敦煌壽昌城墻體表面風(fēng)化特征研究

孫滿利 王 菲 王旭東 李最雄 郭青林

內(nèi)容摘要：通過對敦煌壽昌城遺址墻體表面風(fēng)化特征的現(xiàn)場調(diào)查研究，從保護(hù)加固施工的角度出發(fā)，按照風(fēng)化層厚度＼表面風(fēng)化層密度、表面風(fēng)化層整體均勻性以及風(fēng)化層的結(jié)構(gòu)等將表面風(fēng)化層分為三個(gè)類型七種形式，并針對每一種形式，提出PS表面防風(fēng)化加固的施工方法。這種分類研究有助于土遺址墻體表面防風(fēng)化加固的科學(xué)化和推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：土遺址；表面風(fēng)化；分類；壽昌城

中圖分類號：K853.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-4106(2009)06-0081-06

一引言

敦煌壽昌城位于甘肅省敦煌市西南70公里處的南湖鄉(xiāng)四清村，西距古陽關(guān)遺跡約3公里，南距漢渥洼池5公里，是甘肅省重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

壽昌城漢代為龍勒縣治，是敦煌郡所轄六縣之一，北魏改立為壽昌郡，北周并人敦煌縣，隋設(shè)龍勒府，唐武德年間又置壽昌縣，屬沙州郡，其間名稱多經(jīng)變更廢復(fù)。該城盛唐時(shí)最為繁榮，延至北宋(1036年)曹氏歸義軍政權(quán)崩潰為止，后逐漸衰微。

古城遺址平面呈矩尺形，東、西、北三面存斷續(xù)殘?jiān)?，南面僅留墻基，東墻似有甕城殘跡，城內(nèi)流沙堆積。北墻長318m，東墻長294m，南墻長318m，西墻長294m，城堡面積8.35萬m²，部分墻體被風(fēng)積沙掩埋，地表可見城墻總長度291m；北墻長123m，東墻長103m，西墻長65m；城墻殘高最高4.2m，上寬2m，下寬7m。城墻采用夯土版筑，經(jīng)歷兩次大修筑，后期墻體為褐紅色粉質(zhì)粘土夯筑而成。粉質(zhì)粘土含大量的粘土團(tuán)塊，形狀不規(guī)則，直徑大多在3～5cm左右。粉質(zhì)粘土分選較差，含較多雜質(zhì)如碎石等。夯層密實(shí)度較差，厚度為13cm左右。早期墻體由淺黃色粉質(zhì)粘土或暗灰色粉土夯筑而成，夯層較密實(shí)，含雜質(zhì)較少，夯層厚度5～10cm。

敦煌位于蒙古高原和青藏高原之間，四周是以高山、沙漠、戈壁圍繞的小盆地。它遠(yuǎn)離海洋，氣候干燥，降雨量少，蒸發(fā)量大，晝夜溫差大，多風(fēng)多沙塵暴，是典型的極干旱大陸性氣候。年平均降水量39.9mm，主要在夏季(6～8月份)，占63.9％，冬季只有7.5％；蒸發(fā)量2486mm，干燥度大于16，年平均相對濕度為32％。年平均氣溫為9.4℃，7月平均氣溫24.7℃，1月平均氣溫-9.3℃，氣溫年較差達(dá)34℃。敦煌常年多為東風(fēng)和西北風(fēng)，年平均風(fēng)速達(dá)到3.5m/s，起沙起土風(fēng)速為4.5m/s，大于5m/s的風(fēng)每年達(dá)35d-148d，沙塵蔽日日數(shù)每年有20d～35d，年8級以上的大風(fēng)日數(shù)高達(dá)19d。2002年5月5日最大風(fēng)速達(dá)25m/s。

土遺址墻體的表面風(fēng)化是最主要的一種病害，防止墻體的表面風(fēng)化是土遺址保護(hù)加固的重要內(nèi)容之一，對土墻體表面防風(fēng)化加固材料的研究更是近年來的熱點(diǎn)，但大多沒有經(jīng)過工程實(shí)際檢驗(yàn)，只有PS材料在西北干旱區(qū)土遺址得到了較大的應(yīng)用。土遺址表面防風(fēng)化施工的關(guān)鍵是如何保證加固材料的滲透性，而施工的工藝與表面風(fēng)化層的特征關(guān)系密切，根據(jù)不同的表面風(fēng)化特征選用不同的施工工藝是保證加固效果的關(guān)鍵。深入地研究土遺址表面風(fēng)化的特征對于科學(xué)地加固具有重要的意義。

二病害現(xiàn)狀及分析

壽昌城墻體的病害類型有片狀剝蝕、淘蝕、裂隙(縫)及生物破壞，主要病害為雨蝕剝離、風(fēng)蝕剝離和卸荷裂隙。

(1)片狀剝蝕

墻體的片狀剝蝕有兩種形式：雨蝕剝離(圖1)和風(fēng)蝕剝離(圖2)。

(2)淘蝕

壽昌城的淘蝕有兩種形式：風(fēng)力淘蝕(圖3)和坍塌淘蝕(圖4)。

(3)裂隙(縫)

壽昌城墻體的裂隙(縫)有兩種形式：卸荷裂隙(圖5)和建造工藝裂隙(圖6)。

(4)生物破壞

壽昌城的生物破壞主要為動(dòng)物破壞，主要是蜂巢。蜂巢較致密，堅(jiān)硬。

三表面風(fēng)化特征及加固技術(shù)

表面風(fēng)化層的特征不同，PS表面滲透的工藝也就有很大差別的?？紤]到不同施工工藝對表面風(fēng)化加固適用性的不同，按照風(fēng)化層厚度、密度、整體均勻性以及風(fēng)化層的結(jié)構(gòu)等，對風(fēng)化層的特征進(jìn)行分類研究。

PS表面防風(fēng)化加固主要有表面噴灑滲透和滴滲兩種工藝。這兩種工藝的選用主要與風(fēng)化層厚度有關(guān)，因此，根據(jù)風(fēng)化層厚度將表面風(fēng)化層分為三種類型：風(fēng)化層厚度小于1cm，風(fēng)化層厚度在1-2cm，風(fēng)化層厚度大于2cm。

3.1風(fēng)化層厚度小于1cm的

壽昌城遺址墻體表面風(fēng)化層厚度小于1cm的墻體主要有兩種情況：墻體坍塌新鮮面，風(fēng)蝕剝離面等。

(1)坍塌新鮮面：墻體的坍塌經(jīng)常發(fā)生，一些墻體坍塌的新鮮面，表面風(fēng)化層厚度較薄(圖7)，土性為淺黃色粉土，含沙量較大，顆粒間膠結(jié)程度差，夯筑較密實(shí)，夯層明顯，表面整體性好，均勻性好。圖7的左半部分，坍塌時(shí)間為1年左右，表面基本無風(fēng)化；圖7的右半部，坍塌時(shí)間稍長，表面略有風(fēng)化，風(fēng)化層厚度小于3mm。對于這種病害，采用PS表面噴灑滲透1至2遍，即可完全達(dá)到加固要求。

(2)風(fēng)蝕剝離面：風(fēng)化層厚度小于1cm的，基于土的性質(zhì)不同，分為三種類型。

①土性為淺黃色粉質(zhì)粘土，夯筑密實(shí)，表面較致密，整體性好。風(fēng)化疏松層已經(jīng)被風(fēng)吹蝕脫落，基本無殘留，表面平整，均勻性好(圖8)。該類病害可采用PS噴灑一遍，即可達(dá)到加固要求。

②土性為褐紅色粉質(zhì)粘土，夯筑較密實(shí)，夾有大量粘土塊，因此均勻性較差，表面較致密。風(fēng)化疏松層已經(jīng)被風(fēng)吹蝕脫落，基本無殘留，表面整體性較差，比較破碎，粘土塊突出墻面，墻面凹凸不平(圖9)。該類病害可采用PS噴灑二到三遍，方可達(dá)到加固要求。同時(shí)應(yīng)注意對突出的粘土塊的加固，防止土塊整體掉落。

③土性為淺灰色粉土，含沙量較大，夾有少量礫石，夯筑較密實(shí)，顆粒間粘結(jié)力較弱，易風(fēng)蝕。風(fēng)化疏松層已經(jīng)被風(fēng)吹蝕脫落，僅少量殘留(圖10)。該類病害可采用PS噴灑二到三遍，方可達(dá)到加固要求。

3.2風(fēng)化層厚度在1-2cm的

(1)土性為淺灰色粉土，比較致密，夾有大量小礫石，礫石顆粒小的1-2柵，大的5mm。表面呈小片狀剝離脫落，薄片厚約1-2cm，表面疏松破碎，土顆粒膠結(jié)性差，層薄，分層剝落，剝落特征明顯(圖11)。該類病害加固保護(hù)難度較大，由于剝離小片和母體之間往往存在裂隙，而且裂隙間多充填粉細(xì)沙，致使加固時(shí)上層薄片很難和母體很好地連接?？刹捎肞S多遍噴灑滲透，并用小竹木錨釘固定。

(2)土性為褐紅色粉質(zhì)粘土，夯筑不密實(shí)，表面破碎疏松，有許多粘土塊的突出體，顆粒間膠結(jié)程度差，整體性差，均勻性差，主要出現(xiàn)在褐紅色粉質(zhì)粘土夯筑的墻體上(圖12)。此類病害可采用PS表面噴灑滲透和滴滲綜合處理，并采用小竹木錨釘將突出的小塊體進(jìn)行固定。

3.3風(fēng)化層厚度大于2cm的

(1)土性為褐紅色粉質(zhì)粘土，雜質(zhì)較多，夾有

大量粘土塊和碎石，夯筑不密實(shí)，夯層明顯，顆粒間膠結(jié)程度差。風(fēng)化層疏松。表面破碎粗糙，整體性差，均勻性差(圖13、圖14)。此類病害由于表面破碎，滴滲成孔困難，加之粘土塊的作用，滲透性較差，因此，必須采用先噴灑PS滲透固定表面，然后采用滴滲加固，最后還應(yīng)噴灑滲透處理，以便增強(qiáng)滲透均勻性。

(2)土性為淺黃色粉沙土，含沙量較大，夯筑不密實(shí)，表面疏松，不均勻，破碎嚴(yán)重，顆粒間膠結(jié)性差。有些表面疏松層可達(dá)5-10cm(圖15)，一些表面原有一層薄殼，大部已經(jīng)脫落(圖16)，其下疏松層為粉沙土，厚度可達(dá)10cm。此類病害可采用PS噴灑滲透和滴滲綜合加固，先對表面噴灑滲透1-2遍，然后鉆孔滴滲。

(3)遺址墻體表面形成硬殼，密度、厚度不一，主要有四種形式。

①遺址墻體表面形成一層硬殼，表面致密堅(jiān)硬，厚度在1-2棚，為一整體，且整體性好，均勻性好，土性為暗灰色粉土，夯筑密實(shí)，硬殼下部疏松(圖17)?？刹捎勉@孔滴滲加固。

②遺址墻體表面形成一層硬殼，厚度在1-2mm，較致密，風(fēng)化層呈塊體開裂，厚度約5-10cm，部分脫落(圖18)，有的與墻體脫離，無充填物(圖19)。此類病害可采用鉆孔滴滲和小竹木錨釘錨固相結(jié)合的方法進(jìn)行加固，同時(shí)對裂隙進(jìn)行灌漿處理。

③土性為褐紅色粉質(zhì)粘土，表面有一層硬殼，較致密，厚度1-2mm。風(fēng)化層厚度在2-5cm，部分開裂脫落，整體性差，其內(nèi)部疏松破碎，表面粗糙，均勻性差(圖20)。此類病害可采用鉆孔滴滲和錨釘結(jié)合進(jìn)行加固。

④遺址墻體表面有密集蜂巢，其風(fēng)化層較厚，表面粗糙且堅(jiān)硬，整體性好，均勻性較好。蜂巢可保護(hù)墻體內(nèi)部不被風(fēng)化，然而由于表面堅(jiān)硬，一旦脫落就為大塊體脫落(圖21)。此類病害可對蜂巢下部適當(dāng)?shù)螡B加固，主要應(yīng)采用錨釘技術(shù)防止硬殼大塊掉落。

(1)壽昌城墻體的病害類型有片狀剝蝕、淘蝕、裂隙(縫)及生物破壞。其主要病害為雨蝕剝離、風(fēng)蝕剝離和卸荷裂隙。

(2)從保護(hù)加固的角度出發(fā)，按照風(fēng)化層厚度、表面風(fēng)化層密度、表面風(fēng)化層整體均勻性以及風(fēng)化層的結(jié)構(gòu)等四個(gè)方面，可將表面風(fēng)化層分為三個(gè)類型七種形式。

(3)針對每一種表面風(fēng)化的形式，可以分別采取不同的加固工藝，主要的技術(shù)手段有PS噴灑滲透、滴滲和小竹木錨釘錨固等。

(4)土遺址表面風(fēng)化層特征的研究才剛剛起步，還不夠系統(tǒng)，分類還不夠科學(xué)，隨著研究的深入，在大量調(diào)查的基礎(chǔ)上，可以建立表面風(fēng)化層不同類別與相應(yīng)加固工藝的對應(yīng)關(guān)系，有助于土遺址保護(hù)加固的科學(xué)化。