，地震是造成故城破壞嚴重的另一個因素。地震往往會造成毀滅性的破壞，2003年地震對伊朗巴姆古城造成的破壞就是明證。在故城及河流階地剖面上均發(fā)現(xiàn)有古地震造成的沙土液化現(xiàn)象，近代的地震也都對故城造成了破壞。

6、人為因素對文物的作用

交河破壞嚴重的另一個因素是人為原因。20世紀人們曾在臺地上取土作為肥料。對故城造成了很大的破壞。現(xiàn)在已經(jīng)得到了有效的管理。

六 保護加固對策

土遺址的破壞與環(huán)境有著密切的關(guān)系，因此，研究土遺址的保護，就必須搞清它的賦存環(huán)境以及環(huán)境對土遺址的破壞機理。交河故城的環(huán)境特點是風(fēng)大、溫差大、暴雨時有發(fā)生、位于新構(gòu)造活動帶，土體本身的易溶鹽含量大。含有較多的耐風(fēng)化差的長石和耐凍融差的方解石，土體的耐崩解性極差。

1、交河故城的病害是各種病害的組合形式，沒有一個建筑物是單一病害，各種病害相互促進，共同發(fā)展。病害從保護得角度可以分為兩大類，即風(fēng)化問題(風(fēng)蝕、雨蝕和酥堿)和穩(wěn)定問題(裂隙和崩塌)。

2、交河故城的病害是內(nèi)外因共同作用的結(jié)果。室外遺址的保護，環(huán)境是很難改變，保護工作的重心應(yīng)該是提高土體本身抵抗外力破壞的性能，文物保護維修工程的原則是不改變原貌，因此，研究土的改性材料是一個較好的方法。

3、交河故城的主要病害是風(fēng)化。目前只能采取延緩它風(fēng)化的速度，提高土體本身的抗風(fēng)化性能，PS材料特別適合西部干旱區(qū)土遺址保護，PS表面滲透加固對土遺址有很好的防風(fēng)蝕、雨蝕效果，耐老化(凍融)性能明顯提高，可以作為交河故城的加固材料。

4、對穩(wěn)定問題，目前適合土遺址加固的方法尚處于研究階段，絕對不改變原貌的措施目前還沒有。應(yīng)該重點研究加固方法和文物保護維修原則的合適的切入點，即要盡可能地保持原貌，又要保證文物的安全，如果沒有合適的方法，那就要根據(jù)可逆性原則，選擇可逆性的方案。

5、在交河保護是要考慮風(fēng)蝕地貌本身就是一種景觀，它提高了文物的觀賞價值，因此，保護維修工程要特別注意對一些具有觀賞價值的地貌不能破壞它的藝術(shù)造型。

七 結(jié)論

1、交河故城的環(huán)境主要特點是風(fēng)大，溫差大，土體耐崩解性差，礦物成分的耐風(fēng)化、熱膨脹系數(shù)有差異，位于新構(gòu)造活動帶。交河故城的破壞主要是這些因素的綜合作用。

2、交河故城的主要病害有風(fēng)蝕、雨蝕、裂隙密布和崩塌。

3、風(fēng)是交河故城破壞的主要外動力，風(fēng)蝕病害是交河故城的最主要病害，風(fēng)參與了所有的破壞活動。

4、溫度、雨蝕、地質(zhì)構(gòu)造及地震也是它破壞的因素之一。

5、溫度變化引起土體內(nèi)水分含量的變化是表層土體風(fēng)化的主要因素。

6、土體中可溶鹽、方解石、長石含量高，是它破壞的主要內(nèi)因。

責(zé)任編輯：梁 紅