陜北明長城夯土密度與雨蝕破壞的量化研究

姚 雪

(1. 西南民族大學(xué)旅游與歷史文化學(xué)院，四川成都 610071； 2. 西北大學(xué)文化遺產(chǎn)學(xué)院，陜西西安 710069)

0 引 言

明長城是重要的世界文化遺產(chǎn)，大部分處于室外露天環(huán)境下保存。根據(jù)《陜西省明長城資源調(diào)查報告》，現(xiàn)存的明長城保存狀態(tài)堪憂。陜西省的明長城(明代延綏長城)分布在陜北榆林市，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，降雨是陜北明長城的主要破壞因素之一[1-7]。明長城的雨蝕破壞模式分為干濕破壞、沖刷破壞和坍塌破壞[4]。目前，大多數(shù)對土遺址雨蝕的研究集中在病害調(diào)查和成因分析方面，對雨蝕形成過程中降雨和土遺址的相互作用研究較少。作者在前期研究中對五種長城典型遺址在大到暴雨條件下的雨蝕破壞特點和破壞過程進(jìn)行了定性分析[6-7]，并發(fā)現(xiàn)夯土性質(zhì)和雨蝕破壞模式間存在一定相關(guān)性。為完善前期研究成果，明確該地區(qū)土遺址的雨蝕發(fā)育過程，探索雨蝕量和夯土密度間的量化關(guān)系，本次研究借鑒土壤水蝕模型的研究方法和基本結(jié)構(gòu)[8-18]，擬初步建立適用于當(dāng)?shù)靥囟l件下的夯土密度和雨蝕程度之間的量化關(guān)系。研究結(jié)果為探索多因素作用下夯土雨蝕的破壞機(jī)制提供方法借鑒，是土遺址病害機(jī)理研究的重要組成部分。

1 試驗設(shè)計

榆林市榆陽區(qū)境內(nèi)明長城大多數(shù)(90%以上)采用當(dāng)?shù)卦S土夯筑而成[4]。本次研究采用當(dāng)?shù)卦S土，參照榆陽區(qū)明長城原狀土的工程參數(shù)，夯筑重塑樣，表1中為重塑土的工程性質(zhì)。重塑樣外型按照保存較好的明長城單體建筑外形設(shè)計[3-5]，底面為邊長15 cm(d=15 cm)的方形，整體為向上有一定收分的臺體，按照單體建筑的1∶40大小夯筑。夯筑方法參考《秦漢時期長城墻體構(gòu)筑工藝研究》[19]，夯筑參數(shù)來源于明長城搶險加固工程勘察設(shè)計資料。降雨設(shè)備采用組裝的人工降雨裝置模擬當(dāng)?shù)靥烊唤涤?。土壤雨蝕量的測量借鑒水土保持學(xué)和土壤侵蝕學(xué)中相關(guān)方法[16]進(jìn)行，對降雨過程中產(chǎn)生的大塊坍塌土采用寬口膩子刀迅速鏟出，單獨收集，稱量其濕重后，攪拌均勻，采用烘干法測量含水率后計算坍塌土干重，對含沙水流中的含沙量采用比重瓶法測量，坍塌土重和含沙水流中含沙量質(zhì)量之和為土壤雨蝕量[3]。

當(dāng)?shù)卦S土的天然含水率極低在3%左右，干密度在1.5～1.9 g·cm-3之間。為保證重塑樣的工程性質(zhì)最大限度上和遺址土類似，同時考慮到自然環(huán)境中結(jié)露、前期降雨等因素對土體含水率的影響，將試驗含水率區(qū)間設(shè)置為3%～7%。按照等間距原則，試驗設(shè)定重塑樣質(zhì)量含水率3%、5%、7%，密度ρ為1.5 g·cm-3、1.6 g·cm-3、1.7 g·cm-3、1.8 g·cm-3、1.9 g·cm-3。為保證降雨效果，重塑樣設(shè)計為底邊長為15 cm的立方體，分層夯筑，脫模后放置避光通風(fēng)處養(yǎng)護(hù)28 d。試驗以土體密度表征土體強(qiáng)度，以流失土干重表征夯土雨蝕量。

表1 土的工程性質(zhì)表Table 1 Engineering properties of soil

試驗采用模擬降雨系統(tǒng)進(jìn)行，(圖1)降雨器距地面高度2 m，實際降雨面積4 m2，降雨范圍內(nèi)均勻系數(shù)大于0.8[3-4]。降雨強(qiáng)度和水壓呈線性關(guān)系，雨滴直徑、雨滴終速度符合水土保持學(xué)領(lǐng)域關(guān)于人工模擬天然降雨的參數(shù)要求[22-23]，滿足本次試驗研究需求。具體率定試驗及過程見參考文獻(xiàn)[3]和[4]。結(jié)合水土保持學(xué)研究成果[24-27]和前期研究成果[3-4]，短時間高強(qiáng)度的侵蝕性降雨是引起當(dāng)?shù)赝寥狼治g的主要降雨類型[24-27]。設(shè)計試驗降雨強(qiáng)度為0.9 mm·min-1(1964—2012年降雨強(qiáng)度極大值)，降雨時長為45 min(1964—2012年侵蝕性降雨的最長降雨歷時)[4]。

圖1 室內(nèi)模擬降雨發(fā)生裝置Fig.1 Laboratory simulated rainfall equipment

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 密度對雨蝕破壞模式的影響

2.1.1 密度夯土的雨蝕破壞模式 密度1.5 g·cm-3和1.6 g·cm-3的重塑樣品密度小，孔隙率大，這兩種密度的樣品代表當(dāng)?shù)仫L(fēng)化程度較大、保存狀態(tài)較差的長城遺址。下面以密度為1.5 g·cm-3樣品的雨蝕破壞過程為例進(jìn)行分析。

降雨啟動，樣品表面逐漸濕潤，雨水迅速滲入表面疏松的土顆粒間隙，逐漸緩慢的提高表層土體含水率，使表層土顆粒完全濕化(圖2)。一段時間后，樣品頂部出現(xiàn)積水(圖3)。試驗中，樣品的基礎(chǔ)含水率越高，土體飽和、出現(xiàn)積水的時間越短。

圖2 ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%土體表面無積水(2′37″)Fig.2 No water accumulation (2′37″)on the surface of soil sample (ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%)

土壤侵蝕學(xué)研究表明，雨滴濺蝕分散土壤顆粒使表層土體“板結(jié)”形成結(jié)皮層，這是造成土壤徑流(即沖刷破壞)的主要原因[2]。500倍掃描電鏡下觀察該試樣(圖4)，夯土樣品顆粒粗大，孔隙較多，細(xì)小顆粒間形成較大團(tuán)聚體，團(tuán)聚體間的疏松孔隙為雨水下滲提供通道，不易形成結(jié)皮層。

圖4 ρ=1.5 g·cm-3夯土SEM圖像Fig.4 Microstructure of soil sample (ρ=1.5 g·cm-3)

試驗中降雨通過疏松孔隙迅速入滲，沒有表現(xiàn)出徑流和沖刷破壞但內(nèi)部含水率逐漸增大。降雨結(jié)束后，土體外觀保持完整(圖5)，但微小的震動即可引起樣品局部重力侵蝕甚至整體坍塌(圖6)。巖土力學(xué)中關(guān)于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的研究成果表明[28-35]，土質(zhì)邊坡坍塌是由于降雨導(dǎo)致土體內(nèi)摩擦角和粘滯系數(shù)(c、φ)減小抗剪強(qiáng)度降低造成的，當(dāng)某一滑動面的剪應(yīng)力小于其重力時就會發(fā)生坍塌。圖6顯示土體內(nèi)部完全浸潤，沒有明顯浸潤線，據(jù)此推測樣品的整體坍塌是土體內(nèi)部含水率逐漸增加、抗剪強(qiáng)度逐漸降低的結(jié)果[28-35]。在無振動條件下，樣品保持極限平衡當(dāng)土體內(nèi)部平衡被打破時，重力侵蝕發(fā)生。

圖5 ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%降雨結(jié)束土體保持完整Fig.5 Soil sample (ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%)still complete after the rainfall

圖6 ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%土體完全浸潤坍塌Fig.6 Soil sample (ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%)saturated and collapsed

密度小于等于1.6 g·cm-3的低強(qiáng)度夯土重塑樣的破壞過程具有以下特點：雨水滲透迅速，但土體飽和所需時間較長，降雨過程中沒有表現(xiàn)出水力侵蝕和局部重力侵蝕現(xiàn)象，降雨結(jié)束后樣品基本保持原始形狀，但處于極限平衡狀態(tài)，微小震動即可引發(fā)重力侵蝕。

以密度1.5 g·cm-3和1.6 g·cm-3為代表的低強(qiáng)度夯土的破壞模式如下：在土體飽和前，降雨主要用于緩慢增加土體內(nèi)部含水率，由于不易形成結(jié)皮層，試驗中不表現(xiàn)出水力侵蝕現(xiàn)象(沖刷作用)，因水力侵蝕產(chǎn)生的土體雨蝕量較低，降雨結(jié)束后，樣品容易發(fā)生整體坍塌。

2.1.2 高密度夯土的雨蝕破壞模式 密度1.7 g·cm-3～1.9 g·cm-3的重塑樣土顆粒較小，結(jié)構(gòu)致密，孔隙率較小。它們代表調(diào)查中保存狀態(tài)較好、強(qiáng)度相對較高、風(fēng)化程度較低的夯土長城。

以密度1.8 g·cm-3含水率3%夯土為代表的強(qiáng)度較高的夯土的雨蝕破壞過程如下。降雨開始，樣品頂部迅速出現(xiàn)積水(圖7)，積水難以滲入樣品內(nèi)部，向有一定傾斜角度的立面流淌形成泥漿(圖8)，隨著降雨持續(xù)進(jìn)行，樣品頂部邊角部位開始發(fā)生局部重力侵蝕(圖9)，隨后發(fā)生大范圍的坍塌(圖10)，重力侵蝕是水力侵蝕繼續(xù)發(fā)展的不良后果。圖11為該樣品試驗結(jié)束后狀態(tài)，泥漿流淌，發(fā)生坍塌，形制發(fā)生一定改變。測試樣品的浸潤深度，頂部4 cm完全浸潤，立面約2 cm完全浸潤，樣品內(nèi)部保持原始狀態(tài)。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中關(guān)于徑流形成條件的闡述，結(jié)合圖12，ρ=1.8 g·cm-3土樣的500倍掃描電鏡圖像，分析高密度重塑樣出現(xiàn)這種破壞形式的原因。高密度樣品在制作時經(jīng)過多次夯實，疏松的團(tuán)聚體分散成為粒徑較小的土顆粒(圖12)。降雨試驗開始，表層土體迅速吸水，由于密度大，結(jié)構(gòu)致密，容易形成結(jié)皮層。當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土的滲透系數(shù)時，積水產(chǎn)生，徑流形成。表層土體逐漸吸水飽和，抗剪強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)抗剪強(qiáng)度小于飽和土體的自身重力時，局部重力侵蝕發(fā)生。由于結(jié)皮層的形成和土體自身結(jié)構(gòu)致密，短時間高強(qiáng)度的降雨無法持續(xù)滲入樣品內(nèi)部，因此，降雨結(jié)束時，內(nèi)部土體保持原狀。

圖7 ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%土體表面迅速積水(1′50″)Fig.7 Rapid appearance of water accumulation (1′50″ )on the surface of soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%)

圖8 ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%土體出現(xiàn)徑流(3′20″)Fig.8 Appearance of a stream flow (3′20″ )on the soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%)

密度大于等于1.7 g·cm-3的高密度夯土破壞的過程呈現(xiàn)出如下特點：降雨滲透緩慢，表層土體迅速飽和，形成徑流，邊角部位容易發(fā)生局部重力侵蝕；降雨無法完全滲透土體內(nèi)部，僅有表層(2～4 cm)土體完全浸潤，樣品有明顯的浸潤線。

密度大于等于1.7 g·cm-3的高強(qiáng)度夯土的破壞模式表現(xiàn)為明顯迅速的沖刷作用和局部重力侵蝕。試驗中發(fā)現(xiàn)，夯土密度越大，沖刷作用越明顯，沖刷造成的雨蝕量越大；夯土密度越小，滲透作用越明顯，沖刷作用減弱，沖刷造成的雨蝕量相對越小。

圖9 ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%土體小規(guī)模掉塊(4′48″)Fig.9 Partial dropping (4′48″)the soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%)

圖10 ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%頂部坍塌(8′59″)Fig.10 Collapsing (8′59″) of the top of the soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%)

圖11 ρ=1.8 g·cm-3 ，ω=3%降雨結(jié)束后土體現(xiàn)狀Fig.11 State of the soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%) after the rainfall

圖12 ρ=1.8 g·cm-3夯土SEM圖像Fig.12 Microstructure of soil sample(ρ=1.8 g·cm-3)

2.2 夯土密度與雨蝕破壞的量化關(guān)系

文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，土體的前期含水率對雨蝕量有直接影響[14-15]，對不同含水率狀態(tài)下的夯土密度和雨蝕量(不包括降雨結(jié)束后發(fā)生整體坍塌的干土質(zhì)量)間的關(guān)系進(jìn)行研究，表2為三種含水率狀態(tài)下不同密度樣品的雨蝕量，圖13為雨蝕量和密度間的回歸曲線。

圖13 土體密度-土體流失量回歸關(guān)系圖Fig.13 Regression relationship between density and loss mass of soil

密度和雨蝕量關(guān)系圖顯示，試驗的三種含水率區(qū)間(3%～7%)內(nèi)，夯土密度越大由于沖刷作用產(chǎn)生的雨蝕量就越大。

含水率3%夯土密度-土體流失量回歸方程為：

Y=73.55209-2292.29408e(-ρ/0.40906)，R2=0.97

表2 夯土重塑樣密度-土體流失量表Table 2 Data of rammed earth density-soil loss mass

含水率5%夯土密度-土體流失量回歸方程為：

Y=19.78651+0.31913e(ρ/0.41825)，R2=0.87

含水率7%夯土密度-土體流失量回歸方程為：

Y=41.86364+4.53303E-9e(ρ/0.0834)，R2=0.97

其中：Y為單場降雨下的土體流失量；ρ為夯土密度；三個回歸方程的相關(guān)系數(shù)均在0.85以上，置信度可靠。

綜上，當(dāng)土體含水率在3%～7%區(qū)間內(nèi)，夯土密度在1.5～1.9 g·cm-3區(qū)間內(nèi)，短時間高強(qiáng)度降雨條件下，夯土的密度和雨蝕量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，區(qū)間內(nèi)遞增，基本形式為

Y=y0+Ae(ρ/t)

其中：Y為土體流失量；ρ為土體密度；y0、A和t均為大于0系數(shù)。

從方程表達(dá)式上看，短時間高強(qiáng)度的降雨會導(dǎo)致強(qiáng)度越大的夯土樣品因沖刷導(dǎo)致的雨蝕量越大。這是因為試驗設(shè)計的降雨條件下低強(qiáng)度夯土的雨蝕破壞仍處于量變積累階段，由沖刷作用引發(fā)的土體流失量較少。而高強(qiáng)度夯土已經(jīng)進(jìn)入水力侵蝕快速發(fā)育的階段，由于水力侵蝕產(chǎn)生的土體流失量相對較大。

這一數(shù)學(xué)模型在土體含水率3%～7%范圍內(nèi)、榆陽區(qū)當(dāng)?shù)亟涤陾l件下可以比較客觀地反映長城遺址受降雨沖刷的情況。但是，以土體流失量作為單一指標(biāo)衡量夯土的抗雨蝕強(qiáng)度具有一定片面性。受土體孔隙率影響，低強(qiáng)度夯土在侵蝕性降雨過程中表現(xiàn)為內(nèi)部含水率緩慢持續(xù)增高，不表現(xiàn)出徑流、沖刷、掉塊等作用，土體流失量相對較小。但這并不表示降雨對低強(qiáng)度夯土的破壞小。降雨導(dǎo)致低強(qiáng)度土體內(nèi)部含水率增高、抗剪強(qiáng)度降低、安全系數(shù)降低，極大增加了低強(qiáng)度夯土坍塌的風(fēng)險。在今后的夯土雨蝕機(jī)制研究中應(yīng)綜合考慮到外形、結(jié)構(gòu)缺陷等參數(shù)，綜合考慮多種因素耦合作用下夯土的雨蝕破壞程度，建立完善的多因素耦合作用方程，以達(dá)到預(yù)測夯土文物雨蝕的目的。

3 結(jié) 論

1) 在設(shè)計降雨條件下(短時間高強(qiáng)度侵蝕性降雨)，低密度夯土重塑樣(1.5 g·cm-3和1.6 g·cm-3)的雨蝕破壞仍處于提升土體內(nèi)部含水率的積累階段。高密度夯土重塑樣(1.7～1.9 g·cm-3)的雨蝕破壞形式表現(xiàn)為水力侵蝕中的沖刷破壞和局部重力侵蝕。

2) 土體含水率在3%～7%區(qū)間內(nèi)，由于沖刷作用產(chǎn)生的夯土雨蝕量和夯土密度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，表現(xiàn)形式為Y=y0+Ae(ρ/t)，其中，Y為土體流失量，ρ為土體密度，y0、A和t均為大于0系數(shù)。在土體含水率3%～7%，土體密度1.5～1.9 g·cm-3條件下呈現(xiàn)增函數(shù)關(guān)系，即夯土密度越大，由于沖刷作用導(dǎo)致的夯土雨蝕量越大。

3) 結(jié)合實際降雨條件，夏季的短時間集中爆發(fā)式降雨對保存較好，風(fēng)化程度低的遺址的整體穩(wěn)定性影響不大，但沖刷破壞造成的泥漿流淌影響遺址外觀。保存較差、風(fēng)化程度較高的遺址表現(xiàn)為干濕破壞，整體穩(wěn)定性下降，發(fā)生坍塌破壞的風(fēng)險增大。

4) 以土體流失量作為單一指標(biāo)衡量夯土耐雨蝕程度是不全面的，容易忽視降雨增加的夯土發(fā)生坍塌破壞的風(fēng)險。在今后的研究中應(yīng)綜合考慮到遺址外形、結(jié)構(gòu)缺陷等在雨蝕過程中的作用。