嘉峪關(guān)西長(zhǎng)城（明墻段）夯土墻體病害特征與危害性調(diào)查分析

關(guān)海萍

摘 要：長(zhǎng)城，縱橫數(shù)萬里，經(jīng)過長(zhǎng)期的歷史積淀，孕育了豐富的文化內(nèi)涵，成為中華民族的精神象征和重要標(biāo)志。嘉峪關(guān)作為明代萬里長(zhǎng)城的西端起點(diǎn)，其防御體系完整，本體類型豐富，地域特征明顯，“因地制宜、就地取材”特點(diǎn)突出，在西北土質(zhì)長(zhǎng)城中具有典型的代表性。幾百年來，受西北地區(qū)風(fēng)沙、雨雪和急劇溫濕度變化的凍融等自然因素影響，夯土墻體表面風(fēng)蝕、片狀剝離、土質(zhì)酥堿、裂隙發(fā)育、基礎(chǔ)掏蝕凹進(jìn)、沖溝發(fā)育、生物侵蝕、坍塌等病害發(fā)育明顯。文章通過一年時(shí)間內(nèi)運(yùn)用常規(guī)監(jiān)測(cè)的方式，對(duì)嘉峪關(guān)西長(zhǎng)城（明墻段）的賦存環(huán)境、本體病害進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)調(diào)查，梳理、分析本體病害特征及危害性。

關(guān)鍵詞：嘉峪關(guān);西長(zhǎng)城;常規(guī)監(jiān)測(cè);病害特征;危害性

嘉峪關(guān)，明代萬里長(zhǎng)城的西端起點(diǎn)。明王朝從洪武到萬歷朝的200多年間，為鞏固西北邊防，在嘉峪關(guān)兩翼及周邊修筑了由關(guān)堡、墻體、壕塹、烽燧等要素構(gòu)成長(zhǎng)城防御體系，其防御體系完整，本體類型豐富，地域特征明顯，“因地制宜、就地取材”特點(diǎn)突出，在西北土質(zhì)長(zhǎng)城中具有典型的代表性。

風(fēng)沙、雨雪和急劇溫濕度變化的凍融等自然因素，會(huì)導(dǎo)致夯土墻體表面風(fēng)蝕、片狀剝蝕、土質(zhì)酥堿、裂隙發(fā)育、基礎(chǔ)掏蝕凹進(jìn)、沖溝發(fā)育、生物侵蝕、坍塌等病害較多發(fā)生、發(fā)育。2013—2015年，嘉峪關(guān)長(zhǎng)城本體保護(hù)工程實(shí)施時(shí)，針對(duì)上述病害進(jìn)行了維修根治。目前，受氣候等外界因素影響，上述病害又有新的發(fā)生、發(fā)育。為摸清墻體病害發(fā)育主導(dǎo)誘因，發(fā)生、發(fā)育速度等特征，結(jié)合嘉峪關(guān)長(zhǎng)城本體保護(hù)工程維修資料，2020年，嘉峪關(guān)長(zhǎng)城保護(hù)研究所運(yùn)用常規(guī)監(jiān)測(cè)的方式，對(duì)嘉峪關(guān)西長(zhǎng)城（明墻段）夯土墻體的賦存環(huán)境、本體病害進(jìn)行為期一年的不間斷跟蹤監(jiān)測(cè)調(diào)查，基本摸清了本體病害特征及成因。

1 嘉峪關(guān)西長(zhǎng)城（明墻段）概況

西長(zhǎng)城位于嘉峪關(guān)關(guān)城南北兩翼，南起討賴河北岸河沿，北至黑山南緣山腰處，全長(zhǎng)13.24千米，是嘉峪關(guān)長(zhǎng)城防御體系的重要組成部分。人們通常稱關(guān)城南面的長(zhǎng)城為“明墻”（修筑在戈壁灘上，在關(guān)外可以看到，故稱為“明墻”），關(guān)城北面的長(zhǎng)城為“暗壁”（靠近嘉峪山東麓，在關(guān)外因山塬阻擋無法看到，故稱為“暗壁”）。

西長(zhǎng)城為嘉靖十八年（1539）兵部尚書翟鑾巡邊至嘉峪關(guān)，發(fā)現(xiàn)壕塹淤損，肅州兵備李函請(qǐng)議修筑長(zhǎng)城，嘉靖十九年（1540）修建?！睹魇雷趯?shí)錄》卷299載：“丙申，行邊使兵部尚書翟鑾言，嘉峪關(guān)最臨邊境，為河西第一隘，而兵力寡弱，墻壕淤損，乞益兵五百防守，并修浚其淤損者，任于壕內(nèi)填筑邊墻一道，每五里設(shè)墩臺(tái)一座，以為保障，上從其議?！薄睹C鎮(zhèn)華夷志》又載：“嘉靖十八年七月，大學(xué)士翟鑾行邊時(shí)，肅州兵備李函既諸行邊執(zhí)事，駐節(jié)嘉峪，閱視隘口，請(qǐng)議筑修邊墻以備西邊。翟公許可，越明春暮，遂議筑邊，南北與關(guān)相連。南自討來河，北盡石關(guān)兒，其延三十里?！雹?/p>

西長(zhǎng)城明墻段，南起討賴河北岸高達(dá)56米的懸崖峭壁之上，與討賴河墩相鄰，北至嘉峪關(guān)關(guān)城，與外城墻相連，全長(zhǎng)7.5千米。長(zhǎng)城資源調(diào)查資料顯示，西長(zhǎng)城明墻段從南向北依次分為一墩長(zhǎng)城、二墩長(zhǎng)城和三墩長(zhǎng)城dg 段，長(zhǎng)城沿線修筑有一墩烽火臺(tái)、二墩敵臺(tái)和三墩敵臺(tái)。

長(zhǎng)城墻體用黃土夯筑，土質(zhì)以黃沙土和黃色膠土為主，夯土中分層間夾鋪設(shè)有礫石層，夯層厚0.13～0.18米，礫石層粒徑為0.05～0.30米，墻體底寬4米、頂寬1.80米、高0.60～4.70米，局部段頂部殘存女墻，厚0.60米、高0.50米。受風(fēng)沙、雨水、凍融和急劇溫濕度變化等自然因素以及修建鐵路、管線橫穿、開挖便道等生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)人為因素影響，三墩長(zhǎng)城保存較好1041.70米，遺留722.85米，消失264.55米;二墩長(zhǎng)城保存較好2203米，消失21米;一墩長(zhǎng)城保存較好38米，遺留2069米，消失13米。

長(zhǎng)城沿線的一墩烽火臺(tái)與墻體相鄰，相距1米，二墩敵臺(tái)和三墩敵臺(tái)依墻而建。三座臺(tái)體均為黃土夯筑，土質(zhì)以黃沙土為主，平面呈正方形，剖面呈梯形，自下而上略有收分，高7.8～11米。

2 長(zhǎng)城沿線區(qū)域賦存環(huán)境特征

2.1 區(qū)域地質(zhì)特征

西長(zhǎng)城明墻段沿線區(qū)域地處祁連山北麓討賴河南岸的祁連山地層結(jié)構(gòu)延伸的嘉峪關(guān)—文殊山隆起地帶，第三紀(jì)至第四紀(jì)時(shí)期形成的嘉峪關(guān)斷層中段的逆斷層邊緣，三墩長(zhǎng)城途經(jīng)斷層陡坎，二墩長(zhǎng)城東側(cè)緊鄰斷層陡坎。長(zhǎng)城西側(cè)地勢(shì)平坦開闊，地貌景觀屬戈壁礫石地貌，植被脆弱稀疏。

2.2 氣候特征

嘉峪關(guān)市屬典型溫帶大陸性干旱氣候，氣候干燥，氣溫變化幅度較大，日照強(qiáng)，風(fēng)沙多，降雨量小且蒸發(fā)量大。據(jù)2018—2019年的氣候數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，嘉峪關(guān)年均氣溫6.7～7.8攝氏度，年均降水量131.7毫米，蒸發(fā)量為2125.58毫米，夏秋季多東南風(fēng)，冬春季多西北風(fēng)，年均風(fēng)速2.9米/秒，平常風(fēng)力多為3～4級(jí)。①

2.3 人文環(huán)境特征

嘉峪關(guān)關(guān)城和南北兩翼長(zhǎng)城（明墻、暗壁）地處嘉峪關(guān)黑山和文殊山之間最狹窄之處，自古以來是河西走廊重要的交通節(jié)點(diǎn)。西長(zhǎng)城明墻段南北向橫跨東西交通要道，人文環(huán)境較為繁雜。西氣東輸、西油東輸、蘭（州）新（疆）鐵路、蘭（州）新（疆）高鐵、G30連（云港）霍（爾果斯）高速公路、312國(guó)道均東西向穿越西長(zhǎng)城明墻段，長(zhǎng)城第一墩景區(qū)在一墩烽火臺(tái)和一墩長(zhǎng)城處建成并對(duì)外開放。

3 本體病害特征及危害性調(diào)查分析

2013—2015年實(shí)施嘉峪關(guān)長(zhǎng)城本體保護(hù)工程時(shí)，西長(zhǎng)城明墻段的表面風(fēng)蝕、片狀剝蝕、裂隙發(fā)育、基礎(chǔ)掏蝕凹進(jìn)、沖溝發(fā)育等病害得到了有效治理，但對(duì)于西長(zhǎng)城明墻段這類以黃沙土和黃色膠土為主的土質(zhì)長(zhǎng)城而言，在嘉峪關(guān)戈壁地貌的自然環(huán)境下，風(fēng)沙、雨雪和急劇溫濕度變化的凍融等自然因素，隨時(shí)會(huì)引起長(zhǎng)城本體各類病害的重新發(fā)育。嘉峪關(guān)長(zhǎng)城保護(hù)研究所經(jīng)過一年多的時(shí)間對(duì)長(zhǎng)城本體賦存環(huán)境和病害進(jìn)行不間斷的監(jiān)測(cè)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)城本體上重新發(fā)育的病害類型主要有片狀剝蝕、酥堿、掏蝕等。

3.1 片狀剝蝕

片狀剝離是西長(zhǎng)城明墻段新發(fā)育的主要病害，在墻體和單體建筑夯土表面發(fā)育較多。發(fā)育特征為在墻體表面產(chǎn)生，呈鱗片狀分布，在風(fēng)蝕和雨蝕的作用下進(jìn)一步劣化，在重力作用下呈片狀或小塊狀剝離脫落（圖1）。此類病害成因主要是土體本身性質(zhì)（土質(zhì)成分和可溶鹽含量）與外界賦存環(huán)境影響下產(chǎn)生夯土表面疏松結(jié)殼，在風(fēng)、雨等外力和重力影響下造成片狀或小塊狀夯土剝離脫落。其誘因?yàn)橥馏w成分和可溶鹽含量的不均勻，長(zhǎng)期在外界環(huán)境中受降水和蒸發(fā)循環(huán)影響，可溶鹽聚集和鹽分收縮，破壞了墻體表層土體的原結(jié)構(gòu)。

西長(zhǎng)城明墻段新發(fā)育的片狀剝蝕病害，主要是由于在保護(hù)維修時(shí)對(duì)夯土墻面采取了防風(fēng)化處理措施，用噴灑或滴注PS液（一種高模數(shù)的硅酸鉀溶液）滲透加固的方式加固墻體表面土質(zhì)，以提高土質(zhì)強(qiáng)度，達(dá)到防止風(fēng)化和雨蝕的效果。但在嘉峪關(guān)日照強(qiáng)、氣溫變化幅度較大等氣候條件的賦存環(huán)境中，隨著近年來降水量的增加，受風(fēng)蝕、雨蝕、急劇溫濕度變化的凍融的熱脹冷縮等因素影響，誘發(fā)了片狀剝蝕病害的重新發(fā)育。

危害性分析：由于片狀剝蝕病害發(fā)生于墻體表面，起初對(duì)墻體穩(wěn)定性危害較小，造成長(zhǎng)城本體表面斑駁，影響長(zhǎng)城外觀。但隨著病害的繼續(xù)發(fā)育，剝蝕深度的劣化加劇，將會(huì)影響到長(zhǎng)城本體的穩(wěn)定性。②

3.2 酥堿

酥堿病害主要分布在西長(zhǎng)城明墻段墻體根部和維修夯補(bǔ)層與原墻體結(jié)合處。發(fā)育特征為從夯補(bǔ)層與原墻體的結(jié)合部向上在原墻體上發(fā)育并呈橫向帶狀分布，原墻體土體內(nèi)部的鹽分析出結(jié)晶，造成土體疏松粉化（圖2）。酥堿病害成因主要是在水的作用下，引起土體內(nèi)部的鹽分在土體表面富集并析出結(jié)晶，在膨脹、收縮的反復(fù)作用下，造成土體疏松。

西長(zhǎng)城明墻段在實(shí)施保護(hù)維修時(shí)，對(duì)原墻體根部掏蝕病害部位進(jìn)行了夯補(bǔ)加固，夯補(bǔ)用土采用添加新材料的改性土，提高了土體的強(qiáng)度和耐水性。墻體根部夯補(bǔ)加固后，夯補(bǔ)加固層土體強(qiáng)度大于原墻體，銜接處易出現(xiàn)干縮裂縫，外界水進(jìn)入裂縫后，對(duì)改性土夯補(bǔ)層的危害較小，容易引起原墻體土體中的易溶鹽向表層富集析出結(jié)晶，誘發(fā)新的酥堿病害。

危害性分析：墻體和單體建筑根部是遺址安全穩(wěn)定的關(guān)鍵所在，也是酥堿病害多發(fā)部位，地面水匯集侵蝕和冬季雪的堆積后的急劇溫濕度變化的凍融直接誘發(fā)墻體根部酥堿隨著病害的繼續(xù)發(fā)育和加劇，在風(fēng)蝕作用下造成墻體掏蝕凹進(jìn)，危及墻體的穩(wěn)定性，最終引起墻體坍塌。

3.3 掏蝕

掏蝕病害是嘉峪關(guān)西長(zhǎng)城明墻段新發(fā)育病害之一。發(fā)育特征為掏蝕病害多發(fā)育在墻體和單體建筑的東側(cè)面，在維修夯補(bǔ)層根部和維修夯補(bǔ)層與原墻體結(jié)合部呈橫向帶狀（圖3），深度為3～7厘米。此類病害成因主要是土體內(nèi)的鹽和雨、雪、水、風(fēng)、急劇溫濕度變化的凍融活動(dòng)單獨(dú)或組合作用下不斷掏蝕凹進(jìn)形成的。一是水的作用形成。水是造成長(zhǎng)城墻體和單體建筑各類病害發(fā)育的誘發(fā)劑，對(duì)各類病害發(fā)育產(chǎn)生、發(fā)展、加劇起著至關(guān)重要的作用。降雨及長(zhǎng)城周邊區(qū)域地面匯集水對(duì)墻體和單體建筑根部的沖刷和滲入，使表層一定深度內(nèi)的夯土體含水率達(dá)到飽和進(jìn)而迅速崩解，土體中的鹽分析出，誘發(fā)酥堿，在外營(yíng)力的作用下形成掏蝕。二是急劇溫濕度變化和凍融作用形成。凍融是掏蝕病害發(fā)育的主導(dǎo)因素之一，嘉峪關(guān)晝夜溫差較大，冬季寒冷多降雪，冬季雪堆積在墻體和單體建筑根部，急劇溫濕度變化和凍融引起土體內(nèi)鹽分在水的作用下發(fā)生運(yùn)移，導(dǎo)致土體的不均勻收縮和酥堿疏松，在外營(yíng)力的作用下形成掏蝕。三是風(fēng)的作用形成。西長(zhǎng)城所在區(qū)域的風(fēng)攜帶有砂粒，攜沙風(fēng)對(duì)疏松土體的撞擊磨蝕作用極大，攜沙風(fēng)在墻體根部形成渦流對(duì)土進(jìn)行磨蝕作用下非常容易形成單獨(dú)的風(fēng)蝕凹進(jìn)掏蝕。與此同時(shí)，風(fēng)能加速了水和凍融引起的酥堿掏蝕的劣化加劇。

危害性分析：掏蝕病害的進(jìn)一步發(fā)育，會(huì)造成墻體和單體建筑的根部掏蝕形成巨大的臨空面，降低墻體和單體建筑整體抗傾覆能力，較為容易發(fā)生夯土體分層墜落，引起墻體和單體建筑局部或整體坍塌。

4 結(jié)語

通過調(diào)查分析，對(duì)于極其脆弱的嘉峪關(guān)土質(zhì)長(zhǎng)城來說，長(zhǎng)城周邊復(fù)雜多樣的賦存環(huán)境對(duì)長(zhǎng)城保存狀況的直接影響較大，是長(zhǎng)城本體病害形成、發(fā)育的誘發(fā)劑和助推劑。嘉峪關(guān)西長(zhǎng)城明墻段在進(jìn)行過保護(hù)維修后，治理解決了以前危及長(zhǎng)城本體安全的各類病害。目前，受當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境等外界因素的影響，長(zhǎng)城本體各類病害又開始重新發(fā)育，隨著時(shí)間的推移，各類病害繼續(xù)發(fā)育將會(huì)對(duì)長(zhǎng)城本體安全造成威脅。

為此，對(duì)于嘉峪關(guān)的長(zhǎng)城保護(hù)工作而言，開展預(yù)防性保護(hù)工作尤為重要，通過對(duì)長(zhǎng)城的賦存環(huán)境、本體病害、安全措施進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)，掌握賦存環(huán)境的變化和長(zhǎng)城本體病害的成因及發(fā)育機(jī)理，運(yùn)用科學(xué)精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，量身制定合理有效的技術(shù)措施，及時(shí)開展日常性的保養(yǎng)維護(hù)，制止危及長(zhǎng)城本體安全的病害發(fā)育蔓延。通過調(diào)控干預(yù)，最大限度抑制各種外界環(huán)境因素對(duì)長(zhǎng)城本體的危害作用，阻止或延緩長(zhǎng)城本體的最終劣化，真實(shí)、完整地保存長(zhǎng)城承載的各類歷史信息，讓長(zhǎng)城得到長(zhǎng)久保存，使長(zhǎng)城遺產(chǎn)的真實(shí)性和完整性得到延續(xù)。