東山村遺址滲水病害防治技術(shù)研究

張明泉　王旭東　錢春鋒　孫滿利　馬宏?！《派毓狻堯q文

內(nèi)容摘要：通過對東山村遺址保護(hù)面臨的滲水問題和病害調(diào)查分析，針對遺址保存區(qū)黏性土層特殊的水理性質(zhì)，在總結(jié)分析已有地下水防滲、排水技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，提出了適宜黏性土地層中地下水控制的填砂排水溝技術(shù)方法，解決了黏性土層中潛水疏排的難題。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，該方法具有很好的控制地下水位的效果，對考古探方防滲和遺址陳列館防滲具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：東山村遺址；滲水；病害；防治技術(shù)

中圖分類號：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-4106（2018）01-0073-07

Research on the Water Seepage and Disease Control Technology in Dongshan Village

ZHANG Mingquan1 WANG Xudong2 QIAN Chunfeng3 SUN Manli4

MA Honghai1 DU Shaoguang1 ZHANG Qianwen1

（1. Lanzhou University， Lanzhou， Gansu 730000； 2. Dunhuang Academy， Dunhuang， Gansu 736200；

3. Zhangjiagang City Museum， Zhangjiagang， Jiangsu 215600；

4. School of Cultural Heritage， Northwest University， Xian， Shaanxi 710000）

Abstract：Based on the investigation and analysis of water seepage and disease that occurred at the protectedsite of Dongshancun village and the physical properties particular to the viscous land on which its built， as well as an analysis of extant underground seepage and drainage technology， the author proposes a filling and draining method suitable for the control of underground water in the viscous land layer that would also resolve the difficult problem of dredging out phreatic water. The experiments show that this is a very efficient method for underground water control and could be effectively applied to the seepage control at both the archaeological excavation units and the site gallery.

Keywords：Dongshan village site； water seepage； disease； prevention and control technology

引 言

張家港市東山村遺址發(fā)現(xiàn)于1989年，經(jīng)先后3次搶救性考古發(fā)掘，發(fā)現(xiàn)了馬家浜文化和崧澤文化時期的文化層堆積以及若干房址和墓葬[1-2]，出土了陶器、石器、玉器等文物數(shù)百件，其中古墓葬位置布局具有明確的等級區(qū)分及禮儀規(guī)制。考古專家認(rèn)為，東山村遺址的發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了江蘇舊、新石器時代文化銜接上的一段空缺，是目前太湖流域和長江下游地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的新石器時代文化遺址中最早的遺址[3]。東山村遺址被評為2009年度全國十大考古新發(fā)現(xiàn)。

由于東山村遺址所處區(qū)域水系發(fā)育，地下水位埋藏淺，造成遺址發(fā)掘坑滲水、積水浸泡、坑壁軟化、坍塌，遺址本體潮濕、滋生苔蘚、失水干裂、酥堿等病害，對遺址保存和展示造成了嚴(yán)重的危害。

為配合東山村遺址保護(hù)工作，治理發(fā)掘區(qū)滲水造成的種種病害，課題研究人員對東山村遺址開展了綜合水文地質(zhì)調(diào)查和鉆探，結(jié)合南京博物院對東山村遺址所做的保護(hù)規(guī)劃和初步設(shè)計(jì)，總結(jié)同類遺址地下水防治研究成果[4]，根據(jù)東山村遺址環(huán)境特點(diǎn)，提出了東山村遺址地下水防治方案。其目的是遏制遺址發(fā)掘坑滲水，防治因地下水引起的遺址病害，消除遺址保護(hù)中的隱患，為遺址文物的長期保護(hù)和展示營造良好的環(huán)境條件。

1 遺址概況

東山村遺址位于江蘇省張家港市西北約18km處，北距長江約2km，地理坐標(biāo)120°24′E，31°58′N。遺址類型屬于史前聚落型遺址，是目前太湖流域和長江下游地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的新石器時代文化遺址中最早的遺址，距今已有5000—8000年[5-6]。1995年經(jīng)江蘇省人大常委會審議通過，東山村遺址被評為江蘇省文物保護(hù)單位。2013年國務(wù)院公布東山村遺址為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

東山村遺址的整體平面分布近圓形，南北長約500m，東西寬約500m，總面積約20萬m2。遺址的中心區(qū)域位于遺址的中部偏北，現(xiàn)存面積約2.5萬m2。考古發(fā)掘的2000m2遺址由東向西主要是小型墓葬區(qū)、房址區(qū)、大型墓葬區(qū)（圖1）。小墓區(qū)考古范圍總長61.0m，寬13.4m，面積725m2，共有9個探方，平均開挖深度0.9m，其中考古后回填4個。房址區(qū)總長30.0m，寬20.0m，共有6個探方，平均開挖深度1.0m，面積600m2。大墓區(qū)長30.0m，寬26.0m，共有6個探方，平均開挖深度1.0m，面積近600m2。

東山村遺址所處地區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，四季分明，降水充沛，多年平均氣溫17.2℃，平均降水量1221.4mm，遺址臨近長江，水系發(fā)達(dá)，水面平均坡降很小，水流緩慢，屬長江下游緩流沉積區(qū)，遺址保護(hù)區(qū)地面海拔高度為4.0—8.8m，地面土壤及覆蓋地層為全新統(tǒng)（Q4）江湖沉積的亞黏土和亞沙土，厚度變化較大，最大厚約20m左右，下部地層為第三系含礫砂巖和白堊系砂巖。對遺址區(qū)有直接影響的地下水主要是黏性土層中的潛水，埋藏深度在0.8—2.6m，礦化度0.6g/l，屬淡水，水化學(xué)類型以HCO3-Na-Ca型為主。遺址的西邊坐落著風(fēng)景秀美的香山，香山平均海拔60m左右，最高峰海拔127m。

2 遺址主要病害

東山村遺址依存的地層是屬第四系全新統(tǒng)黏性土層，該地層滲透性能很差，在水文地質(zhì)學(xué)中屬隔水層[7-8]。對遺址文物保護(hù)來講，即使這樣很微弱透水地層長期的滲水作用，也可導(dǎo)致遺址諸多病害發(fā)生?，F(xiàn)已查明東山村遺址存在的主要問題就是水環(huán)境問題，遺址文物本體發(fā)生的病害與水環(huán)境問題直接相關(guān)，它們主要表現(xiàn)為考古發(fā)掘探方坑積水浸泡與淘蝕、坑壁坍塌、潮濕與苔蘚、酥堿、坑壁干裂等。

2.1 積水浸泡與淘蝕

東山村遺址已發(fā)掘的小墓區(qū)、房址區(qū)、大墓區(qū)位置較低的墓穴和探坑都存在著積水，在降雨集中的季節(jié)還會出現(xiàn)發(fā)掘區(qū)大面積的積水。地下水持續(xù)不斷地滲入和積水對墓穴四壁長期的浸泡，導(dǎo)致積水位以下土體軟化、淘蝕作用顯著[8-9]，一般淘蝕深度在15—25cm，對遺址的損害相當(dāng)嚴(yán)重（圖2）。據(jù)2014年10月現(xiàn)場調(diào)查測量，東山村遺址發(fā)掘區(qū)的滲水量為：小墓區(qū)1.20m3/d—2.2m3/d，

房址區(qū)1.00m3/d—1.6m3/d，大墓區(qū)1.40m3/d—2.0m3/d。

為減少積水對遺址的破壞，自考古發(fā)掘初期就采用了坑內(nèi)抽水機(jī)排水的措施，目前小墓區(qū)、房址區(qū)、大墓區(qū)各積水穴位共安裝8臺潛水泵，由管理人員每天定時抽水排除積水。否則，就會造成遺址發(fā)掘區(qū)大部分面積浸泡在積水中。

2.2 發(fā)掘探方坍塌

由于黏性土層的抗剪強(qiáng)度隨著含水量的增加而顯著降低[8-10]，長期的浸泡更使其軟化。在遺址發(fā)掘探方四壁或墓坑內(nèi)存在滲水的部位，都有坑壁坍塌發(fā)生。坍塌塊體的大小取決于滲水量的大小和浸泡時間的長短，一般坍塌塊體厚度在0.2—0.4m，較大的塊體在0.3m3左右。坑壁坍塌現(xiàn)象在東山村遺址普遍存在，由此造成文物本體和保存環(huán)境的嚴(yán)重?fù)p害，對遺址的完整性、延續(xù)性造成不可彌補(bǔ)的損失（圖3） 。

2.3 苔蘚滋生

據(jù)2015年10月現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計(jì)，東山村遺址三個考古發(fā)掘區(qū)，都存在著大面積生長發(fā)育的苔蘚，小墓區(qū)有苔蘚面積約108m2，占發(fā)掘區(qū)面積的19.7%；房址區(qū)有苔蘚面積約126m2，占發(fā)掘區(qū)面積的21%；大小墓區(qū)有苔蘚面積約120m2，占發(fā)掘區(qū)面積的22%。與苔蘚伴生的還有少量雜草，這些植物的生長發(fā)育，掩蓋了遺址文物的本來面目，對遺址文物本體表部造成了嚴(yán)重影響，毀壞了遺址本體表觀，妨礙了對遺址的進(jìn)一步考察研究和展示（圖4）。

2.4 鹽分表聚及酥堿

遺址區(qū)的黏性土壤毛細(xì)作用很強(qiáng)，根據(jù)水文地質(zhì)原理和黏性土壤的水理性質(zhì)，其毛細(xì)水上升高度至少可達(dá)5—6m[11]，而這里地下水埋深大部分在1.0—2.60m，最大不超過2.9m。發(fā)掘坑內(nèi)地下水埋深僅有0—1.60m。東山村遺址考古坑表面水分的蒸發(fā)散失和毛細(xì)上升不斷供水作用，必然導(dǎo)致易容鹽分的表聚，日積月累就產(chǎn)生了次生鹽漬化，也就是遺址酥堿。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，三處考古發(fā)掘區(qū)中大墓區(qū)酥堿現(xiàn)象比較嚴(yán)重，大約有7%的表土層明顯泛白、疏松，對遺址保護(hù)造成嚴(yán)重的影響[12]。經(jīng)采樣測定，酥堿部位表土層的易溶鹽含量在2.87g/kg—4.62g/kg（圖5、表1）。

2.5 坑壁干裂

隨著大氣降水量的年內(nèi)變化和年際變化，東山村遺址區(qū)的空氣濕度和蒸發(fā)力在發(fā)生變化，由此導(dǎo)致遺址區(qū)土體含水量也在發(fā)生著變化，由于黏性土中含有較多的硅鋁礦物，其中伊利石含量達(dá)51%—56%，高嶺石含量6%—7%，綠泥石和蒙脫石含量在3%和2%，這類礦物的顯著特點(diǎn)是遇水膨脹，失水收縮[13-14]。由此造成遺址考古坑壁表面干裂。調(diào)查表明，考古發(fā)掘探方坑壁水平方向每隔0.3—0.6m就有一條豎向裂縫，裂縫平均張開度1.2cm，最大開度3.0cm左右。

3 遺址病害成因分析

已開展的調(diào)查研究表明，導(dǎo)致遺址病害發(fā)生、發(fā)展的主要環(huán)境因素，一是潮濕，二是滲水。潮濕是由于東山村遺址處在長江下游，水系發(fā)達(dá)，水域面積占比大，大氣降水充沛（年均降水量1221.4mm），年均空氣濕度72%以上，土壤含水量>30%，屬典型的潮濕環(huán)境區(qū)域[15]。滲水是由當(dāng)?shù)亟涤耆霛B補(bǔ)給頻繁、地下水埋藏淺、遺址發(fā)掘造成土層臨空面等特殊的水文地質(zhì)條件所決定的。

3.1 潮濕環(huán)境致病分析

東山村遺址潮濕環(huán)境主要為土體潮濕，其原因是這里的黏性土壤具有很好的持水性、毛細(xì)力作用極強(qiáng)。充沛的降雨和淺藏的地下水在毛細(xì)力作用下為土壤提供了源源不斷的水分。為了定量了解考古探方內(nèi)表土層的潮濕情況，本次調(diào)查采用TDR-300土壤水分速測儀，對三處考古區(qū)的土壤含水率進(jìn)行了測定（表2），結(jié)果表明，考古探坑底部土壤含水量大多在40%左右，遺址土壤長期處于高含水量的潮濕狀態(tài)。

潮濕的環(huán)境和遺址土體充足的水分，一方面為遺址表面苔蘚的滋生提供了條件，另一方面隨著地表土壤水分的蒸發(fā)，又導(dǎo)致易溶鹽分表聚，造成遺址酥堿病害[16]。

3.2 滲水致病分析

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，東山村遺址區(qū)水文地質(zhì)特征表現(xiàn)為：{1}遺址賦存區(qū)的地層均為黏性土層，考古開挖探方及含水地層均為黏性土地層，其滲透性能很弱，滲透系數(shù)級別為10-8cm/s，這種地層中的滲水應(yīng)屬于飽和水和非飽和水的運(yùn)移；{2} 遺址區(qū)原始地下水位埋深在1.0—2.6m之間，三個考古發(fā)掘坑內(nèi)的水位埋深在0—1.6m；{3}遺址的滲水來源是大氣降水和西部香山景區(qū)高地勢區(qū)域的水源，滲水的途徑是降水垂向滲透和黏土層中的潛水自西向東長期不斷地緩緩滲透；{4}考古探坑四面坑壁臨空面和低洼坑道底部成為地下水的滲出排泄區(qū)，并且在雨季滲水排泄量明顯增加。

弱滲透的性質(zhì)決定了降雨和周圍水體一旦滲入該土壤層就很難排泄出去[17]。地下潛水在考古探坑內(nèi)長期緩慢地滲出，必然造成低洼部位積水浸泡、軟化和淘蝕遺址土體，對遺址造成損毀。顯而易見， 東山村遺址保護(hù)面臨的諸多病害都是由潮濕和考古發(fā)掘坑滲水所引起。因此，要保護(hù)遺址安全、治理遺址病害，就必須采用有效措施治理滲水。

4 基本對策與滲水防治方案

4.1 基本對策

傳統(tǒng)的治水對策是水來土掩，即用堵截的辦法來防治水患。對地下滲水通常采用的堵截方法是防滲墻、防滲帷幕[18-19]。對堵截產(chǎn)生的壅水還需要疏排，常規(guī)的方法有打井排水和開挖排水溝 [20-21]。東山村遺址區(qū)的黏性土層本身就是很好的堵截防滲材料，它的滲透系數(shù)級別為10-8cm/s，被視為隔水層。如果在這種地層中采用打井排水或帷幕灌漿阻隔滲水，不但沒有成效，反而費(fèi)工費(fèi)料徒勞一場。因此，要超越傳統(tǒng)的截水、排水思維方式，尋求適宜于東山村遺址滲水防治的新方法。

針對東山村遺址區(qū)水文地質(zhì)的特點(diǎn)及黏性土中地下水排水困難的問題，在總結(jié)已經(jīng)開展的黏性土地層導(dǎo)水排水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文初步設(shè)計(jì)利用人工填砂排水溝并配合集水井的方法來治理遺址滲水[22]。

4.2 滲水防治方案

4.2.1 三區(qū)統(tǒng)一治水方案

本方案的核心是圍繞遺址小墓區(qū)、房址區(qū)、大墓區(qū)周邊構(gòu)筑人工填砂排水溝，并配置集水井，實(shí)施疏水排水，以阻隔周圍地下水往遺址發(fā)掘坑滲流，達(dá)到治理遺址病害、保障遺產(chǎn)安全的目的。填砂排水溝布局是根據(jù)已有的重點(diǎn)防護(hù)范圍建設(shè)橢圓形防雨保護(hù)棚的規(guī)劃，沿保護(hù)棚周邊構(gòu)筑隱蔽的人工填砂排水溝。這樣的布局既能防滲，又能把保護(hù)棚降雨散水排泄在外。

填砂排水溝設(shè)計(jì)如圖6所示，對填砂排水溝建設(shè)的具體要求是：{1}沿初步設(shè)計(jì)的橢圓形保護(hù)棚外圍布置，向外不超出防雨保護(hù)棚外沿散水下落位置；{2}填砂排水溝設(shè)計(jì)寬度為1m，深度為3.5m，該深度要大于遺址區(qū)最大墓坑深度，選擇滲透水性能好的純凈粗砂和細(xì)礫充填，滲透系數(shù)須≥60m/d，充填深度3.3m，至距離地表0.2m的深度用黏性土覆蓋（或由保護(hù)棚周邊散水防滲層覆蓋）；{3}填砂排水溝溝底坡向與地下水天然流向大致一致，由西向東或由南向北，坡度2%左右；{4}沿填砂排水溝均勻布設(shè)6眼集水排水井，具體位置見圖 6、圖7；{5}集水排水井設(shè)計(jì)深度≥4m，井徑300mm或500mm，除井口0.5m的長度外，全為濾水管；{6}在填砂排水溝的底部可選擇平鋪濾水管，使得排水溝更為流暢。

4.2.2 分區(qū)治水方案

以大墓區(qū)、小墓區(qū)、房址遺址區(qū)為單元，設(shè)置填砂排水溝治理地下滲水，與三區(qū)統(tǒng)一治水方案的區(qū)別僅僅是填砂排水溝位置分別沿大墓區(qū)、小墓區(qū)、房址區(qū)的四周邊界布置（平面為矩形），集水排水井布設(shè)在矩形的四角。其他要求均與方案一相同，不再贅述。

4.2.3 集水排水井水位控制

填砂排水溝及集水井設(shè)置完成后，在每眼集水井處設(shè)置一套地下水水位自動控制體系，包括潛水泵、水管、自動水位控制儀及輸電線路。由自動水位控制儀來控制潛水泵的開啟或關(guān)閉，當(dāng)集水井中水位高度達(dá)到自動水位控制儀所設(shè)置的水位時，潛水泵將自動開啟抽水，當(dāng)集水井中水位低于設(shè)置水位時，潛水泵將自動斷電停抽。根據(jù)填砂排水溝設(shè)計(jì)深度和發(fā)掘探坑防滲要求，本方案設(shè)計(jì)將集水井中的水位控制在距離地表 3.5m處。集水井中抽出的地下水須排向遺址下游50m以外的地帶，或者直接排入市政下水管道。

5 治水預(yù)期效果分析

填砂排水溝的性能，一是疏排黏性土地層中的重力水，二是阻隔黏性地層毛細(xì)水運(yùn)動。只要掌握地下水在黏性土地層和砂礫石層中運(yùn)動的規(guī)律，因勢利導(dǎo)，合理設(shè)計(jì)，精心施工，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，就一定能保證填砂排水溝發(fā)揮疏水、排水、控制地下水位、防治遺址區(qū)滲水的作用。

本文設(shè)計(jì)的黏性土地層填砂排水溝方案已經(jīng)做過實(shí)地現(xiàn)場試驗(yàn)，其顯著的治水效果已被驗(yàn)證。2014年7—8月，在浙江省科技考古與文物保護(hù)技術(shù)研究試驗(yàn)基地進(jìn)行的黏性土地區(qū)考古現(xiàn)場地下水控制試驗(yàn)，結(jié)果表明，填砂排水溝方法既能解決黏性土層中排水難的問題，又能隔斷毛細(xì)水運(yùn)移，引導(dǎo)黏性土中的水匯入集水井后排除。整個疏水、排水系統(tǒng)隱蔽在地下，有很好的導(dǎo)水、排水效果和防治考古探坑滲水的效果，且對遺址地面風(fēng)貌沒有影響[22]。

6 結(jié) 論

⑴東山村遺址保護(hù)和展示利用所面臨的主要問題是考古發(fā)掘探方內(nèi)積水浸泡、滲水淘蝕、坍塌、苔蘚、酥堿等病害，這些病害均由滲水導(dǎo)致。因此，要治理遺址病害，就必須先治理滲水。

⑵東山村遺址區(qū)的地層為黏性土層，滲水性能很差，滲透系數(shù)在1×10-8cm/s數(shù)量級。在這種地層中采用常規(guī)的防滲墻、防滲帷幕不能阻隔地下水向發(fā)掘探坑的滲流，采用直接打井排水來降低地下水位也不能奏效，不能達(dá)到防治考古探方滲水、保障遺址安全的目的。

⑶針對東山村遺址區(qū)特殊的水文地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)隱蔽的人工填砂排水溝、集水井系統(tǒng)，既能排出黏性土層中的地下水，又能阻隔毛細(xì)水運(yùn)動，能夠有效控制遺址區(qū)地下水水位，防止遺址滲水，從根本上治理遺址病害。

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