潮濕環(huán)境黏性土地區(qū)考古現(xiàn)場(chǎng)地下水控制試驗(yàn)研究

張明泉 郭青林 楊善龍 杜韶光 馬宏海 劉衍 王小娜

內(nèi)容摘要：針對(duì)黏性土地區(qū)考古現(xiàn)場(chǎng)地下水排水困難的問題，采用了構(gòu)筑人工填砂導(dǎo)水排水溝的方法，在考古探方周邊形成導(dǎo)水排水體系?，F(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)證明，該方法不僅能夠排除黏性土中的地下水，而且能夠隔斷毛細(xì)水運(yùn)動(dòng)，從而有效控制地下水位，防治考古探方滲水，保障考古工作順利進(jìn)行。該方法同樣可用于潮濕環(huán)境地下水淺藏地區(qū)的遺址保護(hù)和陳列館滲水防治。

關(guān)鍵詞：潮濕環(huán)境；黏性土；考古；地下水

中圖分類號(hào)：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106（2016）02-0095-05

Abstract： This study aims to solve the problem of underground water drainage happening in archaeological sites in cohesive soil regions. The method is to build drainage ditches artificially filled with sand so as to form a drainage system surrounding tombs under excavation. Experiments show that this method is useful for the discharge of underground water from cohesive soil and the obstruction of capillary action， which will efficiently control the underground water level and protect the tomb from water seepage， thus ensuring the proceedings of archaeological work. The same method can be used in the shallow underground water of humid environments， not only for the conservation of ancient sites， but also for preventing seepage in galleries.

Keywords： humid environment； cohesive soil； archaeology； underground water

引 言

在我國(guó)長(zhǎng)江流域的下游地區(qū)，人口分布比較密集，大小城市星羅棋布，社會(huì)發(fā)展歷史悠久，人類活動(dòng)留下了眾多的遺跡。這些遺跡記錄著人類發(fā)展的歷史過程，記錄著古代人類生活生產(chǎn)方式，記錄著當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)力發(fā)展水平，記錄著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程，也記錄著自然環(huán)境的演化過程[1]。其內(nèi)容博大精深，是中華文明探源工程[2-5]的重點(diǎn)區(qū)域。這類地區(qū)的自然環(huán)境相對(duì)優(yōu)越，地勢(shì)寬廣平坦，以平原和緩坡丘陵為主要地貌形態(tài)，大氣降雨量比較充沛，河流湖泊發(fā)育，地表水、地下水資源豐富，土壤以河湖沉積物為主，黏性土分布面積廣，植被覆蓋度高，物產(chǎn)豐富。從環(huán)境干濕度來(lái)講屬于潮濕地區(qū)或潮濕環(huán)境[6-7]。

在潮濕環(huán)境開展考古發(fā)掘，往往受到滲水和積水的干擾，嚴(yán)重時(shí)甚至造成水災(zāi)[8]，使考古發(fā)掘難以進(jìn)行。為此人們首先想到的辦法是在考古挖坑中一邊排水一邊發(fā)掘，但這樣往往會(huì)使發(fā)掘坑變成泥坑，不僅增加了考古發(fā)掘的難度，而且對(duì)土遺址文物造成損壞，喪失許多有價(jià)值的信息。人們也試想采用在發(fā)掘探方周圍打井排水的辦法來(lái)降低地下水位[9]，但是，黏性土地層的弱透水性特征，使得打井排水不能奏效[10]，就是在邊長(zhǎng)5m的探方周圍打上4眼水井，也不能控制地下水位，也不能阻止黏性地層中地下水在探方緩緩滲出?？梢?，防治考古發(fā)掘坑中的滲水是潮濕環(huán)境黏性土地區(qū)考古現(xiàn)場(chǎng)面臨的一個(gè)重要問題。

為解決黏性土地區(qū)考古現(xiàn)場(chǎng)滲水困擾的難題，保障這類地區(qū)考古發(fā)掘工作順利開展，遏制地下水對(duì)遺址，尤其是土遺址發(fā)掘的影響，為這類地區(qū)文化遺產(chǎn)的研究和保護(hù)消除不良環(huán)境危害，我們經(jīng)過幾年的調(diào)查研究，運(yùn)用水文地質(zhì)學(xué)理論和方法，設(shè)計(jì)了人工填砂溝導(dǎo)水排水方案，并經(jīng)過實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明該方案能夠有效地排除黏性土地層的地下水，降低考古現(xiàn)場(chǎng)周圍的地下水位，同時(shí)能隔斷黏性土中的毛細(xì)水運(yùn)動(dòng)，從而有效遏制或消除考古探方滲水問題。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在位于長(zhǎng)江下游的浙江省科技考古與文物保護(hù)技術(shù)研究試驗(yàn)基地，該區(qū)為潮濕環(huán)境黏性土地層分布區(qū)，地下水位埋藏深度小于1m。在這里選擇一塊平地，按照1984年文化部《田野考古工作規(guī)程（試行）》通常的田野考古發(fā)掘坑的面積大小[11]，布置5m×5m的考古探方，探方四邊向外擴(kuò)1.0m形成7m×7m的正方形，再向外擴(kuò)1m形成9m×9m的正方形。然后在最大正方形的三個(gè)內(nèi)角和一邊中間的內(nèi)側(cè)各布置井孔（圖1a），井徑0.3m，井深要求超過考古探方深度0.5m—1.0m。4眼井均按抽水井要求成孔。成井以后，待井中水位穩(wěn)定后觀測(cè)其靜水位，確定考古現(xiàn)場(chǎng)地下水位的埋藏深度。然后選取其中1眼井為抽水井（1號(hào)井），其他3眼井為觀測(cè)井，進(jìn)行抽水試驗(yàn)和水位恢復(fù)試驗(yàn)。水位觀測(cè)采用地下水位記錄儀，記錄間隔設(shè)定為10秒；如果用人工觀測(cè)，時(shí)間序列設(shè)定為：10秒、20秒、30秒、1分、1分30秒、2分、3分、4分、5分……直到水位降到井底。抽水停止后的水位恢復(fù)觀測(cè)時(shí)間序列與上述相同，直到水位恢復(fù)到原始水位（靜止水位）。

場(chǎng)地原狀黏性土地層抽水試驗(yàn)完成以后，沿9m×9m正方形邊線內(nèi)側(cè)開挖寬1.0m、深度超過考古探方設(shè)計(jì)深度0.5m的溝槽，充填透水性能好的砂礫（卵）石，臨近地面0.2m填上原狀黏土層，與原來(lái)地面保持一樣（圖1b）。這樣用人工充填的透水層將原先打成的4眼水井聯(lián)通起來(lái)，形成閉合的填砂導(dǎo)水溝。填砂導(dǎo)水溝施工完成，待井中水位恢復(fù)到靜止水位，再次進(jìn)行抽水試驗(yàn)和水位恢復(fù)試驗(yàn)，抽水井、觀測(cè)井的布置與觀測(cè)方法與第一次試驗(yàn)相同。

對(duì)比分析填砂導(dǎo)水溝建成前后的兩次抽水試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證填砂導(dǎo)水排水溝設(shè)置的作用，驗(yàn)證該方法對(duì)考古現(xiàn)場(chǎng)地下水的控制效果。

1.2 黏性土原狀地層中的抽水試驗(yàn)

2014年6月20日試驗(yàn)工作人員進(jìn)入模擬考古現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地，按上述規(guī)則布置了地下水抽水試驗(yàn)場(chǎng)地及井孔位置，聘請(qǐng)當(dāng)?shù)卮蚓?duì)鉆進(jìn)，7月2日成孔。隨后連續(xù)3天觀測(cè)各井水位，待地下水位穩(wěn)定后，測(cè)定了各井的地下水靜止水位，確定了試驗(yàn)場(chǎng)地地下水位埋深約0.6m。隨后以1號(hào)井為抽水井，其他井為觀測(cè)井，于7月6日做了場(chǎng)地原狀黏性土地層地下水抽水試驗(yàn)和水位恢復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)類型屬非穩(wěn)定試驗(yàn)[12]，試驗(yàn)全過程中抽水井和各觀測(cè)井水位變化監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

抽水試驗(yàn)以定流量Q=51.87L/min進(jìn)行抽水，僅僅用了1.5min，1號(hào)井中的水被抽完，抽水井水位下降迅速，抽出水量總計(jì)77.80L，觀測(cè)到的水位降深s=2.45m。抽水停止時(shí)算起的水位恢復(fù)觀測(cè)時(shí)間t =800mins，水位恢復(fù)比較緩慢。2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)觀測(cè)井水位在整個(gè)試驗(yàn)期間變化十分微弱，水位線緊靠橫坐標(biāo)軸沒有明顯變化（圖2）。

1.3 填砂排水溝建立后的抽水試驗(yàn)

黏性土原狀地層打井抽水試驗(yàn)完成后，按照試驗(yàn)方案，聘用民工和試驗(yàn)技術(shù)人員一起經(jīng)過15天的開挖溝槽、填筑砂礫石，建成了預(yù)先設(shè)計(jì)的填砂導(dǎo)水排水溝。待試驗(yàn)場(chǎng)地地下水位恢復(fù)到原始水位后，于2014年7月23—24日，進(jìn)行了模擬考古場(chǎng)地填砂排水溝建成之后的抽水試驗(yàn)，仍然以1號(hào)井為抽水井，2—4號(hào)井為觀測(cè)井，抽水設(shè)施和試驗(yàn)方法與原狀土地層抽水試驗(yàn)基本相同。試驗(yàn)類型同樣屬于非穩(wěn)定試驗(yàn)，試驗(yàn)全過程監(jiān)測(cè)的抽水井和各觀測(cè)井水位變化如圖3所示。

填砂導(dǎo)水排水溝建立后的抽水試驗(yàn)和水位恢復(fù)試驗(yàn)，平均抽水流量Q=0.84m3/h ，抽水延續(xù)時(shí)間tp=4.5h，井中水位降至井底后停止抽水，抽水井觀測(cè)到的水位最大降深s=2.41m。隨后開始水位恢復(fù)，延續(xù)恢復(fù)時(shí)間t =29.5h，直到抽水井、觀測(cè)井中水位恢復(fù)到了抽水前的靜止水位，即水位埋深0.6m。

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 填砂排水溝建立前的抽水試驗(yàn)討論

黏性土原狀地層地下水抽水試驗(yàn)表明，抽水井水位降深從0—2.45m變化，時(shí)間僅僅為短暫的90s。在這短暫的時(shí)間內(nèi)抽水井水位迅速下降，圖2所示的水位下降曲線緊貼縱坐標(biāo)軸。短暫的抽水時(shí)間從井中抽出的水量只有0.0778m3（77.8L）。這些水量主要是抽水井井管中的積水，幾乎不包括周圍黏性土地層的滲出水。這說明黏性土含水層雖然處于飽水狀態(tài)，但透水性和給水性能很差，不可能在短時(shí)間滲出[13-14]。試驗(yàn)顯示該黏性土地層的滲透系數(shù)k=9.4362×10-7cm/s，對(duì)應(yīng)的給水度μ≤0.10。 從水位恢復(fù)情況來(lái)看，抽水停止后800mins，抽水井水位恢復(fù)離靜止水位約0.2m，第二天的觀測(cè)表明，抽水井水位需要24—28小時(shí)才能恢復(fù)到抽水前的靜止水位。這充分說明試驗(yàn)場(chǎng)地黏性土地層中的水滲入井孔速度是十分緩慢的。

從圖2還可以看出，抽水井水位下降、恢復(fù)過程中，觀測(cè)井水位幾乎沒有下降的跡象，就是距離抽水井4.5m的觀測(cè)井也不例外。仔細(xì)觀察才可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)程100mins后觀測(cè)井水位有很微弱的下降反映。這一重要現(xiàn)象說明，周圍黏性土地層中的水分緩慢向抽水井補(bǔ)充，也說明場(chǎng)地黏性土滲透性能的確很差。在這種地層中直接打井排水是不可行的，不能達(dá)到排水降低水位的目的，不能控制考古現(xiàn)場(chǎng)的地下水。

2.2 填砂溝建立后的抽水試驗(yàn)討論

人工填砂排水溝建立后的抽水試驗(yàn)表明，抽水井水位降深從0—2.45m變化，抽水時(shí)間需要4.5h，總抽水量達(dá)3.86 m3。抽水井水位變化比較緩慢，這說明填砂排水溝具有良好的滲透性能和給水性能，其中所含水量能夠不間斷地向抽水井滲流補(bǔ)充?，F(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)得到填砂層的滲透系數(shù)K=4.463×10-2cm/s，對(duì)應(yīng)的給水度μ=0.32。從水位恢復(fù)情況來(lái)看，抽水停止1小時(shí)內(nèi)抽水井水位恢復(fù)很快，停抽后的8小時(shí)內(nèi)水位恢復(fù)較快，然后逐漸變慢，直到25小時(shí)后，抽水井水位和觀測(cè)井水位均基本恢復(fù)到靜止水位。

從圖3可以看出，抽水井水位下降過程中，觀測(cè)井水位變化明顯，具有與抽水井水位同步變化的特征，距離抽水井越近的觀測(cè)井水位下降越明顯。這說明抽出的水量既包括人工填砂溝含水層中的水、抽水井和觀測(cè)井井管中的積水，也包括周圍黏土地層中的少量滲水。從水位恢復(fù)曲線來(lái)看，水位恢復(fù)的時(shí)間仍然長(zhǎng)達(dá)24—30小時(shí)，這說明從黏土地層中的地下水滲入填砂排水溝的速度是十分緩慢的，而排水溝中的積水進(jìn)入抽水井被排出是比較迅速的?？梢姡灰脊盘椒酵鈬ば酝林械牡叵滤疂B入填砂排水溝，就很容易滲入抽水井被排走，就能夠有效控制黏性土地區(qū)考古現(xiàn)場(chǎng)的地下水。

通過填砂排水溝建立前后的抽水試驗(yàn)可以看出，填砂排水溝的建立顯著地改變了地下水的滲透性能和徑流條件，利用人工建立砂礫石導(dǎo)水排水溝，可以有效控制黏性地層考古現(xiàn)場(chǎng)的地下水，只要及時(shí)抽出填砂排水溝中的地下水，就能保證考古探方?jīng)]有地下水滲出，就能保證考古工作不受地下滲水的影響。這些效果已經(jīng)在試驗(yàn)場(chǎng)地模擬考古發(fā)掘后續(xù)試驗(yàn)研究中得到了驗(yàn)證。

3 結(jié) 論

長(zhǎng)江下游黏性土層分布地區(qū)屬典型的潮濕環(huán)境，具有水源豐富、地下水埋藏淺的特征[15]，在這類地區(qū)進(jìn)行考古發(fā)掘，往往受到地下滲水的嚴(yán)重影響。采取措施有效控制黏性土中地下水，排除地下水對(duì)考古現(xiàn)場(chǎng)的干擾，是一項(xiàng)保障考古工作順利進(jìn)行，保障遺址本體免遭破壞的關(guān)鍵技術(shù)問題。

黏性土含水層滲透性和給水度極差，直接打井抽水不能排走其中的水量，不能達(dá)到降低地下水位的目的，不能遏制滲水對(duì)考古發(fā)掘的嚴(yán)重影響。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，在黏性土層地下水淺埋地區(qū)考古探方周圍建立人工填砂排水溝，能使?jié)B透系數(shù)k由9.4362×10-7cm/s增加到4.463×10-2cm/s，

給水度μ由小于0.10提高到0.32，能起到疏導(dǎo)地下水流動(dòng)和順利排走地下水的作用，能夠有效降低地下水位，防止地下水向考古探方入滲，保障考古工作不受滲水的影響。

人工填砂排水溝不僅能疏導(dǎo)排泄黏性土層中的地下水，而且能夠阻隔黏性土層毛細(xì)水的運(yùn)動(dòng)。該項(xiàng)技術(shù)完全適宜于黏性土層地下水淺埋區(qū)考古現(xiàn)場(chǎng)滲水問題的防治，也適用于這類地區(qū)遺址陳列館滲水的防治及地下水的控制。

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