古城墻坍塌原因分析及保護(hù)措施

1 概述

城墻是古代戰(zhàn)爭中進(jìn)行防御的基礎(chǔ)建筑設(shè)施，是古代城市的重要構(gòu)成要素，是民眾與統(tǒng)治階層共同參與創(chuàng)造的產(chǎn)物，也是人類文明發(fā)展進(jìn)程中的典型標(biāo)志物。目前保存較為完整的城墻有西安城墻、平遙城墻、襄陽城墻、荊州城墻、興城城墻、開封城墻等。

中國在1980年開始對于古城墻的全面保護(hù)，2000年后，多地政府開始有計(jì)劃地大規(guī)模維修古代城墻，作為城市文化標(biāo)識和旅游資源。國內(nèi)現(xiàn)存的城墻及城墻遺址絕大部分都有建設(shè)年代跨度大的特點(diǎn)，多數(shù)分布在人類聚落的邊沿地帶起軍事防御作用，且多數(shù)為較松散的土、磚石結(jié)構(gòu)，隨著自然條件的變化和人類活動(dòng)的影響，其內(nèi)部的變形和本身的強(qiáng)度都未確切可知。城墻在進(jìn)行修繕工程后并非能夠一勞永逸［1］。

本文列舉我國古城墻結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)筑材料及其病害特征，對某古城墻經(jīng)修繕后又坍塌的原因進(jìn)行深入分析，并對我國文物保護(hù)的法律法規(guī)和古城墻周邊環(huán)境的古今差異進(jìn)行探索研究，提出古城墻保護(hù)措施的建議，旨在為今后古城墻保護(hù)提供參考。

2 古城墻的結(jié)構(gòu)類型及其病害

2.1 古城墻的結(jié)構(gòu)類型

鑒于古城墻修建筑造的成本以及當(dāng)時(shí)統(tǒng)治階層經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制，適用的建造材料一般選擇能夠就地采集和加工的簡單材料。按照建造材料古城墻結(jié)構(gòu)類型可分為以下三類：

1）土城墻：土筑城墻包括夯土墻、堆土墻、減地成墻（挖筑法）、土坯土塊版筑泥墻等。在土城墻類別中不僅包括原無包磚夯土城墻，也包括曾有外部包砌構(gòu)造，但現(xiàn)狀外部包砌材料已消失多年的夯土城墻。

2）砌體城墻：全部為磚、石砌筑壘筑的城墻。主要材料包括塊石、條石、片石、砂巖等。

3）復(fù)合結(jié)構(gòu)：由多種材料混合構(gòu)筑的城墻，其中外墻包砌磚、石，內(nèi)為夯土或混凝土墻芯的城墻占大多數(shù)。城墻外墻包砌材料有：條石、塊石、毛石、卵石、青磚、草垡、泥垡、圓木及土渣混合材料等。一般的砌筑方法有灰漿砌筑和干砌、干壘等。墻芯做法及材料包括：土夯筑、土磚石混合夯筑、水沖夯筑混合、布椽夯筑、土、石、砂填充等。如西安、開封等地的城墻都是常見的外包磚石城墻［2］。

2.2 古城墻的病害

城墻病害是指被干旱、凍融、酥堿等過程以及風(fēng)沙、暴雨、地震、生物及人為等因素中單個(gè)或多個(gè)因素共同影響下形成的表現(xiàn)結(jié)果。古城墻主要病害表現(xiàn)可分為表面損傷、變形、裂縫、倒塌等。我國部分古城墻病害統(tǒng)計(jì)見表1，部分古城墻坍塌概況見表2，坍塌現(xiàn)場見圖1～4。

表1 城墻病害統(tǒng)計(jì)

表2 城墻坍塌案例

圖1 湖北襄陽城墻

圖2 陜西西安秦王府城墻

圖3 山西平遙城墻

3 古城墻坍塌案例分析

本案例為某市舊城改造時(shí)發(fā)掘的古城墻遺址，城墻為明清時(shí)期城墻，早年地上建筑已基本損毀殆盡，地下建筑部分保存尚好，后期在古城墻遺址上建造民宅。根據(jù)地方文物保護(hù)單位要求對該古城墻遺址采取原址修繕保護(hù)措施。

2017年5月，城墻修繕保護(hù)工程竣工；2019年6—7月當(dāng)?shù)剡B日降雨，7月10日凌晨修繕后的城墻北端一側(cè)墻體發(fā)生坍塌，坍塌段長度約20 m，見圖4。

圖4 浙江某城墻

3.1 保護(hù)設(shè)計(jì)概況

修繕城墻斷面為梯形，墻高約5 m；城墻頂寬5.2～6.5 m，城墻底寬7.2～8.6 m；城內(nèi)墻面坡度約1∶0.16，城外墻面坡度約1∶0.27；城墻斷面見圖5。城墻基礎(chǔ)采用原址基礎(chǔ)，墻體兩側(cè)于地面向下挖掘溝槽，再于槽內(nèi)堆筑基礎(chǔ)墻體，地基剖面見圖6。城墻墻體采用復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)為夯土，外為包邊石；包邊石采用砂巖，包邊石尺寸為：（30～40）cm×（40～100）cm×40 cm；內(nèi)填土采用熟土、卵石、沙礫等混合堆筑，分層夯實(shí)。墻頂?shù)孛孀陨隙虏捎?00 mm厚卵石面層、50 mm厚灰泥、防滲復(fù)合土工膜、200 mm厚三合土夯實(shí)、500 mm厚3∶7灰土夯實(shí)、內(nèi)填土夯實(shí)。墻頂設(shè)有組織排水，設(shè)暗落水口和球墨鑄鐵落水管。

圖5 城墻斷面

圖6 地質(zhì)剖面

3.2 設(shè)計(jì)資料分析

采用有限元計(jì)算軟件Midas GTS建立城墻夯土2D模型，對夯土自身穩(wěn)定性進(jìn)行分析。土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，屬性為平面應(yīng)變單元。

經(jīng)計(jì)算，城墻夯土計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)為1.40，計(jì)算結(jié)果見圖7，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范（GB 50330—2013）》［4］的要求，一般工況下二級永久邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.30。由此可知，在不考慮外界對夯土體不利因素的情況下，該城墻夯土自身穩(wěn)定性可滿足規(guī)范要求。

圖7 城墻夯土穩(wěn)定性分析最危險(xiǎn)滑面位置

然而，當(dāng)夯土體含水量增加、土體泡水軟化，其力學(xué)性能迅速降低，將導(dǎo)致夯土體穩(wěn)定安全系數(shù)大幅降低。

3.3 施工質(zhì)量分析

從城墻坍塌后的開挖面和施工資料來看，城墻內(nèi)填土主要由黃色、褐色、黃褐色的黏性土，以及碎石、卵石等組成；土質(zhì)差異較大，無統(tǒng)一的材料配方；夯土與包邊石結(jié)合處不夠緊密。城墻施工區(qū)域，包邊石中丁石用量不滿足設(shè)計(jì)要求；砌筑包邊石采用的灰漿攪拌不均勻；包邊石厚度過薄。城墻在施工過程中發(fā)現(xiàn)的部分問題未整改到位。

3.4 周邊環(huán)境影響分析

周邊工程建設(shè)對城墻的影響主要有以下4點(diǎn)：施工機(jī)械及車輛荷載直接作用于墻腳附近；基坑開挖引起的土體卸載；西側(cè)墻底標(biāo)高抬高引起超載；施工振動(dòng)影響。

采用有限元計(jì)算軟件Midas GTS建立城墻和基坑的3D模型，對機(jī)械及車輛荷載、基坑開挖、標(biāo)高變化對城墻的影響進(jìn)行分析。土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，屬性為3D實(shí)體單元，網(wǎng)格尺寸為0.5～2 m，模型示意見圖8。

分別計(jì)算①機(jī)械及車輛荷載、②基坑開挖、③標(biāo)高變化、④三者共同作用，共4種工況下，東、西側(cè)墻頂產(chǎn)生的位移，結(jié)果見表3，模型變形特征見圖8。

由表3和圖8可知，不同工況下東、西側(cè)墻頂朝西向（處州府城方向）的水平位移基本一致；西側(cè)墻頂豎向位移（沉降）明顯大于東側(cè)墻頂；出現(xiàn)位移后，西側(cè)包邊石坡度變陡，城墻整體穩(wěn)定性降低，同時(shí)導(dǎo)致西側(cè)包邊石與夯土之間脫離，城墻頂?shù)孛骈_裂。相比基坑開挖和標(biāo)高變化，機(jī)械及車輛荷載對城墻變形影響最大，且周期最長（貫穿項(xiàng)目工期）。此外，機(jī)械及車輛荷載等施工活動(dòng)引起的振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致②3砂質(zhì)粉土層部分顆粒間的結(jié)合被破壞，產(chǎn)生微小液化，可進(jìn)一步增大城墻不均勻變形、墻體開裂。

表3 不同工況下城墻包邊石頂部變形統(tǒng)計(jì)

圖8 工況④模型變形特征示意

3.5 降雨影響分析

根 據(jù)2019年6月11日—7月10日的當(dāng)?shù)貧庀筚Y料顯示，該地區(qū)已累計(jì)降雨20 d，累計(jì)降雨量達(dá)530.5 mm，為同期之最；其中5 d日降雨量大于50 mm。

城墻頂?shù)孛娲嬖诜e水現(xiàn)象，局部區(qū)域滿布青苔和雜草，表明存在雨水滲入夯土體的情況，且夯土體長期富水。

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范（GB 50330—2013）》［3］估算，雨水滲入前，包邊石僅承受夯土傳來的土壓力，約30 kN/m；當(dāng)雨水滲入夯土體后，不僅夯土泡水軟化，包邊石所受土壓力增大，而且包邊石還承受靜水壓力約80 kN/m。

3.6 坍塌原因綜合分析

綜上所述，城墻坍塌主要原因分析如下：

1）本工程性質(zhì)確定為修繕工程，城墻在一般工況下尚可自穩(wěn)，但保護(hù)方案對最不利工況下的城墻作用效應(yīng)考慮不足。

2）城墻施工質(zhì)量存在包邊石尺寸不足等問題，對城墻穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備有一定影響。

3）周邊工程建設(shè)影響，特別是在城墻保護(hù)范圍內(nèi)的施工機(jī)械、車輛荷載及其振動(dòng)影響，加劇了城墻不均勻沉降和墻頂?shù)孛骈_裂。

4）城墻坍塌前一個(gè)月連日降雨，累計(jì)降雨量達(dá)同期之最；雨水沿墻頂?shù)孛媪芽p滲入夯土體，夯土泡水軟化，穩(wěn)定性降低；包邊石承受的土壓力和靜水壓力迅速增大，包邊石彎曲受拉，墻體外鼓，最終導(dǎo)致城墻坍塌。坍塌過程示意見圖9。

圖9 城墻坍塌過程示意

4 保護(hù)措施的應(yīng)用建議

4.1 文物保護(hù)的法律法規(guī)

我國文物保護(hù)的主要法律法規(guī)有《中華人民共和國文物保護(hù)法》《中華人民共和國文物保護(hù)法實(shí)施條例》《中國文物古跡保護(hù)準(zhǔn)則》和《各地方文物保護(hù)管理?xiàng)l例》。

其中《中國文物古跡保護(hù)準(zhǔn)則》提出文物古跡的保護(hù)原則是不改變原狀、真實(shí)性、完整性、最低限度干預(yù)、保護(hù)文化傳統(tǒng)、使用恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)技術(shù)和防災(zāi)減災(zāi)共七大原則。

保護(hù)措施是通過技術(shù)手段對文物古跡及環(huán)境進(jìn)行保護(hù)、加固和修復(fù)，包括保養(yǎng)維護(hù)與監(jiān)測、加固、修繕、保護(hù)性設(shè)施建設(shè)、遷移以及環(huán)境整治，保護(hù)措施應(yīng)由具有相應(yīng)資質(zhì)的專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。選擇文物保護(hù)工程方案，應(yīng)當(dāng)首先考慮最為適宜和安全的技術(shù)方案，避免片面強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的做法［4-5］。

4.2 環(huán)境影響的古今差異

隨著近代全球人口爆發(fā)式增長，人類活動(dòng)在加速改變古城墻周邊環(huán)境，從影響因素來看，古今主要差異可概括為以下三個(gè)方面：

1）工程建設(shè)規(guī)模。為人類提供居住、活動(dòng)場所的工程建設(shè)日益頻繁，建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。城市化進(jìn)程加速推進(jìn)，古城墻用作防御工事的區(qū)域，逐漸演變?yōu)槌鞘恤[市區(qū)，甚至成為城市中心。因此工程建設(shè)活動(dòng)對古城墻影響大大增加，如基坑開挖卸荷對場地周邊環(huán)境影響，地下水位升降對場地變形影響，工程機(jī)械設(shè)備引起的場地微振動(dòng)等影響。

2）交通微振動(dòng)。隨著交通運(yùn)輸業(yè)（鐵路、公路、水路和民航）的快速發(fā)展，特別是大力發(fā)展汽車工業(yè)和軌道交通以來，城市交通微振動(dòng)對建（構(gòu)）筑物的影響不可小覷。道路（軌道）交通振動(dòng)屬于微幅振動(dòng)，雖然短時(shí)間產(chǎn)生的能量較小，但長期作用下，會(huì)導(dǎo)致鄰近的建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生動(dòng)力反應(yīng)，出現(xiàn)地基不均勻沉降，結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂、松動(dòng)、強(qiáng)度降低等疲勞損傷累積，甚至疲勞破壞。

3）極端氣候。隨著人類活動(dòng)污染日漸嚴(yán)重，全球氣候變暖，厄爾尼諾現(xiàn)象頻發(fā)，進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，全球出現(xiàn)的異常天氣，有范圍廣、災(zāi)情重、時(shí)間長等特點(diǎn)。局部地區(qū)長期強(qiáng)降雨，極易導(dǎo)致雨水滲入墻體，降低古城墻自穩(wěn)性能。

在上述單個(gè)或多個(gè)影響因素作用下，古城墻的保護(hù)環(huán)境受到了嚴(yán)重威脅或侵害，也必將增大城墻基礎(chǔ)不均勻沉降、墻體開裂、雨水滲透的機(jī)率；特別是內(nèi)有夯土的復(fù)合結(jié)構(gòu)城墻，極易泡水軟化，墻體自穩(wěn)定性弱化迅速，較易導(dǎo)致城墻坍塌。

4.3 保護(hù)措施的應(yīng)用建議

中國古城墻保護(hù)研究中，關(guān)于保護(hù)措施大多集中在加強(qiáng)宣傳教育、健全管理機(jī)構(gòu)、完善法律制度；制定保護(hù)規(guī)劃，進(jìn)行城墻內(nèi)外的綜合治理。而對于具體的維修方法和技術(shù)論述相對較少。

根據(jù)我國法律法規(guī)及環(huán)境影響的古今差異和古城墻坍塌案例分析，筆者對古城墻保護(hù)措施的應(yīng)用建議如下：

1）加強(qiáng)古建設(shè)計(jì)院中巖土工程相關(guān)專業(yè)人員配置，加強(qiáng)巖土工程概念設(shè)計(jì)。

2）傳統(tǒng)古城墻設(shè)計(jì)方案更加注重不改變原狀、真實(shí)性和完整性等古建保護(hù)原則，而有所忽略古城墻周邊環(huán)境變化的不利影響。建議在設(shè)計(jì)方案階段應(yīng)遵守建設(shè)工程的相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)；嚴(yán)禁違反規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)制性條款，犧牲古城墻安全性。

3）從技術(shù)修繕、監(jiān)測預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)等方面入手，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，逐步建立古城墻預(yù)防性保護(hù)體系。

5 結(jié)語

從古城墻的功能要求，修筑工藝演變，闡述了我國古城墻結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)筑材料及其病害特征；列舉了我國4處古城墻坍塌的典型案例，并以其中某古城墻坍塌為例，從設(shè)計(jì)、施工、周邊環(huán)境影響和降雨影響4個(gè)方面對坍塌原因進(jìn)行分析，得出了古城墻修繕保護(hù)方案和施工存在缺陷，并在周邊工程建設(shè)影響和強(qiáng)降雨影響下夯土泡水軟化，致使城墻坍塌的結(jié)論。

文中對我國文物保護(hù)的法律法規(guī)和古城墻周邊環(huán)境的古今差異進(jìn)行了探索研究，提出了古城墻保護(hù)措施的應(yīng)用建議，即在古城墻保護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)巖土工程概念設(shè)計(jì)，嚴(yán)格遵守建設(shè)工程相關(guān)規(guī)范的強(qiáng)制性條文和適時(shí)建立古城墻預(yù)防性保護(hù)體系。