某土質(zhì)遺址包氣帶水分布特征及其對(duì)遺址保存的影響

張曉周,云智漢*,袁 偉,李 毅,趙 凡

(1.四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司,四川 成都 610072;2.四川省文物考古研究院,四川 成都 610042)

土質(zhì)遺址是以土為主要載體或建筑材料的具有獨(dú)一無二的歷史、文化、社會(huì)和科學(xué)價(jià)值的古遺址。中國(guó)土質(zhì)遺址從石器時(shí)期綿延至近代,歷經(jīng)了數(shù)千年自然(風(fēng)沙、溫度、日照)、人為等因素的破壞,大都存在嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)隱患等病害[1],即使新發(fā)掘的土質(zhì)遺址也面臨著土體干縮開裂、鹽堿化等水害侵?jǐn)_[2]。

一般認(rèn)為,土體開裂與內(nèi)部失水、應(yīng)力變化和收縮特性有關(guān)[3-4]。土體在失水收縮過程中,受到邊界約束的作用而在內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力[5-6]。當(dāng)拉應(yīng)力超過土體本身的抗拉強(qiáng)度時(shí),導(dǎo)致土壤中土顆粒、團(tuán)聚體重新排列和孔隙體積變化,形成裂縫[7-8]。干縮裂縫往往會(huì)破壞土壤黏結(jié)結(jié)構(gòu),改變水分、溶質(zhì)運(yùn)移通道,且具有較強(qiáng)隨機(jī)性,發(fā)育趨勢(shì)預(yù)測(cè)難度較大。學(xué)者們常用收縮特征曲線、斷裂力學(xué)理論和裂隙網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)法3種方法進(jìn)行裂隙的模擬[9]。其中Vogel等[10]通過簡(jiǎn)化土壤間黏聚力提出了基于胡克定律的裂隙延展模型。Chertkov[11]在細(xì)觀尺度對(duì)土壤顆粒的收縮特征進(jìn)行模擬,總結(jié)了裂隙發(fā)育與土壤含水率之間的關(guān)系。也有學(xué)者[12-16]嘗試采用LEFM、離散元和有限元的方法對(duì)裂隙動(dòng)態(tài)演化規(guī)律進(jìn)行研究。

針對(duì)土遺址保護(hù),王旭東[17]認(rèn)為水是主要問題,通過水環(huán)境控制措施,可將潮濕環(huán)境土遺址保護(hù)問題轉(zhuǎn)變?yōu)楦稍锃h(huán)境土遺址保護(hù)的問題。張虎元等[18]、朱世彬[19]嘗試用直流電場(chǎng)抑制潮濕土遺址毛細(xì)水的上升,為潮濕土遺址保護(hù)提供了新的方法。張明泉等[20-21]對(duì)潮濕環(huán)境黏性土地區(qū)考古現(xiàn)場(chǎng)地下水進(jìn)行控制試驗(yàn),運(yùn)用人工填砂排水溝對(duì)黏性土層中的地下水進(jìn)行疏導(dǎo)排泄,且能阻隔土層中毛細(xì)水的運(yùn)動(dòng),提出采用填砂排水溝與集水井相結(jié)合的方法控制地下水水位,并進(jìn)行了試驗(yàn)論證該方法的科學(xué)性與有效性。周雙林等[22]對(duì)國(guó)內(nèi)7處有名的遺址博物館的隔水防潮技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)主要有擋墻法、隔水廊道法、抽水法、拱券法等,認(rèn)為這幾種方法中拱券法是效果最好的。

隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)文物館藏環(huán)境監(jiān)測(cè)手段不斷普及,但針對(duì)文物賦存環(huán)境監(jiān)測(cè)較少,且多為單點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè),不能揭示地下水環(huán)境與文物災(zāi)害之間的關(guān)系,各點(diǎn)間的數(shù)據(jù)往往不具備綜合分析的條件[23-25]。另外,有關(guān)土遺址開裂機(jī)理的研究多集中于干旱區(qū)遺跡重塑土室內(nèi)試驗(yàn)研究,聚焦于產(chǎn)生裂縫的一小塊區(qū)域,未考慮場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)的影響,導(dǎo)致防治效果不佳。鑒于遺址環(huán)境不同,土質(zhì)不同,潮濕地區(qū)土遺址表面裂縫的開裂擴(kuò)展特性與干旱地區(qū)存在較大差異,有必要從機(jī)理和防治措施上對(duì)土質(zhì)遺址進(jìn)行細(xì)致研究。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

遺址處于廣漢市,面積約為12 km2,分布在沱江支流湔江(鴨子河)南岸,馬牧河(現(xiàn)今為漿砌條石灌渠)從遺址中間穿流而過,距祭祀?yún)^(qū)最短距離僅為200余米,渠深0.7～3.1 m,滲漏渠水可少量補(bǔ)給地下水。區(qū)域所屬四川盆地中亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū),氣候溫和,干濕明顯,四季分明,多年平均氣溫為16.3℃,最熱為8月的25.5℃左右,最冷為1月的5.4℃。降雨豐富,多年平均降水量為890.8 mm[2]。

1.2 地質(zhì)概況

由綜合水文地質(zhì)鉆孔揭露地層可知,祭祀?yún)^(qū)內(nèi)地層與區(qū)域內(nèi)基本保持一致,粉質(zhì)黏土厚約1.55～4.33 m,其下為4.5～5.4 m厚的全新統(tǒng)黃色、灰褐色卵石,強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、砂巖,卵石之間充填砂,再下為上更系統(tǒng)灰褐色、黃褐色砂礫卵石。有所區(qū)別的是祭祀?yún)^(qū)內(nèi)最上層覆蓋有0.5～0.6 m的灰褐色、深褐色耕植土,含植物根系及腐殖質(zhì),部分耕植土下覆0.50～0.75 m厚的土黃色人工填土,夾雜部分次圓形卵石,粒徑為2.4～7.0 cm。

1.3 遺址水害現(xiàn)狀

遺址祭祀?yún)^(qū)發(fā)掘坑深度在0～2 m,處于粉質(zhì)黏土內(nèi)。該段粉質(zhì)黏土膨脹系數(shù)為43.0,具有弱膨脹性。發(fā)掘過程中土體原有濕度環(huán)境被打破,高含水率的土層持續(xù)蒸發(fā),鹽分在表層堆積,致使表土酥化、粉化病害的產(chǎn)生。同樣由于水分的流失,土壤含水率減小,降低了顆粒間的拉應(yīng)力,出現(xiàn)了土體干縮開裂的現(xiàn)象,并且除橫向裂縫外,發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)保留的標(biāo)志柱和發(fā)掘坑壁上也產(chǎn)生許多縱向裂縫。不僅破壞了遺址表面的完整性,還降低了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,不穩(wěn)定的坑壁對(duì)發(fā)掘坑內(nèi)考古人員和文物造成威脅。文保人員針對(duì)部分裂縫進(jìn)行灌漿修復(fù)處理(圖2),但裂縫由于地下水波動(dòng)引起的表土含水率變化,導(dǎo)致裂縫的動(dòng)態(tài)變化使得土體修復(fù)效果不盡人意。

2 試驗(yàn)方法及場(chǎng)地布設(shè)

2.1 試驗(yàn)方法

地處成都平原的遺址祭祀?yún)^(qū)面積雖小,但由于早期作為村磚窯取土場(chǎng),對(duì)部分地表改造較大,且場(chǎng)地周邊河流、灌渠、水田環(huán)繞,水文地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜。在精細(xì)化的水文地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該區(qū)域地下水位埋深為3.2～5.6 m,土壤含水率較高,常年維持在24%左右,地表存在持續(xù)蒸發(fā)條件,但是無法解答考古大棚小區(qū)域內(nèi)的地下水動(dòng)態(tài)特征。為此,本文借助Solinst Levelogger地下水記錄儀、MW307GD-M4型無線梯度土壤三參數(shù)監(jiān)測(cè)終端對(duì)地下水流場(chǎng)、潛水水位、毛細(xì)上升高度動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),結(jié)合室外環(huán)境多參數(shù)采集終端、室外型蒸發(fā)量在線監(jiān)測(cè)終端采集的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),利用統(tǒng)計(jì)分析工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,確定黏性土干縮開裂影響因素。

2.2 場(chǎng)地布設(shè)

結(jié)合場(chǎng)地條件,在祭祀?yún)^(qū)邊緣布設(shè)了4口監(jiān)測(cè)井,并在發(fā)掘大棚外補(bǔ)充滲水試驗(yàn),另外還對(duì)考古大棚內(nèi)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè):首先沿大棚縱向布置了1-1、1-2、1-3、2-3共4個(gè)8梯度三參數(shù)監(jiān)測(cè)終端(各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)梯度大致保持同一深度);沿大棚橫向布置了2-1、1-4共2個(gè)8梯度的監(jiān)測(cè)終端,且與1-3在一條直線上;在大棚西南角布設(shè)1個(gè)8梯度監(jiān)測(cè)終端(2-2)和大氣監(jiān)測(cè)儀,2-2與1-3、3-3、3-2、3-1沿對(duì)角線分布。監(jiān)測(cè)設(shè)備具體布設(shè)位置見圖3。

2021年4—5月各監(jiān)測(cè)設(shè)備陸續(xù)安設(shè)完畢,隨后對(duì)場(chǎng)區(qū)地下水位按照6 h/次,對(duì)大氣降雨量以及棚內(nèi)含水率、溫度按照15 min/次的頻率展開長(zhǎng)時(shí)序的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)果與分析

3.1 包氣帶水垂向動(dòng)態(tài)變化

包氣帶水受氣象因素影響極為顯著,并隨季節(jié)性氣候變化而變化。土體滲透性好,包氣帶水對(duì)氣象相應(yīng)及時(shí),反之則遲緩。圖4顯示,大棚外各層土壤含水率在降雨后幾乎同步升高(Pearson相關(guān)系數(shù)均在0.87以上),且均滯后于降雨1～2 d。但根據(jù)抽水試驗(yàn)斯卡巴拉諾維奇公式(式1、2)及現(xiàn)場(chǎng)雙環(huán)滲水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果(式3)可知,祭祀?yún)^(qū)范圍內(nèi)粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)為(2.07～3.41)×10-5cm/s,1～2 d內(nèi)雨水很難入滲至2.5 m的深度。

圖4 棚外監(jiān)測(cè)儀2-1各層含水率與降雨量關(guān)系

(1)

(2)

式中Q——抽水井涌水量,m3/d;Sw——抽水孔水位降深值,m;K——含水層滲透系數(shù),m/d;H——含水層厚度,m;R——影響半徑,m;rw——抽水孔半徑,m。

(3)

式中Q′——穩(wěn)定滲入水量,cm3/min;F——滲水內(nèi)環(huán)面積,cm2;Z——滲水內(nèi)環(huán)中水層厚度,cm;HC——毛細(xì)上升高度,cm;L——濕潤(rùn)帶深度,cm。

據(jù)實(shí)地踏勘,遺址祭祀?yún)^(qū)曾組織過大規(guī)模的探方工作,沿長(zhǎng)寬間距均為1 m布孔,深度均大于2 m,且后續(xù)未進(jìn)行統(tǒng)一封堵,由于水分持續(xù)蒸發(fā),探方孔內(nèi)存在豎向干縮裂隙,為雨水快速入滲提供了優(yōu)勢(shì)通道,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)深度范圍內(nèi)土壤含水率與降雨同步變化。

盡管棚外高程較大棚內(nèi)高約0.5 m,但棚內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距棚邊緣約19.6 m,且棚外設(shè)置擋水措施,杜絕了場(chǎng)地積水向棚內(nèi)倒灌的發(fā)生,因此降雨很難直接通過徑流作用于棚內(nèi)表層土壤。不過,圖5顯示,棚內(nèi)監(jiān)測(cè)儀1-3處除0.8 m以下含水率與季節(jié)同步變化外,0.1、0.2、0.6 m位置與降雨變化高度擬合,尤其表層土壤含水率可迅速響應(yīng)降雨過程。而土工試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示祭祀?yún)^(qū)0.1～2.5 m范圍內(nèi)顆粒成分除0.4 m處粉粒含量略少之外并沒有明顯的變化趨勢(shì),在顆粒組成大致一致的情況下,0.1、0.2、0.6 m處含水率與0.6～2.0 m處含水率變化趨勢(shì)差異明顯,說明棚內(nèi)土壤含水率可能與顆粒成分有關(guān)外,主要受降雨導(dǎo)致棚內(nèi)空氣濕度增大的影響。同時(shí),由含水率變化幅度可判斷,棚內(nèi)空氣濕度對(duì)表層土壤含水率的影響深度一般不超過0.6。而0.8 m以下的深部土壤含水率在雨季穩(wěn)步上升,主要受到棚外地下水的水平向補(bǔ)給,但補(bǔ)給強(qiáng)度較小,因此,含水率呈季節(jié)性波動(dòng)特點(diǎn)。

圖5 棚內(nèi)監(jiān)測(cè)儀1-3各層含水率與降雨量關(guān)系

3.2 包氣帶水水平向動(dòng)態(tài)變化

包氣帶水除垂向入滲外,在毛管勢(shì)、土水勢(shì)等驅(qū)動(dòng)力下也會(huì)產(chǎn)生水平向上的運(yùn)移。比較同一布設(shè)線上各監(jiān)測(cè)設(shè)備相同深度含水率的關(guān)系(例如2-1監(jiān)測(cè)儀2.0 m處、1-3監(jiān)測(cè)儀1.5 m處、1-4監(jiān)測(cè)儀1.5 m處)可以明確包氣帶水水平運(yùn)移特征(圖6)。

圖6 各監(jiān)測(cè)儀相同層位土壤含水率關(guān)系

由圖6可知,1-3監(jiān)測(cè)儀1.5 m處含水率持續(xù)升高,似乎與棚外2-1監(jiān)測(cè)儀處包氣帶水有密切聯(lián)系,但在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)其含水率僅由24.5%升至25.12%,并且在7月3日之前1-3監(jiān)測(cè)儀處含水率均大于2-1監(jiān)測(cè)儀處含水率,不符合包氣帶水運(yùn)移規(guī)律。因而,祭祀?yún)^(qū)范圍內(nèi)基本不存在包氣帶水水平向的運(yùn)移,但由于棚外大量洛陽鏟孔的存在,加之孔內(nèi)分布豎向裂隙,可為棚外包氣帶水在水平向上的運(yùn)移提供驅(qū)動(dòng)力,向棚內(nèi)存在微弱的水平向運(yùn)移,但該補(bǔ)給是微弱的可忽略的。由此可推測(cè),主導(dǎo)棚內(nèi)深部土壤含水率變化的為潛水面以上的支持毛細(xì)水帶。

3.3 潛水動(dòng)態(tài)變化

祭祀?yún)^(qū)周圍地勢(shì)平坦,人口密集,農(nóng)耕發(fā)達(dá),地下水動(dòng)態(tài)類型為入滲-蒸發(fā)-開采排泄型,受氣候影響明顯。選取距離發(fā)掘坑較近的兩口監(jiān)測(cè)井(監(jiān)測(cè)井1、監(jiān)測(cè)井2)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與同時(shí)段降雨量做分析:由圖7可知,兩口監(jiān)測(cè)井水位變化步調(diào)與降雨基本一致。在無降雨時(shí),潛水位在波動(dòng)中逐漸下降,單日平均水位下降速率約0.04～0.07 m/d,該下降速率在降雨相對(duì)集中的時(shí)間段內(nèi)會(huì)進(jìn)一步減小。降雨后潛水位迅速抬升,在短時(shí)間內(nèi)超過未降雨時(shí)間段內(nèi)的常水位,水位抬升與降雨幾乎同時(shí)發(fā)生,且一般在降雨后1～2 d內(nèi)達(dá)到短時(shí)段內(nèi)的最高水位,而后緩慢下降,例如,2021年9月12日降雨量累計(jì)達(dá)到10.3 mm后,潛水位上升了1.07 cm,在之后連續(xù)2 d超過28 mm降雨后,水位埋深由3.041 m陡升至2.736 m,并于9月15日達(dá)到最高水位埋深2.516 m?，F(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)測(cè)得祭祀?yún)^(qū)內(nèi)滲透系數(shù)較小,而場(chǎng)區(qū)內(nèi)松散砂粒卵石層較厚,上游滲入潛水的雨水可通過側(cè)向徑流的方式快速對(duì)下游潛水進(jìn)行補(bǔ)給,這也是祭祀?yún)^(qū)潛水位響應(yīng)速度快的主要原因。

圖7 監(jiān)測(cè)孔水位埋深與降雨量關(guān)系

為明確潛水位波動(dòng)對(duì)發(fā)掘坑的影響,借助遺址祭祀?yún)^(qū)4口監(jiān)測(cè)井一個(gè)水文年內(nèi)不同時(shí)期的實(shí)測(cè)值對(duì)大棚中心點(diǎn)(高程為448.20 m)水位進(jìn)行空間插值。插值結(jié)果顯示該處水位埋深常年在4.18～4.78 m波動(dòng),地下水位距發(fā)掘坑底約為2.18～2.60 m,潛水不會(huì)直接作用于祭祀坑底,但在極端降雨條件下,上升的毛細(xì)水仍有抵達(dá)發(fā)掘界面的可能,可進(jìn)一步加劇土壤病害。

4 討論

遺址祭祀?yún)^(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平坦,降雨積水不易排泄,多匯聚于場(chǎng)區(qū)內(nèi)通過探方孔洞縱向裂隙向下入滲。重力水在經(jīng)過包氣帶時(shí)增加了棚外土壤水勢(shì),在水勢(shì)梯度的作用下,包氣帶水由水勢(shì)高的棚外向水勢(shì)低的棚內(nèi)流動(dòng),少量補(bǔ)給棚內(nèi)表層土壤水分,但由于粉質(zhì)黏土水平向滲透系數(shù)較小,考古大棚外積水僅可少量補(bǔ)給棚內(nèi)邊緣地帶,不能對(duì)棚內(nèi)表土形成有效補(bǔ)給。棚內(nèi)水害的產(chǎn)生還是由于表土水分快速蒸發(fā)導(dǎo)致的,水分散失導(dǎo)致的含水率下降則引起土體干縮開裂,裂縫一旦形成,局部的應(yīng)變能得以釋放,裂隙在水平和豎向上繼續(xù)延伸,逐漸變寬加深,對(duì)土體進(jìn)一步破壞。另外,潛水位變化主導(dǎo)下的支持毛細(xì)水也影響著裂縫的發(fā)育。場(chǎng)區(qū)內(nèi)松散砂礫卵石層較厚,可快速響應(yīng)上游降雨入滲,致使棚內(nèi)毛細(xì)水迅速上升,增大表層土壤含水率,相應(yīng)的干縮裂縫有所回縮,但雨后潛水位的回落則會(huì)導(dǎo)致裂縫的再次擴(kuò)大,從而使裂縫始終維持在動(dòng)態(tài)變化中。

由此可見,穩(wěn)定的含水率可能是防止遺址祭祀?yún)^(qū)土體開裂或擴(kuò)展的前提。因此,防治水害的首要任務(wù)是控制土質(zhì)遺址的含水率。借鑒工程地質(zhì)措施,在地下水徑流方向上游進(jìn)行攔截,可將考古大棚下方潛水位有效降低,但是隨著潛水位的波動(dòng),含水率仍會(huì)動(dòng)態(tài)變化,因此在上游攔截的同時(shí)對(duì)下游實(shí)施抽水排泄,并且對(duì)土遺址本體建立氣象、溫濕度、潛水位、土壤含水率的綜合監(jiān)測(cè)體系,實(shí)現(xiàn)含水率的精細(xì)化調(diào)控,進(jìn)而達(dá)到對(duì)土遺址水害防治的目的。

5 結(jié)論

a)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,祭祀?yún)^(qū)內(nèi)土壤滲透系數(shù)小,但在早期探方影響下,降雨可快速向下入滲,不過水平向運(yùn)移仍然有限,考古棚外雨水對(duì)棚內(nèi)的直接影響可忽略不計(jì)。

b)祭祀?yún)^(qū)棚內(nèi)地下水位插值結(jié)果表明,潛水位的波動(dòng)雖不會(huì)直接作用于棚內(nèi)文化層,但極端降雨條件下,受其影響的支持毛細(xì)水最大上升高度可直接影響發(fā)掘界面,加劇土壤病害的產(chǎn)生。

c)棚內(nèi)水分持續(xù)蒸發(fā)以及支持毛細(xì)水的波動(dòng)是裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育的內(nèi)在機(jī)理,控制含水率的穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)土質(zhì)裂縫有效治理的科學(xué)內(nèi)涵。

d)在地下水、氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,借鑒上游攔截、下游排泄的工程治理手段,對(duì)土體含水率進(jìn)行精細(xì)化調(diào)控,可為祭祀?yún)^(qū)遺址提供新的思路。