基于定量分析的克孜爾尕哈烽燧遺址本體病害特征研究

陸繼財，趙海英

(1. 新疆維吾爾自治區(qū)博物館，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊 830000； 2. 蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅蘭州 730000)

0 引 言

近年來，隨著土遺址保護(hù)工程的大力開展，土遺址病害和保護(hù)措施的研究已成為巖土工程領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵的發(fā)展方向之一[1-2]。目前，土遺址病害的現(xiàn)狀研究主要著眼于遺址載體穩(wěn)定性和本體發(fā)育各種病害的評估兩個方面[1，3]，后者又可分為影響遺址穩(wěn)定性的病害現(xiàn)狀和遺址表面風(fēng)化程度的現(xiàn)狀評估兩個方面[1，3-5]。隨著認(rèn)識和研究的不斷深入，對土遺址病害發(fā)育類型由初期認(rèn)識和粗分[3，6]，逐漸深化至目前可以根據(jù)形成原因分為自然破壞和人為破壞兩個大類，再根據(jù)不同病害的表現(xiàn)形式分為七個次級類別，最后根據(jù)病害形成的機(jī)理細(xì)分19個亞類[2，5，7]。在病害形成機(jī)理、環(huán)境影響因素方面，對于干旱區(qū)土遺址而言，主要病害的自然因素一般有干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、強(qiáng)降雨、風(fēng)蝕以及生物活動的作用等[7-10]。眾多研究表明對于土遺址的保護(hù)和研究首先應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確描述和分析或盡可能量化遺址病害現(xiàn)狀和發(fā)展，方可通過采取有效的措施進(jìn)行根除或者預(yù)防病害，以達(dá)到保護(hù)遺址的目的。土遺址病害發(fā)育特征量化分析是文物保護(hù)工作的難點之一，目前關(guān)于這方面的研究很少。本工作以克孜爾尕哈烽燧遺址為例，對其進(jìn)行病害綜合監(jiān)測，監(jiān)測土遺址一周期內(nèi)病害形變量，通過形變量定量分析遺址目前發(fā)育病害特征及規(guī)律，確定病害是否危及遺址穩(wěn)定，為保護(hù)工作提供有效數(shù)據(jù)支持，為土遺址保護(hù)研究提供可借鑒經(jīng)驗。

1 遺址概況

克孜爾尕哈烽燧位于庫車縣城西北約12 km處，是西域絲路古道上幸存下來的極為罕見的漢代實物遺存，為研究古代烽燧選址、分布、結(jié)構(gòu)形式、建造技術(shù)特點等提供了珍貴的歷史實物，對于研究古代絲路交通史、軍事史、建筑史等具有較高的科學(xué)價值，2001年被國務(wù)院公布為第五批全國重點文物保護(hù)單位。在多哈舉行的第38屆世界遺產(chǎn)大會上，中國與哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦聯(lián)合提交的“絲綢之路：長安和天山廊道的路網(wǎng)”，成功被列入聯(lián)合國教科文組織世界文化遺產(chǎn)名錄，成為中國首例跨國合作申遺的典范，線路跨度近5 000 km，沿線包括中心城鎮(zhèn)遺跡、商貿(mào)城市、交通遺跡、宗教遺跡和關(guān)聯(lián)遺跡等5類代表性遺跡共33處，克孜爾尕哈烽燧就在其中。

克孜爾尕哈烽燧的保存基本完整，見圖1。其殘高約13 m，底部東西長6.5 m，南北寬4.5 m，平面呈長方形，由基底向上逐漸收縮呈四棱臺狀。其頂部已殘缺，木構(gòu)件殘跡尚存；其南立面呈自上而下的凹面；北側(cè)尚保存有附屬建筑坍塌后的堆積體。

圖1 克孜爾尕哈烽燧Fig.1 Kizilgaha Beacon Tower

在氣候環(huán)境因素(雨、雪、溫度和風(fēng)等)、構(gòu)造環(huán)境(地震和內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力)以及人類和生物活動的共同作用下，克孜爾尕哈烽燧本體受到了嚴(yán)重的破壞。經(jīng)現(xiàn)場實地調(diào)研和查勘，烽燧本體發(fā)育主要病害如下。

裂隙：本體出現(xiàn)張開度小于10 mm的裂隙8條。

掏蝕：掏蝕區(qū)5處。

片狀剝蝕：南、西立面出現(xiàn)發(fā)育程度嚴(yán)重的片狀剝蝕，剝蝕面積占總面積70%以上；東立面發(fā)育程度中等，占總面積50%左右。

坍塌：東立面發(fā)育2處，南立面與西立面交界處發(fā)育1處(其中南立面與西立面交界處的坍塌體積較大，體積約6.4 m×1.1 m×0.9 m)；

沖溝：由于多年雨水沖刷，南立面發(fā)育有長度約8.2 m，沖蝕深度約為0.6 m的沖溝1條。

2 本體病害監(jiān)測方法

針對烽燧本體存在的上述病害，為了獲取其在監(jiān)測周期內(nèi)詳細(xì)的形變數(shù)據(jù)，對烽燧本體進(jìn)行風(fēng)化監(jiān)測、裂隙變形監(jiān)測、沖溝監(jiān)測和掏蝕監(jiān)測。本體的病害綜合監(jiān)測8次，從第一年6月開始至第二年9月結(jié)束，歷時16個月，監(jiān)測周期見表1。

表1 本體病害監(jiān)測周期Table 1 Disease monitoring cycle

2.1 儀器設(shè)備

本體病害監(jiān)測選用天遠(yuǎn)OKIO-Ⅱ光柵式三維掃描系統(tǒng)進(jìn)行。天遠(yuǎn)三維光柵式掃描系統(tǒng)是北京天元三維科技有限公司與清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的具有國際先進(jìn)水平的光柵式掃描系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用照相式原理，通過對物體的快速掃描，得到物體表面的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后得到監(jiān)測目標(biāo)的CAD三維數(shù)據(jù)模型(并通過前后期次模型數(shù)據(jù)的分析比對獲取監(jiān)測目標(biāo)的形變信息)。

考慮到監(jiān)測目標(biāo)系重要歷史遺存的特殊性，擬選用微型標(biāo)志，最大程度地減少監(jiān)測過程對文物的不良影響。微型標(biāo)志頂部為5 mm×5 mm的正方形標(biāo)準(zhǔn)頭(光柵掃描系統(tǒng)默認(rèn)識別的標(biāo)志頭)，長約50 mm、截面約1 mm2的鐵質(zhì)針形部件，鐵質(zhì)表面涂有防蝕漆。

2.2 監(jiān)測單元

風(fēng)化監(jiān)測沿烽燧各立面自上而下布置兩道測線單元，測點的垂直間距為1 m。測線單元布置如圖2所示。其中，在東立面設(shè)置23個監(jiān)測單元，南立面設(shè)置22個監(jiān)測單元，西立面設(shè)置24個監(jiān)測單元，北立面設(shè)置12個監(jiān)測單元，共計81個監(jiān)測單元。圖3為遺址東立面風(fēng)化監(jiān)測點布置，其他立面監(jiān)測點布置與東立面相同。

圖2 風(fēng)化監(jiān)測單元構(gòu)成Fig.2 Composition of the weathering monitoring unit

裂隙監(jiān)測單元分布在烽燧邊緣的卸荷裂隙處，測線單元布置如圖3所示。其中，東立面設(shè)置3個監(jiān)測單元，南立面設(shè)置6個監(jiān)測單元，西立面設(shè)置3個監(jiān)測單元，如圖4所示。

圖3 東立面風(fēng)化監(jiān)測單元分布Fig.3 Distribution of weathering monitoring units on the eastern elevation

圖4 裂隙監(jiān)測單元構(gòu)成Fig.4 Composition of the fracture monitoring unit

沖溝監(jiān)測點分布在烽燧南立面沖溝中心線及兩側(cè)邊緣，測線單元布置如圖5所示。其中，沖溝中心線4個監(jiān)測單元，沖溝兩側(cè)邊緣各2個監(jiān)測單元。

圖5 沖溝監(jiān)測單元構(gòu)成Fig.5 Composition of the gully monitoring unit

掏蝕監(jiān)測點分布在烽燧底部，測線單元布置如圖6所示。其中，在東立面設(shè)置3個監(jiān)測單元，南立面設(shè)置3個監(jiān)測單元，西立面設(shè)置2個監(jiān)測點單元。

圖6 掏蝕監(jiān)測單元構(gòu)成Fig.6 Composition of the undercutting monitoring unit

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

在按照設(shè)計要求完成監(jiān)測點區(qū)域布置后，采用光柵式掃描法(0.01 mm掃描精度)對每個監(jiān)測點區(qū)域進(jìn)行高精度掃描，獲得監(jiān)測標(biāo)記點的三維坐標(biāo)和監(jiān)測點區(qū)域的點云數(shù)據(jù)。在專業(yè)軟件中，將不同期次監(jiān)測點區(qū)域的點云數(shù)據(jù)和標(biāo)記點坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各監(jiān)測點區(qū)域形變量及其發(fā)展規(guī)律。

3 本體病害發(fā)育特征

本體病害監(jiān)測(由風(fēng)化、沖溝、掏蝕、裂隙4項監(jiān)測組成)實施了8期數(shù)據(jù)采集，本工作首次運(yùn)用高精度激光結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)進(jìn)行土遺址病害監(jiān)測，為方便數(shù)據(jù)歸納分析，特地以監(jiān)測單元組成的測線為分析對象，即按照監(jiān)測單元的類型及所在位置，對109處監(jiān)測單元劃分測線。

3.1 風(fēng)化病害特征

將81處風(fēng)化監(jiān)測單元劃分為8條測線，東、南、西、北4個立面各有兩條自上而下的測線，其中，左測線命名為1，右測線命名為2；8條風(fēng)化測線根據(jù)自身所在立面方位依次命名為E1(含12處監(jiān)測單元)，E2(含11處監(jiān)測單元)，S1(含12處監(jiān)測單元)，S2(含12處監(jiān)測單元)，W1(含11處監(jiān)測單元)，W2(含11處監(jiān)測單元)，N1(含6處監(jiān)測單元)，N2(含6處監(jiān)測單元)。

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)主要對烽燧各立面的風(fēng)化程度進(jìn)行對比。圖7、8為8條測線風(fēng)化縮進(jìn)量，總體而言烽燧體表面的風(fēng)化程度比較嚴(yán)重。8條風(fēng)化測線中，N2測線風(fēng)化縮進(jìn)量最大，其值約為3.853 mm，S2測線風(fēng)化縮進(jìn)量最小，其值約為1.289 mm，各風(fēng)化測線的平均風(fēng)化縮進(jìn)量約為2.533 mm。對4個立面而言，每個立面兩條側(cè)線縮近量相近、風(fēng)化程度一致；北立面風(fēng)化縮進(jìn)量最大、風(fēng)化最嚴(yán)重，西立面次之，南立面最小；南、北立面風(fēng)化縮進(jìn)量最大差值2.664 mm，平均差值2.448 mm。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析烽燧4個立面的風(fēng)化差異，各立面風(fēng)化嚴(yán)重程度與遺址區(qū)風(fēng)向保持高度一致，初步評價風(fēng)蝕作用是造成遺址表面風(fēng)化縮進(jìn)量的主導(dǎo)因素。

圖7 風(fēng)化縮進(jìn)量變化曲線Fig.7 Weathering retraction curve

圖8 烽燧各立面風(fēng)化縮進(jìn)量大小變化柱狀圖Fig.8 Column chart of variation of weathering retraction amount on different facades of beacon

3.2 沖溝病害變化規(guī)律

沖溝監(jiān)測單元位于烽燧南側(cè)，其縱深縮進(jìn)量主要受水流沖蝕和風(fēng)化作用的影響，沖溝中心和兩邊各布置四處監(jiān)測單元。沖溝中心線上四個監(jiān)測單元沿中線等矩布置，自上而下依次為S3-1、S3-2、S3-3、S3-4。兩邊在沖溝頂部和底部各布置兩個，頂部S3-5、S3-6，底部S3-7、S3-8。

對8個沖溝監(jiān)測單元的8期監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納，結(jié)果見圖9、10。圖9繪制的水流作用縱深變化量折線圖是基于總體縱深縮進(jìn)量減去南側(cè)平均風(fēng)化縮進(jìn)量所得，南立面平均風(fēng)化縮進(jìn)量為1.306 mm。得到以下結(jié)果：8個監(jiān)測單元中，因水流沖蝕造成的沖蝕量平均值僅為0.379 mm，最大值約為0.995 mm，均小于1 mm。沖溝的縱深縮進(jìn)量受水流作用的影響小于風(fēng)化作用的影響，主要原因是流水沖蝕作用有對溝頭的侵蝕，也有坡面流的堆積作用。

圖9 沖溝水流作用縱向變化曲線Fig.9 Longitudinal variation curve of gully

從圖10可以看出，中心線對應(yīng)的縱深縮進(jìn)量平均值為2.009 mm，兩邊對應(yīng)的縮進(jìn)量平均值為1.341 mm，中心線與兩邊縱深縮進(jìn)量前后相差0.668 mm，呈現(xiàn)“中心大，兩邊小”的特征。

沖溝監(jiān)測區(qū)域自上而下，可分為4個高度段，其中，S3-1、S3-5、S3-6位于第一高度段，S3-2位于第二高度段，S3-3位于第三高度段，S3-4、S3-7、S3-8位于第四高度段。由圖10可得4個高度段均值分別為0.827 mm、0.928 mm、0.648 mm、0.421 mm，縮進(jìn)量呈“頂部大，底部小”的特征規(guī)律，這一結(jié)果與烽燧遺址立面形成的徑流流通規(guī)律一致。

圖10 沖溝累積縮進(jìn)量變化曲線Fig.10 Cumulative indentation curve of gully

3.3 掏蝕病害變化規(guī)律

掏蝕區(qū)發(fā)育于烽燧底部接近地面位置，東、南、西三立面均有不同程度的掏蝕區(qū)域，其中，又以東南角、西南角最為嚴(yán)重。現(xiàn)場共布設(shè)8處監(jiān)測單元，東、南立面各布設(shè)3處，西立面布設(shè)2處，監(jiān)測次數(shù)為8次。為方便監(jiān)測結(jié)果表述，測線命名為E4，S4，W4(字母E表示東側(cè)，S表示南側(cè)，W表示西側(cè)，阿拉伯?dāng)?shù)字4區(qū)別于風(fēng)化測線1、2和沖溝測線3)，相應(yīng)的監(jiān)測單元按照所在測線及測線上自左向右的順序可命名為E4-1，E4-2，E4-3，S4-1，S4-2，S4-3，W4-1，W4-2。

圖11為掏蝕監(jiān)測單元的監(jiān)測結(jié)果，掏蝕的縱深縮進(jìn)量相對其他病害類型較大。8處監(jiān)測單元中，E4-1縱深縮進(jìn)量最大，其值為4.667 mm，S4-2縱深縮進(jìn)量最小，其值為2.3 mm，縮進(jìn)量平均值約為3.501 mm。

圖11 掏蝕監(jiān)測單元縱向變化曲線Fig.11 Longitudinal change curve of undercutting

從圖11按照空間角度歸納得出，東立面掏蝕區(qū)變化最為嚴(yán)重，平均縮進(jìn)量約為4.407 mm，西立面次之，平均縮進(jìn)量為3.203 mm，南立面相對輕微，其平均縮進(jìn)量為2.739 mm。E4-1，E4-3監(jiān)測單元位于東立面底部的兩端，其縱深縮進(jìn)量大于中間的E4-2監(jiān)測單元，掏蝕的兩端通常變化較大，中間變化較小。南立面兩端的掏蝕監(jiān)測單元S4-1，S4-3的縱深縮進(jìn)量大于位于兩者之間的S4-2監(jiān)測單元。

3.4 裂隙病害變形規(guī)律

裂隙監(jiān)測在方法上有別于其他三種病害監(jiān)測，主要通過分布于裂隙兩側(cè)的控制點來確定裂隙張開度是否發(fā)生變化以及相應(yīng)的變化量。共布設(shè)12處裂隙監(jiān)測單元，共采集8期監(jiān)測數(shù)據(jù)。裂隙測線命名為E5，S5，S6，W5(字母E表示東側(cè)，S表示南側(cè)，W表示西側(cè))，相應(yīng)的監(jiān)測單元按照所在測線及測線上自上而下的順序可命名為E5-1，E5-2，E5-3；S5-1，S5-2，S5-3；S6-1，S6-2，S6-3；W5-1，W5-2，W5-3。

圖12為對上述12處裂隙監(jiān)測單元的8期監(jiān)測結(jié)果，得到如下結(jié)論：

圖12 裂隙監(jiān)測單元累計擴(kuò)收量曲線Fig.12 Cumulative expansion curve of fracture

1) 總體而言，裂隙的張開度不大，12處監(jiān)測單元中，累計張開度最大的為W5-1，其值為0.256 mm，累計張開度最小的為S6-3，其值為-0.061 mm，張開度均值為0.092 mm。

分析其原因，克孜爾尕哈烽燧始建至今已逾2000余年，雖然烽燧體表層發(fā)育有幾條明顯的裂隙，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)尚且穩(wěn)定，有些裂隙隨溫度等影響因子的影響，還出現(xiàn)裂隙累積擴(kuò)張量略微回收現(xiàn)象。

2) 按空間角度歸納得出，絕大部分裂隙監(jiān)測單元是橫向擴(kuò)張的(E5、S5、W5測線)，少數(shù)呈現(xiàn)橫向收縮現(xiàn)象(S6測線上的2、3監(jiān)測單元)；收張量變化趨勢不盡相同，存在正負(fù)之別。結(jié)果出現(xiàn)多處擴(kuò)張，少數(shù)收縮，表明裂隙的整體趨勢是擴(kuò)張的，但是少數(shù)幾處擴(kuò)張得不明顯，隨溫度等因子，其整體擴(kuò)張進(jìn)程存在回收現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1) 遺址本體風(fēng)化年縮進(jìn)量比較大，年平均值為2.049 mm。四個立面的風(fēng)化程度各不相同，北立面風(fēng)化縮進(jìn)量最大、風(fēng)化最嚴(yán)重，西立面次之，南立面最小。風(fēng)化縮進(jìn)量的變化趨勢與該地區(qū)風(fēng)向、風(fēng)速主要趨勢一致。風(fēng)蝕是風(fēng)化縮進(jìn)的主導(dǎo)因素。

2) 沖溝侵蝕縮進(jìn)量病害特征為：沿中心線侵蝕量大，沖溝兩側(cè)小；頂部侵蝕量大，底部小。沖溝侵蝕對溝頭的沖溝量大，在溝底主要表現(xiàn)為堆積受水流作用的影響小于風(fēng)化作用的影響。

3) 烽燧遺址本體發(fā)育的4種主要病害中，以掏蝕病害發(fā)展速率居首。東立面掏蝕區(qū)變化最為嚴(yán)重，西立面次之，南立面相對輕微。掏蝕區(qū)縱深縮進(jìn)量兩端變化較大，中間變化較小。

4) 裂隙病害變化趨勢較?。航^大部分橫向擴(kuò)張，少數(shù)呈現(xiàn)橫向收縮現(xiàn)象，表明裂隙的整體趨勢是擴(kuò)張的，擴(kuò)張幅度較小。

5) 通過對目前遺址發(fā)育的主要病害的發(fā)育特征分析可知，遺址病害目前不影響遺址的整體穩(wěn)定性，為遺址保護(hù)措施的選擇提供了有效的數(shù)據(jù)支持。