古代生土建筑風(fēng)蝕的主要影響因素分析

內(nèi)容摘要：西北地區(qū)分布著大量的古代生土建筑遺址，它們利用天然土質(zhì)材料經(jīng)過簡(jiǎn)單施工而成，性質(zhì)脆弱，在長(zhǎng)期風(fēng)沙場(chǎng)作用下遭受嚴(yán)重的侵蝕破壞。本文綜述了土壤風(fēng)蝕領(lǐng)域的試驗(yàn)研究成果，分析了影響風(fēng)蝕的最主要因素，如土的粒度、風(fēng)速、土的含水量和凍融循環(huán)次數(shù)。本文區(qū)分出土易于風(fēng)蝕和難于風(fēng)蝕的粒徑范圍，說明了含水量差別及凍融循環(huán)對(duì)風(fēng)蝕程度影響的原因，指出了今后生土建筑風(fēng)蝕機(jī)理研究的主攻方向。

關(guān)鍵詞：生土建筑；風(fēng)蝕；影響因素；交河故城

中圖分類號(hào)：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106(2007)05-0078-05

我國(guó)西北地區(qū)遺存有大量生土建筑遺址，如甘肅境內(nèi)的長(zhǎng)城，新疆交河故城、高昌故城、西夏的西夏王陵。它們都是人類寶貴的文化遺產(chǎn)，具有不可估量的歷史和文化價(jià)值。地處西北荒漠、戈壁地區(qū)的生土建筑，遭受著強(qiáng)烈而長(zhǎng)期的風(fēng)蝕作用。有些情況下，風(fēng)蝕破壞是導(dǎo)致某些生土建筑毀壞的直接原因。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土遺址的化學(xué)加固、保護(hù)等方面做了大量的工作，但對(duì)古代生土建筑物風(fēng)蝕耐久性機(jī)理研究卻很少，而有關(guān)土壤的風(fēng)蝕過程研究，已經(jīng)積累了大量的成果。綜合分析和整理土壤風(fēng)蝕領(lǐng)域的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于開展生土建筑的風(fēng)蝕耐久性定量研究，深化古代生土建筑風(fēng)蝕機(jī)理認(rèn)識(shí)水平，有著重要的參考價(jià)值。

一 粒度對(duì)風(fēng)蝕的影響

土的粒度成分不同，抵抗風(fēng)蝕的能力差別很大。圖1、2、3是根據(jù)文獻(xiàn)整理的沙質(zhì)壤土、壤質(zhì)沙土、固定沙丘風(fēng)積沙土的風(fēng)蝕量與風(fēng)速及粒徑的關(guān)系圖。圖1表明，沙質(zhì)壤土被風(fēng)蝕顆粒粒徑主要在0.25mm以下，且隨著風(fēng)速的增加，被風(fēng)蝕顆粒的粒徑明顯加粗。圖2表明，壤質(zhì)沙土被風(fēng)蝕顆粒粒徑主要在0.5mm以下，隨著風(fēng)速的增加，被風(fēng)蝕顆粒的粒徑加粗，但沒有沙質(zhì)壤土明顯。圖3表明，沙土被風(fēng)蝕顆粒粒徑主要集中在0.05-0.25mm之間。由此可見，土的類型不同，顆粒粒徑組合方式不同，最容易被風(fēng)蝕的粒組是變化的。

圖4是根據(jù)不同學(xué)者研究成果匯總而成的可風(fēng)蝕土粒粒徑分布區(qū)間。Chepil研究認(rèn)為，土中<0.05mm粒徑含量越高，易形成不可風(fēng)蝕的團(tuán)聚體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。李曉麗等通過試驗(yàn)分析認(rèn)為，易風(fēng)蝕粒徑大致可劃分為0.25-0.425mm和0.075-0.2mm兩個(gè)區(qū)間。馬存月等認(rèn)為，粒徑在0.08-0.25mm的土顆粒最易被風(fēng)蝕。董治寶等野外實(shí)地觀測(cè)內(nèi)蒙古后山地區(qū)灌叢沙堆的風(fēng)蝕情況，將粒徑大于1.0mm定為不可風(fēng)蝕顆粒。圖4中的陰影區(qū)，是本文綜合各家觀點(diǎn)認(rèn)定的可風(fēng)蝕顆粒粒徑分布區(qū)間。

圖4直觀地表明，當(dāng)土的顆粒很細(xì)(如小于0.05mm)時(shí)，由于土顆粒之間強(qiáng)烈的物理化學(xué)作用，容易形成團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的大顆粒，土難以被風(fēng)蝕。當(dāng)土的粒徑很粗(如大于1.0mm)時(shí)，由于單個(gè)顆粒自身的重力較大，需要很大的啟動(dòng)風(fēng)速才可以被搬運(yùn)，土也難以被風(fēng)蝕。相反，土顆粒粒徑介于0.05-1.0mm之間時(shí)，均有被風(fēng)沙流啟動(dòng)和搬運(yùn)的可能，最容易被風(fēng)蝕的粒徑集中在0.075-0.25mm之間。隨著風(fēng)速的增大，被侵蝕的顆粒粒徑逐漸變粗。

交河故城生土建筑及其遺址所在天然地層的粒度存在較明顯差異。具體而言，夯土的粒徑主要分布在0.05mm-0.25mm之間，剁泥的粒徑主要分布在0.05-0.075mm之間，崖體粉土的粒徑主要分布在0.005-0.075mm之間。將交河故城三種土的粒徑分布上限示于圖4中，可以看出，夯土的粒徑大部分分布在可風(fēng)蝕區(qū)間之內(nèi)，而崖體粉土及剁泥的粒徑只有很少一部分分布在可風(fēng)蝕區(qū)間之內(nèi)。這說明，夯填法建造的生土建筑容易遭受風(fēng)蝕破壞；相對(duì)而言，遺址所在崖體的粉土層以及由剁泥法建造的生土建筑不容易遭受風(fēng)蝕破壞。

交河故城坐落在河流下切形成的臺(tái)地上，崖面出露地層主要由顆粒較細(xì)的粉粒組成，這種以粉土為主的地層中夾有顆粒較粗的沙質(zhì)粉土薄層。臺(tái)地西北側(cè)崖面與當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向呈大角度相交，受到風(fēng)蝕的機(jī)會(huì)最大。觀察西北側(cè)崖面的風(fēng)蝕特征可知，顆粒較粗的沙質(zhì)粉土層比其上覆及下伏的細(xì)粒粉土層發(fā)生較為嚴(yán)重的風(fēng)蝕現(xiàn)象，說明圖4揭示的風(fēng)蝕量與土粒粒徑的關(guān)系是可靠的。

二 風(fēng)速及挾沙氣流對(duì)風(fēng)蝕的影響

風(fēng)速是影響生土文物風(fēng)蝕的又一個(gè)重要因素。不同學(xué)者通過風(fēng)洞試驗(yàn)建立了土的風(fēng)蝕量和風(fēng)速之間的關(guān)系模型(表1)。所有的模型都表明，風(fēng)蝕量隨著風(fēng)速的增加明顯增大。

表2的數(shù)據(jù)顯示，凈風(fēng)吹蝕和挾沙風(fēng)吹蝕的啟動(dòng)風(fēng)速也是不同的。在凈風(fēng)吹蝕條件下，土體表面主要受風(fēng)的剪切應(yīng)力作用，其大小主要由風(fēng)力大小決定。由于風(fēng)的動(dòng)能取決于空氣比重和風(fēng)速的平方，在大氣壓和空氣溫度一定的情況下，風(fēng)的動(dòng)能與風(fēng)速的平方成正比，動(dòng)能愈大，傳遞給沙粒的能量越多，風(fēng)蝕量也就隨即增加。

與凈風(fēng)條件相比，挾沙風(fēng)的風(fēng)蝕率遠(yuǎn)大于凈風(fēng)的風(fēng)蝕率。影響挾沙風(fēng)風(fēng)蝕過程的因素很多，最主要的，首先是土體表面要受到的風(fēng)的剪切力作用，其次是貼地運(yùn)動(dòng)的沙粒對(duì)地表磨蝕作用。凈風(fēng)條件下土粒的起動(dòng)完全依靠風(fēng)力的作用，而在挾沙風(fēng)條件下，土粒不僅受到風(fēng)的剪切力作用而且還受到風(fēng)攜沙粒的撞擊作用，這使得土粒更容易脫離土體表面，增大了風(fēng)蝕率，加重了風(fēng)蝕程度。

挾沙風(fēng)作用下土體風(fēng)蝕量與風(fēng)速大小有關(guān)，此外還和躍移沙粒與土體表面撞擊的角度和速度以及躍移沙粒的多少有關(guān)。假定風(fēng)蝕活動(dòng)是由凈風(fēng)的剪切力以及風(fēng)沙流的磨蝕和撞擊作用兩個(gè)因素的簡(jiǎn)單疊加，研究發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速增加，風(fēng)沙流中的沙粒數(shù)量隨之增加，挾沙風(fēng)對(duì)土體的風(fēng)蝕量與風(fēng)速之間存在二次函數(shù)關(guān)系。也有研究結(jié)果顯示，在低風(fēng)速段，風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的增大出現(xiàn)小幅增加，在7-10m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的增加而顯著增大。

三 含水量對(duì)風(fēng)蝕的影響

圖5是對(duì)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化圖，顯示了含水量對(duì)風(fēng)蝕作用的影響。由圖5可知，隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)蝕模數(shù)明顯增大，這種現(xiàn)象對(duì)低含水量土樣尤為明顯。與干燥土相比，稍濕的土顆粒孔隙中形成毛細(xì)吸力，趨向于增強(qiáng)土顆粒之間的連接力，在一定程度上提高了土的抗風(fēng)蝕能力。這可能暗示，經(jīng)過較為漫長(zhǎng)而干燥的冬季之后，露天生土建筑中的含水量更低，更容易遭受風(fēng)蝕侵害。上述結(jié)果還暗示，今后在研究干濕循環(huán)對(duì)生土建筑風(fēng)蝕作用的影響時(shí)，需要把重點(diǎn)放在干濕循環(huán)之后的低含水量情況上。

四 凍融循環(huán)對(duì)風(fēng)蝕的影響

地處西北干旱、半干旱地區(qū)的生土文物，天然含水量很低，季節(jié)變化引起的凍融循環(huán)直接導(dǎo)致文物破壞的實(shí)例很少見。但是，凍融循環(huán)對(duì)生土文物抗風(fēng)蝕能力的影響引起了研究者的注意。研究結(jié)果表明，隨含水量增加和凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土樣從顯觀上出現(xiàn)不同程度的變形和破壞(圖6)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，風(fēng)蝕模數(shù)也在增加(圖7)。對(duì)比圖7與圖5，可以看出凍融循環(huán)對(duì)風(fēng)蝕程度的影響。在反復(fù)凍融循環(huán)條件下，風(fēng)蝕模數(shù)超過2kg/cm²·h所需要的風(fēng)速一般大于15m/s(圖7)；相反，在不發(fā)生凍融的情況下，風(fēng)蝕模數(shù)超過2kg/cm²·h所需要的風(fēng)速應(yīng)一般大于18m/s(圖5)。說明反復(fù)凍融循環(huán)確實(shí)促進(jìn)了風(fēng)蝕作用的程度。這可能是因?yàn)閮鋈谘h(huán)破壞了土體的微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低了土的抗風(fēng)蝕能力。凍融循環(huán)引起土體結(jié)構(gòu)劣化，促進(jìn)風(fēng)蝕作用的具體細(xì)節(jié)，還需要通過隨后的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步分析判斷。

五 綜合分析

綜合分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土的風(fēng)蝕試驗(yàn)研究成果發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速、氣流是否挾沙、粒度、含水率、凍融循環(huán)次數(shù)均對(duì)生土文物的風(fēng)蝕耐久性產(chǎn)生明顯的影響。現(xiàn)有的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)顯示，土存在易于風(fēng)蝕和難于風(fēng)蝕的粒徑區(qū)間。這說明土顆粒之間的有效連接是抵御風(fēng)沙流侵蝕的內(nèi)在根源。一定量的黏粒和粉土可以將土中的粉?；蛏傲Ｔ谝欢ǔ潭壬线B接起來，形成較為穩(wěn)定的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，提高抵御風(fēng)沙流侵蝕的水平。這也正是西北沙漠戈壁地區(qū)盡管風(fēng)沙盛行，但生土文物卻可以長(zhǎng)期存在的基本理由。

應(yīng)當(dāng)看到，干濕循環(huán)和凍融循環(huán)從微觀上破壞土的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土體劣化，從而加速生土文物的風(fēng)蝕。這個(gè)過程與巖石的風(fēng)化過程大體相似又有根本的差別。巖石風(fēng)化的典型特征是化學(xué)風(fēng)化，即造巖礦物在化學(xué)作用下逐漸轉(zhuǎn)變成簡(jiǎn)單礦物甚至黏土礦物的過程；與此不同的是，土的風(fēng)化過程，最主要的特征是物理風(fēng)化，即在干濕循環(huán)和凍融循環(huán)的作用下，土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，可以稱之為劣化作用。因此，定量研究生土文物的風(fēng)蝕耐久性，需要從溫度場(chǎng)一水分場(chǎng)一氣流場(chǎng)耦合的觀點(diǎn)出發(fā)，以干濕循環(huán)、凍融循環(huán)導(dǎo)致土的微結(jié)構(gòu)變化為突破口，通過風(fēng)洞試驗(yàn)揭示風(fēng)沙流場(chǎng)中土樣的質(zhì)量損耗(ΔW)與風(fēng)速(V)、土樣干密度(r_d)、干濕或凍融循環(huán)次數(shù)(N)等指標(biāo)的關(guān)系(圖8)。

絲綢之路沿線土遺址，處于典型的干旱氣候環(huán)境中，日溫差及年溫差變化很大，風(fēng)沙流盛行。風(fēng)蝕作用對(duì)露天土遺址的危害最為嚴(yán)重，屬于第一位的質(zhì)量損耗過程。對(duì)于不可移動(dòng)的大型土遺址而言，難以仿照室內(nèi)博物館的保存模式改變或控制遺址所處的惡劣環(huán)境條件，這也與大遺址保護(hù)的原則所不允許。提高土遺址抗風(fēng)蝕能力最有效的方法可能是，在風(fēng)蝕機(jī)理研究的基礎(chǔ)上深化化學(xué)加固水平，通過提高土的耐久性延緩風(fēng)蝕進(jìn)程。

六 結(jié)論

1、現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，粒徑小于0.05mm和大于1mm的土顆粒難以被風(fēng)蝕；粒徑在0.05-1mm之間的土顆?？梢员伙L(fēng)蝕；粒徑在0.075-0.45mm之間的土顆粒易于被風(fēng)蝕。

2、隨著風(fēng)速的增加，土的風(fēng)蝕模數(shù)明顯提高，含水量較低的土比含水量較高的土風(fēng)蝕模數(shù)提高更為顯著。

3、同等條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土的風(fēng)蝕模數(shù)提高。凍融循環(huán)過程中土的顯觀結(jié)構(gòu)變化暗示，凍融循環(huán)過程中土的微觀結(jié)構(gòu)劣化可能是導(dǎo)致抗風(fēng)蝕能力下降的內(nèi)在原因。

4、從溫度場(chǎng)一水分場(chǎng)一氣流場(chǎng)耦合的角度，研究干濕、凍融循環(huán)導(dǎo)致土的結(jié)構(gòu)劣化條件下土的風(fēng)蝕質(zhì)量損耗與風(fēng)速、土樣干密度等參數(shù)的關(guān)系，有可能建立生土建筑風(fēng)蝕耐久性的定量關(guān)系。

責(zé)任編輯：齊雙吉