新疆焉耆縣七個(gè)星佛寺遺址結(jié)構(gòu)病害分析

趙 冬，屠冰冰，王玉蘭

(西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

七個(gè)星佛寺遺址是“絲綢之路”鏈條上的重要節(jié)點(diǎn)，是佛教傳播的真實(shí)寫照，具有極強(qiáng)的地域文化特色，并是重要的文化教育基地。因此，七個(gè)星佛寺遺址的保護(hù)工作具有重要的社會(huì)意義。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，遺址病害較嚴(yán)重，個(gè)別單體瀕臨倒塌。本文對影響遺址穩(wěn)定性的四種主要結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行分析，以期為相應(yīng)的保護(hù)工作提供參考。

1 概況

七個(gè)星佛寺遺址位于新疆巴音郭楞蒙古自治州焉耆回族自治縣(圖1)，由地面寺院建筑和洞窟建筑兩部分組成［1］，寺院殘存大小建筑93處，分南、北兩大部分，以遺址中部的泉溝為界，總面積約40300m2;洞窟殘存11窟(圖2)。

圖1 遺址在新疆的地理位置圖Fig.1 Site geographic location plan in Xinjiang

圖2 遺址全景圖Fig 2 Site panorama

2 主要結(jié)構(gòu)病害分析

遺址病害形成包括兩方面因素:自然因素和人為因素，其中，自然因素是七個(gè)星佛寺遺址破壞的主要原因。焉耆縣存在多種氣象災(zāi)害，如凍害、冰雹、沙塵暴和集中式降雨等，其中風(fēng)沙和集中式降雨是七個(gè)星佛寺遺址損壞的主要外因之一;焉耆縣周圍及境內(nèi)共有四條地表水系:開都河、黃水河、霍拉山溝、博斯騰湖，地表徑流充沛，致使掏蝕病害較普遍;同時(shí)，遺址所處巴州屬南天山地震帶東段，全境共有6條大斷裂和4條殼斷裂，地震較頻繁，且遺址東側(cè)緊鄰218國道，因此，地震和車輛震動(dòng)加劇了遺址的破壞［1］。

七個(gè)星佛寺遺址在長期自然和人為因素的綜合、反復(fù)、交替作用下，發(fā)育有多種病害:表面風(fēng)化、雨蝕、沖溝、裂縫、局部坍塌、墻體根部掏蝕、生物破壞、人為破壞等［2-5］，但并不是所有病害都會(huì)在短時(shí)間內(nèi)對遺址造成嚴(yán)重威脅。非結(jié)構(gòu)病害(如風(fēng)化、雨蝕、生物破壞等)對結(jié)構(gòu)的影響是長期而緩慢的，而結(jié)構(gòu)病害(如墻體根部掏蝕、劈裂裂縫等)直接影響遺址整體穩(wěn)定性，破壞突然，后果嚴(yán)重，可瞬間造成大面積甚至整個(gè)遺址的坍塌。因此，結(jié)構(gòu)病害是保護(hù)加固工作的重點(diǎn)。

本文將七個(gè)星佛寺遺址主要結(jié)構(gòu)病害類型分為四種:掏蝕、劈裂裂縫、地表變形和坍塌。

2.1 掏蝕

掏蝕部位多出現(xiàn)在墻體根部(圖3)，最大掏蝕深度達(dá)0.6m，掏蝕方向與地表水流走向一致。

掏蝕形成的根本原因是地表水溶解墻體根部土體中的可溶性鹽，引起土體流失。集中降雨季節(jié)，周圍及境內(nèi)四條地表水系與雨水匯集，遺址區(qū)內(nèi)地表徑流充沛，地表水經(jīng)由遺址根部時(shí)，土體中的可溶性鹽溶解于水中，隨水流流失。長期、反復(fù)作用下，墻體根部土體中可溶性鹽不斷溶解、流失，土顆粒間粘結(jié)力降低，最終崩解，剩余松散土顆粒中粒徑較小者隨地表水流失或被風(fēng)吹走，粒徑較大者則原地塌落，致使墻體根部出現(xiàn)掏蝕凹洞。在風(fēng)和水流的共同作用下，掏蝕深度不斷增加。

圖3 墻體根部掏蝕Fig.3 Backoff in wall bases

墻體根部掏蝕破壞了上部土體原有支撐，使其局部外凸、懸挑，成“頭重腳輕”狀。隨掏蝕深度增加，墻體穩(wěn)定性不斷降低，極易引起進(jìn)一步毀滅性破壞，可能發(fā)生的破壞形式有以下四種:

(1)地震或風(fēng)力作用下，因上部受力大、下部受力小，下部支撐不對稱，極易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，下部較細(xì)部分某一危險(xiǎn)截面被扭斷(圖4)，致使上部結(jié)構(gòu)整體倒塌。

(2)上部懸挑土體因無良好支撐，可能發(fā)生兩種破壞:豎向截面突變處在彎矩作用下，上部拉裂，懸挑部分沿?cái)嗔衙鎻恼w脫離、滑落，發(fā)生彎曲型破壞(圖4);上部土體在自重作用下，沿某一滑移面發(fā)生剪切破壞，楔形滑落(圖4)。

(3)自重和水平荷載作用下，墻體根部受力最大，但因掏蝕使其截面變小，彎矩作用下，易在根部某一側(cè)發(fā)生受拉破壞，致使整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生平面外傾覆。

(4)自重和水平荷載作用下，整個(gè)結(jié)構(gòu)因重心與支反力作用線嚴(yán)重偏移而發(fā)生平面內(nèi)傾覆。

圖4 扭轉(zhuǎn)破壞、彎曲破壞和剪切破壞示意圖(圖中T表示扭矩，G表示懸挑部分自重)Fig.4 Torsion failure，bending failure and shear failure sketches(T refered torsion and G refered the gravity of the cantilever part)

對遺址進(jìn)行保護(hù)時(shí)，除對已掏蝕部位補(bǔ)砌加固外，還應(yīng)阻斷地表水，采用引流或砌筑小型擋水壩的方式，使地表水繞離遺址本體，保證墻體根部土體免受水流沖刷，從根本上避免掏蝕病害的發(fā)生。

2.2 劈裂裂縫

建筑形制保存相對完好的遺址單體表面偶見大型劈裂裂縫(圖5)，多為上下貫通式。部分裂縫中填有風(fēng)化砂土，部分無填充，多為外寬內(nèi)窄式，且裂縫斷面土體酥松，強(qiáng)度較低。

劈裂裂縫形成原因主要包括以下五種:

(1)焉耆縣氣溫年差和日差較大，佛寺遺址在長期、反復(fù)的溫度應(yīng)力、凍融作用下，內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫，并不斷積累，逐漸發(fā)育到遺址表面，形成裂縫。

(2)原建筑工藝裂縫——接槎縫、結(jié)構(gòu)縫、施工縫等在外力長期作用下，繼續(xù)向長度和深度方向發(fā)展，成為劈裂式裂縫。

圖5 劈裂裂縫Fig.5 Cleavage fracture

(3)焉耆縣蒸發(fā)量和降水量不平衡，年平均蒸發(fā)量為年平均降水量的18.5倍，致使土體產(chǎn)生蒸發(fā)干縮裂縫。

(4)局部土體坍塌后，與之相鄰?fù)馏w因內(nèi)力重分布而出現(xiàn)卸荷裂縫。

(5)地基不均勻沉降和地表振動(dòng)產(chǎn)生的裂縫。

劈裂裂縫產(chǎn)生的根本原因是:土體內(nèi)部拉應(yīng)力超過土體的抗拉強(qiáng)度，致使相鄰?fù)馏w被拉裂。根據(jù)相鄰?fù)馏w所受拉應(yīng)力的大小，可分別采取如表1所示的保護(hù)措施:

表1 針對不同拉應(yīng)力大小的保護(hù)措施Table 1 Protection measures for different tensile stress

裂縫往往是坍塌或沖溝病害發(fā)生的條件［2］。隨著裂縫的發(fā)育，外部環(huán)境對遺址的破壞逐漸深入土體內(nèi)部，導(dǎo)致裂縫兩側(cè)相鄰?fù)馏w粘結(jié)性能降低，當(dāng)粘結(jié)力降低到無法抵抗自重和外荷載作用所產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)，局部土體將從整體掰裂。加固時(shí)，需根據(jù)裂縫大小采取相應(yīng)的拉結(jié)措施(表1)，保證相鄰?fù)馏w具有足夠的拉結(jié)力。

2.3 地表變形

遺址地基或下臥土層因地表水匯集，局部濕陷，發(fā)生不均勻沉降(圖6)，造成上部遺址本體出現(xiàn)裂縫、整體下沉或局部傾斜。

圖6 地表變形Fig.6 Surface deformation

七個(gè)星遺址坐落于沖積扇之上，山前低矮的山梁和坡地之間，整個(gè)遺址區(qū)被一條沖溝分為南、北兩個(gè)區(qū)，遺址區(qū)內(nèi)水系錯(cuò)綜復(fù)雜，沖溝發(fā)育較多。據(jù)現(xiàn)場勘察，將遺址區(qū)劃分為6個(gè)流域(表2)，水系級(jí)別的劃分采用斯特拉勒(Strahler)分級(jí)法。其中，1#和2#流域包括南區(qū)及北區(qū)部分遺址，3#、4#、5#和6#流域僅包括北區(qū)遺址。

遺址區(qū)內(nèi)地表沖溝最大寬度達(dá)1.3m，深達(dá)1.2m，均為上寬下窄。地表水在破損土粒間的粘結(jié)性能降低，極易造成載體局部失陷，引起地表變形。遺址載體的穩(wěn)定性直接決定上部遺址的安全，應(yīng)給予足夠重視。

為防止地表水匯集引起地表變形，可在遺址區(qū)回填部分沖溝，并根據(jù)現(xiàn)有地勢走向砌筑水渠，做有組織排水。

表2 七個(gè)星佛寺遺址水系主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Parameter table for river system in Shikchin Ground Buddhist Temple Site

2.4 坍塌

坍塌是七個(gè)星佛寺遺址最普遍的破壞形式(圖7)。各種病害相互促進(jìn)，不斷發(fā)育，但最終破壞形式均表現(xiàn)為坍塌。七個(gè)星佛寺遺址內(nèi)，最大坍塌尺寸長達(dá)3.5m，深達(dá)2.5m。

圖7 整體坍塌Fig.7 Overall collapse

坍塌破壞按形成原因可分為兩種:強(qiáng)度破壞和失穩(wěn)破壞。小規(guī)模的局部坍塌多屬于強(qiáng)度破壞，大規(guī)模的整體坍塌多屬于失穩(wěn)破壞。

強(qiáng)度破壞主要是指局部土體抗拉或抗剪強(qiáng)度不足而發(fā)生的破壞。從現(xiàn)場看，盜洞是引起強(qiáng)度破壞式坍塌的原因之一。內(nèi)部某一豎井式盜洞將上部土體基礎(chǔ)局部削弱，盜洞上部土體在自重作用下易發(fā)生剪切破壞，引起局部塌方。同時(shí)，局部懸空、局部脫離、薄弱部位失效等都易引起局部坍塌。局部坍塌破壞了土體間的有效連接，降低了墻體的整體性和協(xié)調(diào)工作能力;同時(shí)，破壞了結(jié)構(gòu)原平衡受力狀態(tài)，剩余土體經(jīng)內(nèi)力重分布后，極易造成進(jìn)一步不可預(yù)料的瞬間、嚴(yán)重破壞，甚至是整體倒塌。

失穩(wěn)破壞是由于外界作用改變了遺址原有形態(tài)，引起局部或整體高寬比增大到超過穩(wěn)定性允許的限值，水平荷載作用下，遺址因喪失穩(wěn)定性而發(fā)生坍塌。整體坍塌破壞性大，修復(fù)難度高，且嚴(yán)重破壞了遺址原貌。

針對以上兩種破壞形式，秉著“預(yù)防為主”的思想，分別采取不同的加固措施:對于局部強(qiáng)度破壞，可采用錨桿加固，將錨桿與土體組成復(fù)合體，二者共同承擔(dān)外荷載和自重應(yīng)力，大大增加原有土體的抗拉和抗剪強(qiáng)度，避免局部強(qiáng)度破壞;對于整體穩(wěn)定性破壞，則應(yīng)及時(shí)補(bǔ)砌、支護(hù)，還原遺址原有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式，避免失穩(wěn)。

3 建議

土遺址一般規(guī)模較大，短期內(nèi)不可能全部整修。在各方面條件允許情況下，為了將遺址隨時(shí)間的破壞程度降到最低，有效的保護(hù)遺址，整個(gè)保護(hù)過程應(yīng)有輕重緩急和主次之分。結(jié)構(gòu)病害——掏蝕、劈裂裂縫、地表變形、坍塌，嚴(yán)重影響遺址穩(wěn)定性，可使遺址瞬間發(fā)生毀滅性破壞。依照《中華人民共和國文物保護(hù)法》中“保護(hù)為主，搶救第一”的原則，應(yīng)將結(jié)構(gòu)病害的“防和治”作為土遺址保護(hù)的首要任務(wù)。非結(jié)構(gòu)病害——表面風(fēng)化、雨蝕、小型沖溝、小型裂縫、生物破壞、人為破壞等，對遺址的破壞是一個(gè)長期、緩慢的過程，秉著最小干擾、保持原貌的原則，應(yīng)酌情、適當(dāng)?shù)丶右蕴幚?，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性無明顯影響的病害可不作處理，保留遺址歷史信息，便于學(xué)習(xí)和觀瞻。

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