古代生土建筑風蝕的主要影響因素分析

內容摘要：西北地區分布著大量的古代生土建筑遺址，它們利用天然土質材料經過簡單施工而成，性質脆弱，在長期風沙場作用下遭受嚴重的侵蝕破壞。本文綜述了土壤風蝕領域的試驗研究成果，分析了影響風蝕的最主要因素，如土的粒度、風速、土的含水量和凍融循環次數。本文區分出土易于風蝕和難于風蝕的粒徑范圍，說明了含水量差別及凍融循環對風蝕程度影響的原因，指出了今后生土建筑風蝕機理研究的主攻方向。

關鍵詞：生土建筑；風蝕；影響因素；交河故城

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106(2007)05-0078-05

我國西北地區遺存有大量生土建筑遺址，如甘肅境內的長城，新疆交河故城、高昌故城、西夏的西夏王陵。它們都是人類寶貴的文化遺產，具有不可估量的歷史和文化價值。地處西北荒漠、戈壁地區的生土建筑，遭受著強烈而長期的風蝕作用。有些情況下，風蝕破壞是導致某些生土建筑毀壞的直接原因。近年來，國內外學者對土遺址的化學加固、保護等方面做了大量的工作，但對古代生土建筑物風蝕耐久性機理研究卻很少，而有關土壤的風蝕過程研究，已經積累了大量的成果。綜合分析和整理土壤風蝕領域的相關實驗數據，對于開展生土建筑的風蝕耐久性定量研究，深化古代生土建筑風蝕機理認識水平，有著重要的參考價值。

一 粒度對風蝕的影響

土的粒度成分不同，抵抗風蝕的能力差別很大。圖1、2、3是根據文獻整理的沙質壤土、壤質沙土、固定沙丘風積沙土的風蝕量與風速及粒徑的關系圖。圖1表明，沙質壤土被風蝕顆粒粒徑主要在0.25mm以下，且隨著風速的增加，被風蝕顆粒的粒徑明顯加粗。圖2表明，壤質沙土被風蝕顆粒粒徑主要在0.5mm以下，隨著風速的增加，被風蝕顆粒的粒徑加粗，但沒有沙質壤土明顯。圖3表明，沙土被風蝕顆粒粒徑主要集中在0.05-0.25mm之間。由此可見，土的類型不同，顆粒粒徑組合方式不同，最容易被風蝕的粒組是變化的。

圖4是根據不同學者研究成果匯總而成的可風蝕土粒粒徑分布區間。Chepil研究認為，土中<0.05mm粒徑含量越高，易形成不可風蝕的團聚體穩定結構。李曉麗等通過試驗分析認為，易風蝕粒徑大致可劃分為0.25-0.425mm和0.075-0.2mm兩個區間。馬存月等認為，粒徑在0.08-0.25mm的土顆粒最易被風蝕。董治寶等野外實地觀測內蒙古后山地區灌叢沙堆的風蝕情況，將粒徑大于1.0mm定為不可風蝕顆粒。圖4中的陰影區，是本文綜合各家觀點認定的可風蝕顆粒粒徑分布區間。

圖4直觀地表明，當土的顆粒很細(如小于0.05mm)時，由于土顆粒之間強烈的物理化學作用，容易形成團聚結構的大顆粒，土難以被風蝕。當土的粒徑很粗(如大于1.0mm)時，由于單個顆粒自身的重力較大，需要很大的啟動風速才可以被搬運，土也難以被風蝕。相反，土顆粒粒徑介于0.05-1.0mm之間時，均有被風沙流啟動和搬運的可能，最容易被風蝕的粒徑集中在0.075-0.25mm之間。隨著風速的增大，被侵蝕的顆粒粒徑逐漸變粗。

交河故城生土建筑及其遺址所在天然地層的粒度存在較明顯差異。具體而言，夯土的粒徑主要分布在0.05mm-0.25mm之間，剁泥的粒徑主要分布在0.05-0.075mm之間，崖體粉土的粒徑主要分布在0.005-0.075mm之間。將交河故城三種土的粒徑分布上限示于圖4中，可以看出，夯土的粒徑大部分分布在可風蝕區間之內，而崖體粉土及剁泥的粒徑只有很少一部分分布在可風蝕區間之內。這說明，夯填法建造的生土建筑容易遭受風蝕破壞；相對而言，遺址所在崖體的粉土層以及由剁泥法建造的生土建筑不容易遭受風蝕破壞。

交河故城坐落在河流下切形成的臺地上，崖面出露地層主要由顆粒較細的粉粒組成，這種以粉土為主的地層中夾有顆粒較粗的沙質粉土薄層。臺地西北側崖面與當地的主導風向呈大角度相交，受到風蝕的機會最大。觀察西北側崖面的風蝕特征可知，顆粒較粗的沙質粉土層比其上覆及下伏的細粒粉土層發生較為嚴重的風蝕現象，說明圖4揭示的風蝕量與土粒粒徑的關系是可靠的。

二 風速及挾沙氣流對風蝕的影響

風速是影響生土文物風蝕的又一個重要因素。不同學者通過風洞試驗建立了土的風蝕量和風速之間的關系模型(表1)。所有的模型都表明，風蝕量隨著風速的增加明顯增大。

表2的數據顯示，凈風吹蝕和挾沙風吹蝕的啟動風速也是不同的。在凈風吹蝕條件下，土體表面主要受風的剪切應力作用，其大小主要由風力大小決定。由于風的動能取決于空氣比重和風速的平方，在大氣壓和空氣溫度一定的情況下，風的動能與風速的平方成正比，動能愈大，傳遞給沙粒的能量越多，風蝕量也就隨即增加。

與凈風條件相比，挾沙風的風蝕率遠大于凈風的風蝕率。影響挾沙風風蝕過程的因素很多，最主要的，首先是土體表面要受到的風的剪切力作用，其次是貼地運動的沙粒對地表磨蝕作用。凈風條件下土粒的起動完全依靠風力的作用，而在挾沙風條件下，土粒不僅受到風的剪切力作用而且還受到風攜沙粒的撞擊作用，這使得土粒更容易脫離土體表面，增大了風蝕率，加重了風蝕程度。

挾沙風作用下土體風蝕量與風速大小有關，此外還和躍移沙粒與土體表面撞擊的角度和速度以及躍移沙粒的多少有關。假定風蝕活動是由凈風的剪切力以及風沙流的磨蝕和撞擊作用兩個因素的簡單疊加，研究發現，隨著風速增加，風沙流中的沙粒數量隨之增加，挾沙風對土體的風蝕量與風速之間存在二次函數關系。也有研究結果顯示，在低風速段，風蝕量隨風速的增大出現小幅增加，在7-10m/s的風速范圍內，風蝕量隨風速的增加而顯著增大。

三 含水量對風蝕的影響

圖5是對文獻實驗數據的簡化圖，顯示了含水量對風蝕作用的影響。由圖5可知，隨著風速的增加，風蝕模數明顯增大，這種現象對低含水量土樣尤為明顯。與干燥土相比，稍濕的土顆粒孔隙中形成毛細吸力，趨向于增強土顆粒之間的連接力，在一定程度上提高了土的抗風蝕能力。這可能暗示，經過較為漫長而干燥的冬季之后，露天生土建筑中的含水量更低，更容易遭受風蝕侵害。上述結果還暗示，今后在研究干濕循環對生土建筑風蝕作用的影響時，需要把重點放在干濕循環之后的低含水量情況上。

四 凍融循環對風蝕的影響

地處西北干旱、半干旱地區的生土文物，天然含水量很低，季節變化引起的凍融循環直接導致文物破壞的實例很少見。但是，凍融循環對生土文物抗風蝕能力的影響引起了研究者的注意。研究結果表明，隨含水量增加和凍融循環次數的增加，土樣從顯觀上出現不同程度的變形和破壞(圖6)。隨著凍融循環次數的增加，風蝕模數也在增加(圖7)。對比圖7與圖5，可以看出凍融循環對風蝕程度的影響。在反復凍融循環條件下，風蝕模數超過2kg/cm²·h所需要的風速一般大于15m/s(圖7)；相反，在不發生凍融的情況下，風蝕模數超過2kg/cm²·h所需要的風速應一般大于18m/s(圖5)。說明反復凍融循環確實促進了風蝕作用的程度。這可能是因為凍融循環破壞了土體的微結構，進而降低了土的抗風蝕能力。凍融循環引起土體結構劣化，促進風蝕作用的具體細節，還需要通過隨后的實驗研究進一步分析判斷。

五 綜合分析

綜合分析國內外學者對土的風蝕試驗研究成果發現，風速、氣流是否挾沙、粒度、含水率、凍融循環次數均對生土文物的風蝕耐久性產生明顯的影響。現有的試驗研究數據顯示，土存在易于風蝕和難于風蝕的粒徑區間。這說明土顆粒之間的有效連接是抵御風沙流侵蝕的內在根源。一定量的黏粒和粉土可以將土中的粉粒或砂粒在一定程度上連接起來，形成較為穩定的團聚結構，提高抵御風沙流侵蝕的水平。這也正是西北沙漠戈壁地區盡管風沙盛行，但生土文物卻可以長期存在的基本理由。

應當看到，干濕循環和凍融循環從微觀上破壞土的團聚結構，導致土體劣化，從而加速生土文物的風蝕。這個過程與巖石的風化過程大體相似又有根本的差別。巖石風化的典型特征是化學風化，即造巖礦物在化學作用下逐漸轉變成簡單礦物甚至黏土礦物的過程；與此不同的是，土的風化過程，最主要的特征是物理風化，即在干濕循環和凍融循環的作用下，土的微觀結構發生破壞，可以稱之為劣化作用。因此，定量研究生土文物的風蝕耐久性，需要從溫度場一水分場一氣流場耦合的觀點出發，以干濕循環、凍融循環導致土的微結構變化為突破口，通過風洞試驗揭示風沙流場中土樣的質量損耗(ΔW)與風速(V)、土樣干密度(r_d)、干濕或凍融循環次數(N)等指標的關系(圖8)。

絲綢之路沿線土遺址，處于典型的干旱氣候環境中，日溫差及年溫差變化很大，風沙流盛行。風蝕作用對露天土遺址的危害最為嚴重，屬于第一位的質量損耗過程。對于不可移動的大型土遺址而言，難以仿照室內博物館的保存模式改變或控制遺址所處的惡劣環境條件，這也與大遺址保護的原則所不允許。提高土遺址抗風蝕能力最有效的方法可能是，在風蝕機理研究的基礎上深化化學加固水平，通過提高土的耐久性延緩風蝕進程。

六 結論

1、現有的試驗數據顯示，粒徑小于0.05mm和大于1mm的土顆粒難以被風蝕；粒徑在0.05-1mm之間的土顆粒可以被風蝕；粒徑在0.075-0.45mm之間的土顆粒易于被風蝕。

2、隨著風速的增加，土的風蝕模數明顯提高，含水量較低的土比含水量較高的土風蝕模數提高更為顯著。

3、同等條件下，隨著凍融循環次數的增加，土的風蝕模數提高。凍融循環過程中土的顯觀結構變化暗示，凍融循環過程中土的微觀結構劣化可能是導致抗風蝕能力下降的內在原因。

4、從溫度場一水分場一氣流場耦合的角度，研究干濕、凍融循環導致土的結構劣化條件下土的風蝕質量損耗與風速、土樣干密度等參數的關系，有可能建立生土建筑風蝕耐久性的定量關系。

責任編輯：齊雙吉