晉陽古城遺址西城墻墻體病害治理研究★

申喜旺 朱建龍 谷俊杰

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000； 2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

西城墻是晉陽古城城池遺址中保存最為完整的一段[1]。原有完整長度3 750 m，走向NE18°。目前地面遺存僅有三處，殘長共計約800 m，其余部分均被毀壞，被道路、村莊和農(nóng)田侵占[2]。為了深入認(rèn)識晉陽古城遺址西城墻墻體存在的病害以及進(jìn)行有效的治理保護(hù)，本文對遺址區(qū)進(jìn)行詳細(xì)工程地質(zhì)勘察，在查明遺址區(qū)域內(nèi)的病害類型及成因的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的工程措施建議。

1 研究區(qū)域概況

晉陽古城遺址位于山西省太原市晉源區(qū)晉陽城，由城池遺址、宗教祭祀遺址、墓葬遺址三部分組成[3]。城池遺址位于太原市西南晉源區(qū)晉源鎮(zhèn)，屬于西山山前的沖積扇區(qū)，城池遺址自西向東分為西區(qū)、中區(qū)、東區(qū)3個遺存分布區(qū)。2001年6月國務(wù)院公布晉陽古城遺址為全國重點文物保護(hù)單位。

1.1 地形地貌

太原位于山西省境中央，太原盆地的北端，于華北地區(qū)黃河流域中部，西、北、東三面環(huán)山，中、南部為河谷平原，全市整個地形北高南低呈簸箕形。海拔最高點為2 670 m，最低點為760 m，平均海拔約800 m，地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°30′～113°09′，北緯37°27′～38°25′。區(qū)域輪廓呈蝙蝠形，東西橫距約144 km，南北縱約107 km。

晉陽古城遺址所在地即位于西山風(fēng)峪沙河出山口前的沖積扇上，屬山前沖積平原，地形西高東低，地勢平緩，海拔高度763 m～815 m。

1.2 地層巖性

西山地區(qū)出露地層較為古老，有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、上第三系和第四系。晉陽古城遺址所在地基巖為第四系全新統(tǒng)汾河組亞砂土、亞粘土地層，新生界底板深度大于1 200 m。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

太原市位于晉中盆地北端，是晚新生代以來形成的斷陷盆地。自上新生代以來，本區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動比較強(qiáng)烈，差異升降顯著。

晉陽古城遺址所在地區(qū)就位于西山強(qiáng)烈上升區(qū)的東部邊緣，晉祠大斷裂東側(cè)。西山區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造對于遺址所在基巖的穩(wěn)定性具有顯著的影響。

1.4 地震

在晉陽古城遺址附近區(qū)域歷史和現(xiàn)今均發(fā)生過地震活動，震中距離非常小。根據(jù)地震活動性分析，今后本區(qū)仍處在地震活躍期。根據(jù)我國2001年公布的中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖并結(jié)合晉源區(qū)邊山地區(qū)的地質(zhì)條件，該區(qū)范圍的地震動峰值加速度為0.2g，對應(yīng)的抗震設(shè)防烈度為8度。地震活動對晉陽古城遺址的影響不可忽視。

1.5 水文地質(zhì)條件

黃河的第二大支流——汾河，自北向南橫貫太原市全境，流經(jīng)境內(nèi)約100 km。市區(qū)東有太行山阻隔，西有呂梁山作屏障，坐落在兩大山脈間的河谷平原上。

晉陽古城遺址就坐落在汾河西岸，西山風(fēng)峪沙河出山口前的沖積平原之上，受河流沖刷作用明顯。晉陽古城遺址周邊地下水深度在12 m左右，其主要補(bǔ)給源為大氣降水與人工灌溉水下滲。由于地下水埋深深度較大，不對場地建筑物構(gòu)成威脅。

2 晉陽古城西城墻墻體病害類型及治理

晉陽古城遺址西城墻遺址的病害主要由兩方面的因素形成——自然因素和人為因素。晉陽古城遺址本體除受到自然力，如西山風(fēng)峪溝山洪的嚴(yán)重沖刷和自然界的風(fēng)化、冰凍、雨水、坍塌、環(huán)境污染等的侵蝕和破壞外，還受到來自人為因素的破壞和阻礙[4]。晉陽古城遺址西城墻主要病害為墻體裂隙、頂面沖溝、剝蝕與酥堿、植被的破壞作用和人為因素破壞等[1](見圖1～圖6)。

2.1 墻體結(jié)構(gòu)病害防治

2.1.1城墻裂隙加固

裂縫發(fā)育能造成墻體坍塌而嚴(yán)重毀壞遺址，因此對于墻體裂縫特別是卸荷裂縫進(jìn)行加固處理。裂隙加固建議采用充填注漿的方法。

針對晉陽古城遺址西城墻墻體的裂隙，錨固后必須進(jìn)行注漿填充，否則一旦裂隙中入滲雨水會導(dǎo)致土體軟化，錨桿失去錨固作用；另外裂隙中不斷填充沙土或裂隙兩壁長期風(fēng)化，也會影響錨固效果。因此，錨固后裂隙注漿填充的密實與否是保證錨固作用的關(guān)鍵；為防止面流沿裂隙滲入，應(yīng)清理墻體表面松散的土體，對所揭露的裂隙進(jìn)行封閉注漿，根據(jù)裂隙寬度、土體孔隙及可灌性等因素，采用硅質(zhì)加固液，同時結(jié)合Ca(OH)2等為固化劑進(jìn)行灌注，具體漿液配比需根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行試驗后確定。

淺表小裂隙注漿采用硅質(zhì)液注射器注漿方式，先將硅質(zhì)液注入土體裂隙內(nèi)潤濕裂隙內(nèi)部土體，使裂縫周邊土體含水率達(dá)到可塑狀態(tài)后用錘輕擊裂隙處，使表層裂隙粘結(jié)密實，達(dá)到裂隙閉合增強(qiáng)墻體強(qiáng)度。

對于斜面或平面注漿，可先安置較長注漿管嘴，表層用改性土封閉，再進(jìn)行硅質(zhì)加固液注漿，當(dāng)裂隙處土體含水率達(dá)到可塑狀態(tài)時再次進(jìn)行小范圍夯實，可達(dá)到封閉充實裂隙的作用，此種注漿需反復(fù)多次進(jìn)行，達(dá)到深層滲透密實封閉的效果。

對于有充填的裂隙，通過掏孔保證裂隙注漿密實，掏孔直徑小于50 mm，注漿時通過試驗確定一定的注漿壓力，壓力小于0.5 MPa，注漿時采取分段、間隔的注漿工藝，保證施工時墻體穩(wěn)定。

2.1.2坍塌部位加固

坍塌是指裂隙將整個頂部分割成數(shù)塊，最后隨著裂隙進(jìn)一步發(fā)育形成坍塌[5]。地震活動對晉陽古城遺址的影響非常突出。

晉陽古城遺址西城墻東側(cè)墻面近乎垂直，坍塌嚴(yán)重且分布大小不一的坑洞，對于城墻東側(cè)坍塌區(qū)域、坑洞(城墻頂面的墳塋、側(cè)面的窯洞)，擬采取清除墻基地面雜土及雜物后，配置改性土逐層填充夯實并加鋪φ20玻璃纖維作為拉筋，拉筋布置間距為橫向150 cm，豎向間距200 cm。頂部無法夯實或填充后出現(xiàn)的裂縫的，需進(jìn)行后期注漿方式修復(fù)。

夯筑時，采用玻璃纖維拉筋，其優(yōu)點為：1)玻璃纖維制作的主筋為非金屬無機(jī)材料，耐久性好、耐熱性好、抗腐蝕性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高，對城墻體擾動小；2)玻璃纖維拉筋對土體起到一個支撐和拉結(jié)作用，增加墻體的穩(wěn)定性；3)玻璃纖維拉筋是土體分層夯筑時鋪設(shè)的，無錨墊板、螺栓等外部構(gòu)件，對面層無損傷、易恢復(fù)；4)玻璃纖維工程造價低，適用性廣，操作簡單，便于施工。

2.2 水致病害防治

2.2.1頂面沖溝治理

沖溝治理時，應(yīng)根據(jù)沖溝情況，并結(jié)合現(xiàn)場施工布置，充分利用現(xiàn)有地形條件，本著滿足“施工方便、節(jié)約成本”的原則選擇不同的治理措施[6]。

針對晉陽古城西城墻立面上發(fā)育的裂隙型沖溝，應(yīng)盡量保留沖溝附近植被，僅對沖溝處進(jìn)行夯筑填補(bǔ)。需要砌補(bǔ)處，采用自制改性土泥坯砌補(bǔ)(改性土是由晉陽古城遺址附近的粉土與丙烯酸混合攪拌而成，以增強(qiáng)土體粘聚力及耐水性能)，填夯、砌補(bǔ)完成后虛鋪腐殖土層恢復(fù)植被風(fēng)貌并且頂面設(shè)置2%的排水坡度以利于排水。

2.2.2墻基排水措施

水不僅會沖擊遺址表面引起沖溝破壞，同時降落到地面匯集的水會對遺址底部造成掏蝕破壞[7]。晉陽古城西城墻墻基處易形成匯水區(qū)，對遺址體穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，故應(yīng)對墻基處加強(qiáng)排水處理，并在遺址體墻基周圍平整出5%的坡度，坡向垂直遺址體墻基向外，使墻基匯水排散，減少對遺址體的破壞。

同時城墻東側(cè)墻腳處為農(nóng)田灌溉水渠，灌溉用水直接浸泡城墻地基，對城墻墻體穩(wěn)定性的影響極大，故將該水渠向外平移至城墻保護(hù)范圍與農(nóng)田邊界處，且城墻雨水可直接排至農(nóng)田。城墻西側(cè)為一漿砌片石排洪渠，目前已被荒廢回填，將該水渠開挖清理后可將雨水排入該水渠。

2.3 表層病害防治、排水防滲治理

2.3.1城墻表面植被處理

晉陽古城遺址西城墻屬于土遺址類型，依據(jù)文物保護(hù)工程中“原材料、原形制、原工藝、原做法”的四原則，應(yīng)對晉陽古城遺址西城墻上的植被進(jìn)行分類清理。對城墻未加固區(qū)域表面的大型灌木進(jìn)行清除，對小灌木及雜草進(jìn)行修剪，降低植物高度。

2.3.2墻面防雨蝕加固

西城墻東側(cè)墻體夯筑完成后應(yīng)對表面進(jìn)行防雨蝕加固處理、以增強(qiáng)其抗侵蝕能力。加固范圍為西城墻東側(cè)墻體坡面。對東側(cè)坡面的灌木進(jìn)行清除，對表層風(fēng)化土層進(jìn)行清理。

擬采用粉土∶石灰=10∶0.7加3%丙烯酸加固，施工期間對工作面應(yīng)采取防曬措施，使加固體緩慢陰干，以免形成龜裂。

2.4 防護(hù)隔離帶

晉陽古城遺址受到人為因素影響極大，目前西城墻遺址多在耕田及村莊中遺存，因此人為因素造成的影響比較嚴(yán)重。主要的破壞是由于農(nóng)業(yè)耕作、民房侵占、道路擠壓、考古破壞等情況。

由于西城墻內(nèi)側(cè)現(xiàn)有大量基本農(nóng)田，人為因素影響過大。因此擬在晉陽古城遺址西城墻區(qū)域設(shè)置防護(hù)隔離帶，形制為木質(zhì)護(hù)欄，秉持通透、安全、適用、經(jīng)濟(jì)為原則。

護(hù)欄按照西城墻遺存現(xiàn)狀，分段設(shè)置，以城墻兩側(cè)各3 m為基線，主體材質(zhì)為沉水柳桉，全長約1 064.4 m。立柱設(shè)計高度1.5 m，欄桿設(shè)計高度1.35 m，立柱間距2 m，基礎(chǔ)埋深尺寸為0.25 m×0.25 m×0.5 m，采用C25混凝土填充，覆原土夯實，施工時可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)論及建議

晉陽古城遺址西城墻主要病害為墻體裂隙、頂面沖溝、剝蝕與酥堿、植被的破壞作用和人為因素破壞。本文在查明遺址區(qū)域內(nèi)的工程地質(zhì)條件、病害類型及成因的基礎(chǔ)上，對以上幾種病害分別給出了相應(yīng)的工程措施建議。本文提出的工程措施建議，其有效性和耐久性的評價需要科學(xué)技術(shù)手段來監(jiān)測和掌控，觀測、了解和分析措施有效性，為后續(xù)保護(hù)工程提供指導(dǎo)和依據(jù)。同時由于環(huán)境影響因素的長期性，城墻遺址病害的發(fā)育也是一個緩慢而持久的過程，所以建議建立一個長期的監(jiān)測體系來觀察和分析。建議在城墻內(nèi)部埋設(shè)探頭，監(jiān)測城墻內(nèi)的溫濕度變化，并在城墻表面架設(shè)相機(jī)，監(jiān)測城墻表面風(fēng)化變形趨勢。

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[5] 石玉成,王旭東,李 舒,等.土遺址文物震害防御及抗震加固對策[J].地震工程學(xué)報,2013,35(1):42-50.

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[7] 謝 娜.潮濕環(huán)境下古文化遺址保護(hù)措施研究——以南京報恩寺地宮遺址的保護(hù)為例[D].蘭州:蘭州大學(xué),2013:1-5.