嘉峪關(guān)長城第一墩病害成因及監(jiān)測技術(shù)探尋*

柳君君，張曉東，馬慶珍，許德臣，徐曉君，張翔，陳穎

（1.嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心，甘肅嘉峪關(guān)735100；2.嘉峪關(guān)長城博物館，甘肅嘉峪關(guān)735100）

嘉峪關(guān)長城第一墩病害成因及監(jiān)測技術(shù)探尋*

柳君君1，張曉東2，馬慶珍1，許德臣1，徐曉君1，張翔1，陳穎1

（1.嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心，甘肅嘉峪關(guān)735100；2.嘉峪關(guān)長城博物館，甘肅嘉峪關(guān)735100）

摘要：嘉峪關(guān)長城第一墩本體長期受自然和人為損害，特別是經(jīng)過多年的風(fēng)雨侵蝕，風(fēng)化剝落現(xiàn)象十分嚴(yán)重。第一墩下方崖壁由于受河水的沖刷、侵蝕，使得崖體底部被掏空，加之自然卸荷等因素的影響，在第一墩東西兩面崖頂?shù)孛嫔闲纬闪舜罅康牧严?，這些裂隙危及第一墩和明長城的保存。對第一墩本體病害和賦存崖體穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，將能有效預(yù)測病害的發(fā)展趨勢，達(dá)到及時(shí)預(yù)警、預(yù)防危害發(fā)生的目的。

關(guān)鍵詞：長城第一墩；病害；監(jiān)測技術(shù)

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.03.020

1　概況

長城第一墩位于嘉峪關(guān)關(guān)城南7.5 km處，是明代長城西端臺墩的起點(diǎn)，又名“討賴河墩”和“頭墩”。它由明代甘肅鎮(zhèn)肅州兵備道李涵筑于嘉靖十九年，依存于討賴河高達(dá)56 m的懸崖峭壁之上，原高14.5 m，底邊長、寬均為14.5 m，呈正方形棱錐體?，F(xiàn)存遺址長13 m，寬10 m，最高處高9 m，表面積約200 m2。墩臺下河岸崖壁經(jīng)過數(shù)百年的風(fēng)雨侵蝕、河水沖刷，已發(fā)生多次坍塌，致使墩臺的一部分隨著崖壁的沙石塌入河谷。墩臺東側(cè)，距河岸邊緣約1.8 m處，有一條長幾十米，寬約10 cm的裂縫直抵墩臺，墩臺底部也出現(xiàn)明顯的裂紋。2002年12月，嘉峪關(guān)一帶發(fā)生5.6級地震，墩臺西側(cè)河岸又開始出現(xiàn)裂縫，墩臺及其載體的穩(wěn)定性受到極大的威脅。

近年來，為保護(hù)墩臺，在討賴河北岸修筑了攔河壩，用以阻隔河水對崖體基礎(chǔ)的沖刷。對墩臺本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)措施，并對墩臺表面進(jìn)行了防風(fēng)化加固措施，這些措施對第一墩的安全起到了有效的保護(hù)作用。同時(shí)，為有效防止崖壁巖體在自重及外力作用下發(fā)生傾倒、崩塌等破壞，對第一墩正下方及地下博物館擴(kuò)建場地下方的崖壁巖體進(jìn)行了系統(tǒng)錨固工程，區(qū)域崖體的穩(wěn)定性得到了提高。但第一墩至博物館間的崖壁亦有卸荷開裂、下部受河水沖刷、崖體懸空等問題，急需開展對崖壁穩(wěn)定性的監(jiān)測。

1.1地形地貌

第一墩位于嘉峪關(guān)關(guān)城南7.5 km處的討賴河北岸邊緣。墩臺所在地區(qū)在地貌上位于祁連山麓沖積扇，受祁連山雪水和雨洪常年沖刷，沖積扇被切割成了一個(gè)深深的大峽谷，形成了討賴河。討賴河屬常年性河流，呈“S”型流經(jīng)墩臺崖體下面場地，由于受河水常年沖刷、侵蝕，在場地內(nèi)形成了相對高差56 m，寬170 m的“U”字型非巖質(zhì)大峽谷，峽谷兩側(cè)陡峭，峽谷頂部兩側(cè)地形相對平坦。場地內(nèi)主要為古人遺留的長城遺跡。

1.2氣候特征

本區(qū)屬溫帶大陸性荒漠氣候，其主要特點(diǎn)是晝夜溫差大、雨量小、蒸發(fā)強(qiáng)、日照長。年均氣溫在6.7℃～7.7℃之間，6～7月份最熱，日平均最高氣溫23.4℃，元月份及12月份最低，日平均氣溫-9.8℃；多年平均降水量為87.09mm；春季多風(fēng)。全年大風(fēng)（≥8級）達(dá)30 d，極端最大風(fēng)速25.7 m/s，風(fēng)向西北，平均風(fēng)速2.4 m/s。嘉峪關(guān)市多年標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為132 cm，屬季節(jié)性凍土。

2　第一墩本體病害現(xiàn)狀

2.1片狀剝離

片狀剝離是土遺址在外營力或內(nèi)營力的作用下表面疏松起殼，在外力或重力作用下成片狀或小塊狀脫落。其中包含有四種形式，即雨蝕剝離、風(fēng)蝕剝離、溫度剝離和裂隙剝離。嘉峪關(guān)長城第一墩因其所處干旱環(huán)境中，溫濕度變化巨大且風(fēng)力過強(qiáng)，遺址表面的薄弱部分易形成大小不等的脫落（見圖1所示）。

圖1　片狀剝離

2.2酥堿

酥堿是指在水的作用下，土體內(nèi)部的鹽分在土遺址表面富集，由于鹽分的反復(fù)結(jié)晶—溶解，土體結(jié)構(gòu)不斷疏松，在外營力作用下土遺址不斷被掏蝕凹進(jìn)。此類病害主要出現(xiàn)在一墩基礎(chǔ)部位，表現(xiàn)為土質(zhì)極為疏松，孔隙多，較密集，土體表面疏松，呈粉粒狀掉落（見圖2所示）。

圖2　酥堿

2.3沖溝

由于雨水長期作用，在土遺址表面低洼部分易形成沖溝，主要有裂隙型沖溝和徑流型沖溝。第一墩墩臺由于長期的風(fēng)化侵蝕、酥堿和塊狀剝落，在其中部形成一個(gè)凹陷的聚水區(qū)域，該區(qū)域受長期短時(shí)強(qiáng)降雨作用影響，已經(jīng)形成一個(gè)裂隙型沖溝（見圖3所示）。

2.4裂隙

裂隙是指土遺址在外力和內(nèi)力綜合因素下形成的裂縫（裂隙），主要有卸荷裂隙、構(gòu)造裂隙、變形裂隙、建筑工藝裂隙等。一墩本體在強(qiáng)烈日溫差引起的反復(fù)脹縮、凍融、卸荷和地震等自然因素影響下產(chǎn)生縱橫交錯(cuò)的裂隙，主要為卸荷裂隙和沖溝裂隙。長期的雨水侵蝕、沖刷，使裂隙進(jìn)一步延伸，導(dǎo)致土體逐漸開裂坍塌（見圖4所示）。

圖3　沖溝

圖4　裂隙

3　第一墩賦存環(huán)境病害現(xiàn)狀

3.1崖體的病害特征

由于長城第一墩所處的崖壁陡峭，且崖壁下部有討賴河流過，在漫長的歷史年代中，受各種自然因素與人為因素的長期影響，自第一墩西側(cè)至博物館下部的崖壁巖體不斷卸荷開裂、風(fēng)化剝落，崖壁頂部地面出現(xiàn)寬大的裂隙，崖壁整體穩(wěn)定性逐漸降低。雖然第一墩西側(cè)至正下方及博物館處崖壁已進(jìn)行過錨固處理，但第一墩至博物館之間、博物館東側(cè)的崖壁錨固工程尚未完成，此段崖壁仍然存在開裂、坍塌危險(xiǎn)。

3.1.1崖體裂隙發(fā)育

在崖壁頂部，主要分布有兩條延伸較長、貫通張開的卸荷裂隙，其中1#裂隙（如圖5）距崖壁邊緣約3.8 m，裂隙可見范圍為第一墩東側(cè)45～50 m范圍內(nèi)，崖壁直立，危巖體沿整個(gè)崖面連續(xù)分布，呈板狀，危巖體主要由厚層礫巖組成，巖質(zhì)較軟弱，表層巖體風(fēng)化較為嚴(yán)重，常呈鱗片狀剝落?？梢婇L度為45 m，裂隙寬度為2～5 mm；受后部卸荷裂隙切割及風(fēng)化作用的影響，在該區(qū)形成了大面積的板狀和片狀危巖體，崖壁表層片狀危巖體的穩(wěn)定性較差。若卸荷裂隙繼續(xù)不斷向后牽引發(fā)展，將影響該區(qū)巖體的穩(wěn)定，更重要的是第一墩本體就在該區(qū)正上部，該區(qū)巖體是否穩(wěn)定，直接關(guān)系著第一墩本體的安全；2#裂隙（如圖6）距崖壁2.0～5.6 m，裂隙可見范圍為觀景臺至觀景臺以西78 m，可見長度78 m，裂隙寬度為20～800 mm。兩條卸荷裂隙切割崖體，已形成危巖體，該區(qū)危巖體主要受后部陡傾卸荷裂隙切割控制，卸荷裂隙走向與崖面走向平行，近直立，表現(xiàn)為上寬下窄，裂隙張開寬度為20～800 mm。危巖體高54 m，寬78 m，厚2.0～5.6 m。危巖體底部受河水淘蝕，局部懸空。危巖體的存在威脅著長城第一墩及博物館的穩(wěn)定，如不對其進(jìn)行工程加固，將給長城第一墩、游人和相關(guān)設(shè)施的安全帶來極大的安全隱患。

圖5　1#裂隙

圖6　2#裂隙

3.1.2崖底河流沖刷

討賴河出山口徑流呈明顯的季節(jié)性變化，一般規(guī)律是：冬季由于河流封凍，地下水補(bǔ)給，是徑流的最枯時(shí)段，1～3月徑流量占年徑流量的7.1%，3月以后，隨著氣溫升高引起融雪和解凍，徑流量增大，4～5月徑流量占年徑流量的11.8%；夏秋雨季是流域降水較多而且集中的時(shí)期，6～9月的徑流量占年徑流量的55.7%，10～12月為河流退水期，徑流量占年徑流量的25.4%。歷史上，討賴河水常年從崖壁基礎(chǔ)流過，對崖壁基礎(chǔ)沖刷十分嚴(yán)重。嘉峪關(guān)市政府從2013年開始的《討賴河嘉峪關(guān)市區(qū)段生態(tài)環(huán)境治理工程》，在第一墩所處的崖壁底部修建了一條攔河壩，用以隔離討賴河對崖底的沖刷，從而對崖壁基礎(chǔ)起到了一定的保護(hù)作用。（如圖7）

圖7　第一墩崖壁基礎(chǔ)處討賴河攔河壩

3.2病害成因分析

3.2.1地形地貌及地層巖性是崖壁穩(wěn)定性差的內(nèi)因

該段崖壁由于河水的沖刷、侵蝕，已經(jīng)形成了一相對高差56 m、寬170 m的非巖質(zhì)大峽谷，峽谷壁陡立，在坡腳處形成應(yīng)力集中，坡頂邊緣部位在卸荷作用影響下，易形成拉力帶，產(chǎn)生卸荷裂隙。從野外實(shí)地觀察，其谷壁巖性均為Q3apl卵石，泥質(zhì)膠結(jié)，巖體膠結(jié)強(qiáng)度較低，整體性差，易于變形失穩(wěn)。

3.2.2河流沖刷和地震影響是崖壁巖體失穩(wěn)的直接原因

工程區(qū)崖壁位于討賴河河岸的邊緣，由于河流在此河谷坡降大，平均流速高，特別是7～8月份洪峰時(shí)流量劇增，水流具有較大的輸沙能力，為侵蝕性河床。流水對河床及河岸的沖刷侵蝕，會引起岸坡巖體的崩塌，使上部臨空側(cè)陡立崖壁失去部分支撐。此外河水的浸泡，使坡腳部位巖體中的泥質(zhì)膠結(jié)軟化，造成巖體強(qiáng)度降低，加劇坡腳部位的應(yīng)力集中，為崖壁失穩(wěn)埋下隱患。

3.2.3地表水沿裂隙流入對弱化崖壁巖體穩(wěn)定有重要影響

由于現(xiàn)有卸荷裂隙張開，雨季時(shí)降雨沿裂隙流巖體，本區(qū)巖體在遇水的情況下極易軟化，導(dǎo)致裂隙切割深度不斷增加，危巖體與母巖剝離面積擴(kuò)大，危巖體穩(wěn)定性變差。

4　監(jiān)測內(nèi)容及方法

4.1本體監(jiān)測

4.1.1整體外形監(jiān)測

三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新技術(shù)，具有掃描精度高、速度快、多方位、無接觸、易操作等特點(diǎn)，在文物保護(hù)測繪工作中得到越來越多的應(yīng)用。

三維激光掃描儀可以將三維點(diǎn)的坐標(biāo)通過控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換到相對應(yīng)的地面坐標(biāo)系中，因此模型的每一個(gè)點(diǎn)都有規(guī)定坐標(biāo)下的真實(shí)坐標(biāo)，可以對模型進(jìn)行測繪，從而避免與目標(biāo)直接接觸，最大程度地減少對文物本體的損害。運(yùn)用三維掃描儀對一墩本體進(jìn)行掃描，獲取一墩本體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)就可以建立三維數(shù)值模型，對模型進(jìn)行直接測繪，可得出一墩本體的體積、面積、裂縫、坍塌缺失等量化值。將兩次定期掃描的圖片在同等對應(yīng)位置進(jìn)行平面切割，將可以對比計(jì)算出墩臺表面風(fēng)化脫落、酥堿、雨水沖蝕、坍塌缺失等外形病變發(fā)展的趨勢和速率。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可及時(shí)準(zhǔn)確做出預(yù)警評估，采取相應(yīng)保護(hù)措施。對一墩本體的三維掃描可初步確定為1年掃描一次。

4.1.2裂隙監(jiān)測

為了避免對本體造成破壞，對本體裂縫的監(jiān)測可考慮應(yīng)用三維掃描儀和遠(yuǎn)距離裂縫觀測儀相結(jié)合進(jìn)行監(jiān)測。在裂縫病害正面設(shè)站，進(jìn)行精細(xì)的三維掃描，通過掃描結(jié)果分析計(jì)算出裂縫的深度及長度信息。也可以選擇在冬季和夏季定期掃描兩次，將兩次掃描的結(jié)果進(jìn)行量化分析，計(jì)算出裂縫在溫差變化下發(fā)展的趨勢；采用無損的遠(yuǎn)距離裂縫觀測儀，定期對本體存在的裂縫長度、各處寬度、最大寬度等進(jìn)行監(jiān)測，這樣既能彌補(bǔ)三維掃描儀掃描代價(jià)高、分析技術(shù)難度大的缺陷，又能結(jié)合三維掃描儀對裂縫的精細(xì)掃描數(shù)據(jù)，綜合掌握裂縫整體變化趨勢和速率。

4.1.3沖蝕監(jiān)測

一墩本體受所處地區(qū)氣象環(huán)境的影響，遭短時(shí)強(qiáng)降雨破壞顯著，為了更好地對雨水沖刷情況進(jìn)行監(jiān)測，有必要在雨水沖蝕嚴(yán)重部位安裝一個(gè)帶刻度的探針，進(jìn)行水土流失監(jiān)測。安裝位置可選在水流最急、流速最快、沖刷最為嚴(yán)重的部位。經(jīng)現(xiàn)場勘查，水流最急部位離地面約1.5 m，安裝在此處也便于巡查人員讀取數(shù)據(jù)。巡查人員定期去現(xiàn)場讀取探針表面刻度位置，通過和歷史讀數(shù)的對比，計(jì)算出探針安裝部位的水土流失量。此探針體積小，安裝時(shí)對本體破壞小，屬不銹鋼材質(zhì)，耐腐蝕，刻度也可保持多年不腐蝕不變形，且無需供電，屬于純物理測量儀器，方便觀測。

4.2賦存環(huán)境監(jiān)測

4.2.1氣象環(huán)境監(jiān)測

第一墩所處地區(qū)屬溫帶大陸性荒漠氣候，具有日照強(qiáng)、溫差大、降雨時(shí)短但強(qiáng)度大、蒸發(fā)量大等特點(diǎn)，第一墩本體又位于崖壁頂層，位置突出，周邊為荒漠戈壁，無以遮擋，使得風(fēng)力、溫濕度、日照輻射等氣象因素對本體病害的影響明顯，因此有必要在第一墩設(shè)立全自動(dòng)氣象站，對其所處氣象環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。實(shí)時(shí)監(jiān)測內(nèi)容包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、雨量、蒸發(fā)量、日照時(shí)間、太陽輻射八要素。通過對氣象的八要素進(jìn)行監(jiān)測，能有效分析出風(fēng)力、雨量、蒸發(fā)量等因素對本體的破壞情況，并做出準(zhǔn)確評估。

4.2.2崖體裂縫監(jiān)測

第一墩本體所賦存的崖壁受多種因素的影響，其崖頂?shù)孛嫔闲纬闪舜罅康牧严?，?yán)重威脅著本體的穩(wěn)定性，必須采取有效的監(jiān)測手段。因崖壁開裂程度較嚴(yán)重，在巖體深部安裝實(shí)時(shí)監(jiān)測儀器的施工難度大，危險(xiǎn)系數(shù)高，因此，監(jiān)測重點(diǎn)只能考慮以地表位移和裂縫監(jiān)測為主?？稍谘马斄芽p處埋設(shè)雙向測縫計(jì)，這樣就能同時(shí)監(jiān)測崖壁裂縫的縱向和橫向變動(dòng)情況，及時(shí)預(yù)見其位移和開裂的速率，達(dá)到預(yù)警目的。

5　結(jié)論

5.1病害分析

通過大量的實(shí)地調(diào)查及分析，嘉峪關(guān)長城第一墩遺址本體的主要病害有片狀剝離、酥堿、沖蝕、裂隙等，其賦存環(huán)境的病害重點(diǎn)是崖壁的懸空和卸荷開裂。病害是在遺址自身因素與環(huán)境影響因素的共同作用下形成的。環(huán)境影響因素主要為風(fēng)蝕、雨蝕、溫濕度變化、河流沖刷、地震等。分析嘉峪關(guān)長城第一墩遺址發(fā)育的主要病害及其成因，將有利于對該遺址采取科學(xué)合理的監(jiān)測措施，達(dá)到預(yù)警作用。

5.2監(jiān)測方式

以安裝固定監(jiān)測儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測為主，輔以便攜式監(jiān)測儀器開展日常監(jiān)測。日常監(jiān)測可使用探地雷達(dá)監(jiān)測墩體土內(nèi)的空洞、滑移斷層；用全站儀監(jiān)測第一墩的地基、墩身局部下沉或鼓起變形；用鹽分計(jì)和水分計(jì)監(jiān)測墩體土質(zhì)鹽堿度。

5.3監(jiān)測儀器的選型

監(jiān)測儀器要求能適合現(xiàn)場條件，長期穩(wěn)定性好，并能滿足工程的精度和量測。數(shù)據(jù)采集和發(fā)射裝置要求能與已開發(fā)的世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警管理信息平臺對接，能夠?qū)崟r(shí)將數(shù)據(jù)傳輸回軟件平臺。

5.4監(jiān)測布置上的總體考慮

考慮到其賦存崖體對一墩本體的危害現(xiàn)狀，在監(jiān)測布局上既要兼顧墩臺整體穩(wěn)定性監(jiān)測，更要關(guān)注崖體局部開裂、崩塌等危害性的監(jiān)測；考慮到監(jiān)測施工的安全性，以巖體表面位移監(jiān)測為主。

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中圖分類號：K878

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2016-1-12 項(xiàng)目基金：2014年甘肅省文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域科研項(xiàng)目“嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測需求研究”（GWJ2014021）。

作者簡介：柳君君（1983-），女，漢族，甘肅平?jīng)鋈?，碩士，文博館員，主要從事文物保護(hù)及文化遺產(chǎn)監(jiān)測工作。