試析如何全面修復榆林衛(wèi)城城墻

摘 要：作為我國重點文物保護單位之一，榆林衛(wèi)城城墻具有悠久的發(fā)展歷史及重要的人文研究價值，對榆林衛(wèi)城城墻面臨的病害與威脅進行全面修復具有關鍵性意義和作用。文章以榆林衛(wèi)城城墻歷史發(fā)展沿革作為切入點，分析了榆林衛(wèi)城城墻面臨的主要病害與威脅類型，分別采取改性土試驗及受力分析試驗對榆林衛(wèi)城城墻修復工作的相關要求進行了明確，探究了榆林衛(wèi)城城墻對環(huán)境的相關要求，最終基于材料選定、受力特征明確以及做好外觀整修等角度對衛(wèi)城城墻的全面修復措施進行了闡述，以期為相關技術人員提供參考。

關鍵詞：榆林衛(wèi)城；古建筑修復；加固設計；試驗分析

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.21.007

在歷史發(fā)展進程中，古城墻具有重要的歷史文化、藝術美學及科學研究價值。作為我國古城墻的代表之一，歷經(jīng)歷史發(fā)展與沿革，目前，榆林衛(wèi)城城墻面臨著相應的病害與威脅，有關古建筑加固保護單位及技術人員應從實際出發(fā)，明確榆林衛(wèi)城城墻修復保護工作的相關目標，并基于試驗結(jié)果給出相應的修復方案，使城墻建筑的文化、藝術與科學價值得到進一步挖掘，為推動古建筑領域的發(fā)展做出相應貢獻。

1 榆林衛(wèi)城城墻歷史發(fā)展沿革

1.1 建設初期

榆林衛(wèi)城城墻始建于明正統(tǒng)二年，明朝政府基于軍事目的在長城要道設立榆林城堡，其城池左依駝山，西臨榆溪河，北鎖紅石峽，具有較高的軍事戰(zhàn)略意義。

1.2 開拓與發(fā)展

經(jīng)過明成化七年、成化二十二年及明正德十年的三次擴建，建立起了以北門廣榆門、南門鎮(zhèn)遠門、東門振武門、大西門宣威門、小西門新樂門為節(jié)點，總長6789.3米的城墻建筑。其中，在東城墻上建有紅磚砌筑的文昌樓，是全城的制高點，東南城角建立起了二層高的魁星樓。在榆林衛(wèi)城城墻的五門均屬于拱券式城門，門洞上額鑲有門匾，頂部建有二層敵樓，東南兩門設甕城。

1.3 后期修補

隨著時間的不斷推移，受自然環(huán)境及戰(zhàn)亂的影響，導致榆林衛(wèi)城城墻原有的軍事防御意義受到一定的影響，城墻出現(xiàn)破損，因此在清朝康熙六年、同治九年、光緒十年及光緒二十年分別開展了對榆林衛(wèi)城城墻的修補工作，主要包括對城垣的重修、對城樓的重建、對外墻進行包磚等。在軍閥戰(zhàn)爭及抗日戰(zhàn)爭時期，政府也組織進行了相應的修建與加固工作。中華人民共和國成立后，于1970年代在東山地下與城墻位置進行了人防工事的修筑與建設工作，實現(xiàn)了對衛(wèi)城城墻的有效保護。

2 榆林衛(wèi)城城墻面臨的主要病害與威脅

雖然在歷史發(fā)展的過程中，榆林衛(wèi)城城墻經(jīng)歷多次重筑與整修，但受到建筑技術等相關因素的影響和制約，導致榆林衛(wèi)城城墻面臨著一定的病害與威脅，亟待進行修復和重整。具體表現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 開裂坍塌

墻體結(jié)構的開裂與坍塌現(xiàn)象是榆林衛(wèi)城城墻面臨的最為關鍵的一項病害類別。在城墻墻體結(jié)構的砌筑與建設過程中，為了滿足建設要求，適應當時技術條件與受環(huán)境限制，往往需要留出相應的版筑縫以及夯層縫，而受到暴雨、低溫、凍融及地震等極端自然災害的影響，版筑縫與夯層縫中出現(xiàn)相應的裂隙，隨著時間的不斷推移，縫內(nèi)裂隙不斷擴大，進而導致墻體結(jié)構出現(xiàn)開裂或坍塌等①。另外，城墻墻體砌筑建設過程中受到材料因素及施工環(huán)境因素的影響，會導致可溶鹽的沉積，這些可溶鹽不僅會在城墻表面產(chǎn)生結(jié)晶，同時還會滲透到墻體結(jié)構的裂隙中，使古城墻開裂現(xiàn)象的出現(xiàn)更加普遍。

2.2 面層剝落

受古代城墻建設砌筑技術因素的影響，大部分城墻的夯土面多呈現(xiàn)裸露狀態(tài)，同時，受到自然因素、氣候因素的影響，城墻面層與墻體內(nèi)部結(jié)構之間的貼合性不斷減弱，面層愈發(fā)松散，會出現(xiàn)面層剝落現(xiàn)象，導致城墻失去其原有保護層，嚴重影響城墻壽命。與此同時，由于在建設與砌筑古城墻過程中，將秸稈等纖維加入砌筑材料中，使古城墻不同區(qū)段之間的強度與承載能力產(chǎn)生了一定的差異，在外界環(huán)境的影響下，城墻外表面薄弱環(huán)節(jié)會發(fā)生嚴重的剝蝕現(xiàn)象，從而給城墻帶來一定的威脅。

2.3 基礎掏蝕

受到榆林地區(qū)自然環(huán)境、地勢地貌及氣候等相關因素的影響，城墻面臨的自然條件往往較為惡劣，大風、沙暴和雨水都會給古城墻的基礎帶來一定的威脅。其中，大風會攜城墻中的土質(zhì)顆粒一同運動，沙暴會對古城墻表面產(chǎn)生一定的摩擦侵蝕，而雨水與地下水還會對古城墻基礎造成滲透，使水中的可溶性鹽在城墻基礎部位產(chǎn)生沉積，使城墻基礎發(fā)生掏蝕，在內(nèi)外因素的共同作用和影響下，會引發(fā)古城墻坍塌的風險發(fā)生②。

2.4 表面風化

榆林位于我國西北部地區(qū)，該地區(qū)大風、沙暴現(xiàn)象較為常見，在大風吹拂的同時，風中攜帶的砂石會對城墻表面產(chǎn)生一定的沖擊，使城墻表面的保護層受到一定侵蝕和影響，當城墻表面的保護層出現(xiàn)嚴重剝蝕現(xiàn)象時，其內(nèi)部結(jié)構難以得到全面有效的保護，表面風化成為古城墻保護與修復工作中面臨的另一項重要威脅與挑戰(zhàn)。

2.5 植物破壞

隨著時間的推移，一些植物會生長于城墻內(nèi)部縫隙中，隨著其根系的不斷長大，會導致城墻磚縫遭到破壞，引發(fā)結(jié)構開裂甚至坍塌。此外，植物生長過程中會使空氣中的水分進一步集中，這與城墻結(jié)構的保護工作背道而馳，不斷增加的環(huán)境濕度同樣也提升了古城墻保護修復工作的難度。另外，大量植被的覆蓋不利于建筑修復團隊對古城墻狀態(tài)進行全面檢驗和研究，影響了相關修復方案的落實與推進。

2.6 人為損壞

進入新時代以來，人類活動范圍不斷擴大，相關活動開展過程中對古建筑產(chǎn)生的影響不斷加深，以道路建設施工、旅游業(yè)發(fā)展等相關內(nèi)容為代表的人為活動會對古城墻造成不可估量的影響和破壞。

3 實現(xiàn)榆林衛(wèi)城城墻全面修復的試驗分析與措施

為實現(xiàn)對榆林衛(wèi)城城墻全面修復的目標，提升城墻修復方案的針對性與可行性，相關技術團隊需要結(jié)合榆林衛(wèi)城城墻實際情況開展材料試驗及受力試驗，并結(jié)合試驗結(jié)果進行深層次研究，給出相應的修復方案及修復流程，從而全面保護榆林衛(wèi)城城墻的歷史文化價值、藝術價值以及科學研究價值。

通過對榆林衛(wèi)城城墻當前狀態(tài)的現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，受到時間、氣候、環(huán)境以及人為因素的影響，榆林衛(wèi)城城墻南段岌岌可危，其內(nèi)層土墻破壞較為嚴重，墻體寬度僅存原有寬度的1/3。因此對榆林衛(wèi)城城墻的內(nèi)側(cè)結(jié)構進行修復已成為相關項目工作者面臨的重要挑戰(zhàn)。

受到榆林衛(wèi)城城墻歷史發(fā)展沿革及古建筑保護加固工作要求等影響，在對榆林衛(wèi)城城墻進行加固修復的過程中，應遵循保護為主、搶救第一的原則，盡可能恢復古城墻原有的歷史風貌，同時還應強化榆林衛(wèi)城古城墻的結(jié)構強度與承載能力，減少其面臨的開裂、坍塌等結(jié)構風險及結(jié)構問題，使古城墻周邊建筑與人員的安全得到全面保障③。

3.1 試驗分析

基于上述原則、要求及榆林現(xiàn)階段的自然環(huán)境氣候環(huán)境特點，分別基于改性土及城墻受力情況兩方面內(nèi)容組織開展試驗分析工作。首先，從加固修復材料分析工作來看，經(jīng)過對榆林衛(wèi)城城墻建設砌筑情況進行分析得出結(jié)論，在現(xiàn)存的衛(wèi)城城墻中，除城門門洞及城墻轉(zhuǎn)角等部位外，大部分城墻結(jié)構主要呈現(xiàn)外包城磚、內(nèi)筑夯土的結(jié)構特性，夯土層厚度約為100mm，土質(zhì)較為勻稱，因此在對古城墻進行加固修復的同時，相關技術團隊需要針對其結(jié)構特性選定合適的修復材料，進而保障修復效果，增強墻體承載能力。此外，在進行古城墻修復方案的分析與設定過程中，相關技術人員也能發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的素土填筑施工模式承載能力缺乏優(yōu)勢，在抗風化與抗雨水等的能力上更存在著較為明顯的短板，因此技術人員同樣需要針對城墻的受力情況展開相應的試驗分析工作，使其加固修復后的墻體結(jié)構能夠更好地符合古城墻修復工作要求，提升土體與墻體對環(huán)境因素的適應能力，更好地完成城墻建設目標。

①改性土試驗。作為榆林衛(wèi)城古城墻修復方案創(chuàng)建與制訂工作的基礎與前提，加強砌筑施工過程中所涉及的改性土試驗工作對保障修復工作的合理性與可行性，提升其修復效果具有重要意義。相關技術團隊及修復人員應當按照以下流程和環(huán)節(jié)開展改性土試驗分析與研究。

第一，應做好改性土試驗的材料選擇工作。為了實現(xiàn)榆林衛(wèi)城古城墻加固修復建設的目標，實現(xiàn)修復工作成本與城墻修復效果的良好融合，相關技術團隊以及修復團隊應當主要在施工現(xiàn)場實現(xiàn)對試驗樣本的采集與應用④。本次試驗中所使用的材料均取自古城墻施工現(xiàn)場，并由技術人員基于《土工試驗方法標準》中的相關要求對修復施工現(xiàn)場的素土性能等進行全面測試和驗證，其中，土體密度均值約為1.80g·cm-3，料姜石粉經(jīng)過破碎與篩分后得到的顆粒粒徑大部分≤3mm，除了夯土與料姜石之外，還從市場采購了硅酸鹽水泥以及熟石灰。當材料選擇完成過后，需要針對其比重進行計算和分析，具體公式如下：

公式中，Gsm為城墻修復土體顆粒比重，Gs1為粒徑≥5mm的比重，Gs2為粒徑≤5mm的比重，P1為粒徑≥5mm的顆粒占全部顆粒的百分比，P2為粒徑≤5mm顆粒占全部顆粒的百分比。通過對現(xiàn)場采集的素土顆粒樣本進行測定、分析與計算得出結(jié)果，榆林地區(qū)素土比重為2.65，液限為32.3，塑限為20.8，塑性指數(shù)為11.5，最大干密度為1.85，最佳含水率為12.58%。

第二，需要對土顆粒中的化學成分進行分析。作為城墻承載能力及砌筑物理性能的另一個關鍵性影響因素，對現(xiàn)場采集的土顆粒樣本化學成分分布情況進行測定同樣是改性土試驗的重要組成部分。相關技術團隊應當基于《水泥化學分析方法》中的相關要求及條文開展檢測工作，明確榆林地區(qū)采集所得土樣當中的化學成分分布，為設計加固修復方案提供技術支持與參考。具體來說，在素土顆粒的分析過程中，SiO2所占比重為57.23%，Al2O3所占比重為14.04%，F(xiàn)e2O3所占比重為5.72%，CaO所占比重為9.93%，MgO所占比重為1.81%，TiO2所占比重為0.73%，MnO所占比重為0.018%，Na2O所占比重為1.37%，K2O所占比重為3.08%，在化學成分分析測試中，測試損耗占比為5.47%。因此可知，素土顆粒中占比最高的成分為SiO2以及Al2O3，經(jīng)過將素土成分與城墻建設要求進行比對后發(fā)現(xiàn)，常見建筑材料中的黃土與榆林地區(qū)素土的成分結(jié)構具有一定的相似性，因此其加固與修復方案的制訂同樣也能夠吸收黃土建筑的相關施工經(jīng)驗，從而保障古城墻修復建設方案的可行性與可靠性。

第三，需對現(xiàn)場樣本中所含有的易溶鹽分布情況進行測試與分析。作為影響城墻整體承載能力及結(jié)構強度的關鍵要素，土樣中易溶鹽的分布情況對城墻加固修復方案的構建具有重要價值。對《土工試驗方法標準》《化學試驗標準》等相關標準性文件進行分析后發(fā)現(xiàn)，榆林地區(qū)素土內(nèi)部pH值為7.11，含水率為7.44%。與此同時，在易溶鹽的分布檢測過程中發(fā)現(xiàn)，其含量最高的易溶鹽為HCO3-，易溶鹽總含量為0.17%。經(jīng)過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，以上數(shù)值小于《鹽漬土地區(qū)建筑規(guī)范》中所標明的相關數(shù)值，因此在進行古城墻修復方案的制定過程中，可不將該地區(qū)作為鹽漬土進行施工分析。

第四，需基于現(xiàn)場素土進行試件制作，并開展抗壓強度試驗、耐鹽侵蝕試驗及水崩解試驗，分析素土試件的相關性能⑤。經(jīng)過上述試驗發(fā)現(xiàn)，為了更好地實現(xiàn)榆林衛(wèi)城城墻的修復建設目標，延長榆林衛(wèi)城城墻的壽命，強化其整體性能，應當將素土配比控制在80%，水泥配比控制在5%，石灰配比控制在5%，料姜石配比控制在10%，最終得到環(huán)境適應能力及受力性能最強的結(jié)構試件。

②受力分析試驗。除了改性土分析與試驗之外，對榆林衛(wèi)城城墻修復工程展開受力分析試驗同樣是保障城墻修復加固效果，提升城墻性能的關鍵所在。在本次研究當中，采用ABAQUS有限元模型作為城墻結(jié)構受力分析的基本工具，采用四節(jié)點平面單元模式進行分析，為了使模型的運算性能得到充分優(yōu)化，還對修復過程當中使用到的素土、水泥、料姜石及石灰等原料的狀態(tài)進行了相應簡化，將摩擦力排除在模型計算指標之外，經(jīng)過計算分析過后能夠得出結(jié)論，在榆林衛(wèi)城城墻當中，其墻體結(jié)構主要受到重力及豎向荷載兩方面的作用，其中，豎向變形最大值為12mm，沉降變形率為0.0012，城墻邊角土體應力最大值為1.107Mpa，小于其性能閾值，因此墻體邊角部位處于安全狀態(tài)下。

除了正常狀態(tài)的墻體受力情況分析外，還對地震狀態(tài)下的墻體受力情況進行了相應分析，其中墻體在地震狀態(tài)下頂點最大位移4.17cm，經(jīng)加固修復能夠基本回到原有位置。因此通過對墻體進行改性修復，能顯著緩解地震對城墻墻體變形造成的影響，進一步提升其整體性，保障其在地震狀態(tài)下的安全性。

3.2 修復措施

為了更好落實榆林衛(wèi)城城墻修復加固要求，提升墻體整體性能，實現(xiàn)加固目標，相關技術團隊及施工團隊應當采取以下幾方面措施開展相應的修復工作。

①選定合適的修復材料。作為古城墻受力狀態(tài)的重要影響因素及城墻安全性能的關鍵影響指標，合適的修復材料對提升城墻修復效果具有至關重要的作用。相關技術團隊及修復技術人員應當分別從材料性能、材料成分、材料配比等三方面進行綜合驗證與測試，結(jié)合榆林衛(wèi)城城墻修復特征及當?shù)厮赝镣翗有阅芴卣鬟M行分析得出結(jié)論，對榆林衛(wèi)城城墻進行修復時，最佳的修復材料配比為80%素土、5%水泥、5%石灰及10%料姜石，基于上述材料，能使榆林衛(wèi)城古城墻的環(huán)境適應能力、修復強度及修復效果達到一定的平衡，全面提升其修復質(zhì)量，初步實現(xiàn)古城墻修復目標。

②明確城墻受力特征。除了修復材料的合理選擇外，明確城墻的受力特征一方面能夠為城墻修復方案的制訂提供明確的參考信息，另一方面有利于技術團隊進行修復加固前后的比對。相關技術團隊應當采用模型分析或有限元分析的方式從多元化的角度對古城墻不同點位的受力特征進行分析和探究，并對常規(guī)狀態(tài)下及地震狀態(tài)下城墻受力變化情況進行分析和研究，從而進一步強化城墻修復加固方案的針對性與可行性，保障城墻修復效果⑥。

③做好外觀整修工作。在對榆林衛(wèi)城古城墻進行修復加固的同時，技術人員還應關注城墻外觀整修工作的重要意義，基于整修及加固方案中的相關內(nèi)容優(yōu)化城墻外觀，盡可能地減少修復過程當中對原有外觀造成破壞或影響，更好地落實古建筑或古城墻的修復原則。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著時代的不斷發(fā)展和進步，古城墻的文化研究價值不斷凸顯。相關技術團隊應當充分認識到古城墻修復的意義和作用，并從材料選擇、工藝流程等方面對城墻修復方案進行全面優(yōu)化，推動古建筑領域的持續(xù)性發(fā)展。

注釋

①曹穎平.既有古城墻修復工程施工技術研究[J].建材發(fā)展導向，2020（7）：212-213.

②彭輝.古城墻外包磚大面積酥堿修復施工技術[J].建材與裝飾，2020（25）：35-36.

③朱才輝，邱嵩，宋曉峰，等.傳統(tǒng)改性土工程性能試驗研究及在城墻修復中的應用[J].建筑科學與工程學報，2022（6）：43-54.

④翟嘉璐，干立超.城墻遺址保護修繕設計研究：以衢州城墻東段為例[J].城市建筑空間，2022（8）：126-128.

⑤劉淑宏，武崇福.山海關古長城整體分析及加固對策[J].磚瓦，2022（4）：82-85.

⑥蔡海波.初探古城墻保護及修繕中施工技術的運用：以大同古城墻為例[J].文物鑒定與鑒賞，2021（23）：123-125.