氣候對嘉峪關關城的影響及其掏蝕機理研究

董永周

[摘要]嘉峪關關城是明代萬里長城的西端主宰，自古為河西第一隘口，關城從初建到落成經歷了178年的時間。關城的歷史作用及文化價值在歷經滄桑后的今天更是被后人所重視，雖然它巍峨依舊，卻略見衰老，裂縫、傾斜、剝落、掏蝕、坍塌等對城關保護造成威脅，顯然掏蝕基礎的病害更是直接危害著它的生命，研究迫害機理已經迫在眉睫。西北地區的氣候是其病害的直接根源，風沙吹蝕、光照及水和水中晶體的凍融循環、下滲、侵蝕等，單獨或復合作用直接影響著關城墻體的迫害程度。本文從氣候特點出發，分析關城城墻的病害特點，尤其對掏蝕現象的機理進行對比分析，并對監測掏蝕現象的工作提出一些建議和意見。

[關鍵詞]嘉峪關；關城保護；文物病害；掏蝕機理

[中圖分類號]K872 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-3115（2017）20-0062-03

一、嘉峪關關城歷史淵源

嘉峪關關城在嘉峪關市區西5公里處的嘉峪山上，關城兩翼的長城橫穿沙漠戈壁，向北7.5公里連黑山懸壁長城，向南7.5公里接長城第一墩，是明代萬里長城西端主宰，自古為河西第一隘口。

嘉峪關自明洪武五年（1372）首筑土城，歷經178年建造而成。據史書記載，嘉峪關“初有水而后置關，有關而后建樓，有樓而后筑長城，長城筑而后關可守也”。明弘冶八年（1495），肅州兵備道副使李端澄主持在西羅城嘉峪關正門修建嘉峪關關樓。又過了11年，明正德元年（1506）八月至次年二月，李端澄又按照先年所建關的樣式、規格，修建了內城光化樓和柔遠樓，同時還修建了官廳、倉庫等附屬建筑物。嘉靖十八年（1539），尚書翟鑾視察河西防務，認為這里必須加強防務，于是大興土木加固關城，并在關南、關北修筑兩翼長城和烽火臺等。嘉靖二十八年（1549），巡撫楊博、兵道副使王儀展筑城垣，添筑敵樓、角樓、墩臺等，還夯筑了外城墻，在外城墻外開挖城壕。至此，一座規模宏大、建筑雄偉的關城屹立于茫茫戈壁之上，宛如一條游龍盤旋在西去的要塞，牢牢地扼守在民族的疆土之上。

二、嘉峪關氣候特點及對關城的影響

嘉峪關屬于北半球非季風氣候區，屬于溫帶大陸性氣候，周邊全部為茫茫戈壁。氣候特點對關城的影響有很多方面，其中最基本、最頻繁的因素就是濕度、溫度和光照。嘉峪關地區具有海拔較高，氣候極端干旱，降雨量少，降雨量變化大，降雪量少，且多為暴雪，暴雪大量堆積，天氣嚴寒，極難融化，且雪融化后多會結冰，溫差懸殊，濕差大，風沙活動頻繁，夏天日照時間長，日照強度大，冬天日照時間短等特點，常有風速超過5 米/秒的“起沙風”，幾乎全年都受大風的影響，甚至最大風速可達12級。據酒泉氣象站50年（1935～1985年）間氣象記錄得知，嘉峪關全年日照平均為3000.2小時，日照率平均為69%，太陽輻射度年總量為145.6千卡/毫米2，年平均氣溫在6.7～7.7℃，年平均降水量為85.3毫米，年平均蒸發量為2114.3毫米（20厘米蒸發器實測蒸發量），年平均相對濕度為46%，年平均風速為2.4米/秒，年平常風力為3～4級。

由此可見，氣候對關城的影響一方面是夏季多暴雨、暴風、暴曬，暴雨后墻體表面及內部濕度變化幅度很大，尤其是基礎部位，長時間遭受冷熱、干濕交替變化，隨著時間的推移，水分附帶晶體下滲，冷熱交替，產生嚴重的龜裂、剝落現象。暴風作用使關城墻體單面受力風蝕，再同水及水中結晶體腐蝕墻體底部，使墻體出現剝落、傾斜、坍塌等。暴曬作用使墻體表面溫度驟然升高，內外溫差較大，墻體體積變化不一，使墻體出現開裂、內外分層、墻體表面剝蝕等現象，且內部結構失去保護層，極易遭受侵蝕破壞。

另一方面，冬季干燥而且寒冷的氣候條件，客觀上促進土體干濕、凍融災害的產生，從而造成土體結構松弛，形成崩解破壞。當然墻體根部、病害處長期積雪，對長城的迫害也是很致命的。嘉峪關地區冬季寒冷，積雪堆積層加厚難以融化，造成了長城底部干濕作用頻繁，冷熱交替，內部晶體作用頻繁的特點，直接或間接導致了基礎酥堿、剝落等破壞。積雪融化周期過大，融化后多結冰以固態形式存在，體積變化較大、強度增大使墻體出現毛細裂縫，久而久之出現基體崩破等病害。嘉峪關地區又是多風地區，風沙頻繁，風力強，風多為定向風，且具突發性，風沙強烈作用墻體的單一面，隨著時間的推移，風蝕單面墻體，墻體出現風化、剝蝕等病害現象。

除此之外，干旱、少雨、晴天多的氣候特點，對長城遺址的破壞還有降雨沖刷破壞、太陽輻射作用，氧化作用、溶蝕作用、水解作用、水化作用以及生物化學作用等一系列較為活躍和強烈的分化作用。以上情況直接或間接了造成遺址表面片狀剝離、裂縫、酥堿、掏蝕和坍塌等病害的發育。

三、關城墻體基礎掏蝕現象機理研究

（一）關城墻體病害特征

經過常年累月的氣候作用，關城呈現出了眾多病態特征，有裂縫、剝落、傾斜、分層、掏蝕、坍塌等病害，如下圖所示：

圖1為關城外城北墻裂縫、傾斜的病害圖。圖2為東閘門處烽火臺基礎掏蝕、墻體剝落、裂縫的病害圖。

圖3、圖4為北甬道墻體基礎掏蝕、剝落的病害圖。

圖5、圖6為北甬道西側墻體剝落、裂縫、掏蝕的病害情況圖。

圖7為南甬道外墻坍塌、裂縫圖。圖8為北甬道內墻內側剝蝕分層病害現象圖。

圖9為馬道旁墻體剝落、傾斜、裂縫、掏蝕圖。圖10為南閘門烽火臺夯土病害情況圖。

（二）關城掏蝕失穩機理對比研究

從上圖可以看出，關城的保護已經迫在眉睫，尤其是基礎失穩現象上尤為嚴重，此類病害更是造成墻體剝落、傾斜、坍塌的罪魁禍首。所以研究基礎機理更是當務之急。

圖11、圖12為北甬道內墻兩面墻體受風力、日照掏蝕程度的比較圖。圖11為受風面，圖12為背風面且常年受日照的影響。比較可知，圖11墻體的基礎掏蝕情況較為嚴重，圖12墻體表皮翹起、脫落現象較為嚴重，但圖12中基礎掏蝕現象也依然存在。由此可以看出風力對墻體的掏蝕作用較其他因素相對活躍。endprint

圖13、圖14為南甬道內墻兩面墻體受風力掏蝕程度的比較圖。圖13為受風面，圖14為背風面且常年受日照的影響。圖中受風面掏蝕情況較背風面掏蝕相對嚴重。比較可知，風力對墻體的掏蝕作用非常嚴重。

圖15為嘉峪關門前的城墻，圖16為南閘門處烽火臺。兩圖中的病害特征都是受風力和光照共同影響的結果，墻體掏蝕、裂縫、剝落等病害情況都很嚴重。

圖17、圖18為南甬道外墻（左）與內墻（右）的比較圖。右圖為常年光照面。圖17墻體出現風化、坍塌、剝落、裂縫等病害，圖18中墻體的病害情況相對較輕。

圖19、圖20為東閘門內（右）外（左）側墻體水溶結晶體導致的墻體外部酥堿變質、變形、變性、軟化的比較。東閘門地勢為內高外低。比較可以看出，圖19腐蝕現象較為嚴重。說明水及水中的結晶體對墻體的迫害作用也很大。

（三）夯土長城墻體根基掏蝕失穩機理結論

由以上圖示的比較可以看出，嘉峪關關城墻體根基掏蝕失穩現象是在風、雨、水、鹽、日照、溫度等的單獨或組合作用下，不斷使基礎內、外部酥堿變質、變形、變性、軟化、掏蝕凹進而形成的一中病害特征。在嘉峪關干旱、少雨、晴天多的氣候環境下，這種掏蝕現象是一種極其普遍的墻體病害特征，包括風力掏蝕、水力掏蝕、光照掏蝕、凍融掏蝕和坍塌掏蝕等。風力掏蝕是在長期單一方向、強烈、突發性等的暴風作用下墻體出現基礎風化、剝落、掏蝕凸進的現象。水力掏蝕是暴雨、暴雪后經過沖刷的墻體內外濕差較大，水分溶化土體中的結晶體，下滲、溶解體積變化，使基礎酥堿、變性，出現掏蝕的現象。光照掏蝕是指關城墻體在強烈光照作用下內外溫差變化較大，外部墻體溫度極高，出現表層翹起、突出、裂縫的現象。凍融掏蝕是指暴雨、暴雪之后墻體水分大量向基礎富集，加之冬季較長，溫度低，尤其是暴雪后，墻體根部雪量堆積較多，融化周期長，使基礎部位墻體不斷經受凍融作用，產生酥軟、變性現象。坍塌掏蝕是指土遺址在其他外力作用下引起坍塌，造成根基等局部懸空，加之重力、振動等因素使坍塌規模加大的現象。在這些因素中迫害最嚴重、最頻繁的就是風力和光照掏蝕了。嘉峪關關城墻體底部多采用夯土筑成，具有較為明顯的夯筑層理，顯然各個夯層之間的連接較為薄弱，根部懸空導致底部夯層與其上一夯層基本分離，成為懸臂式夯土層。而夯土的抗折強度本身較低，已發生彎折破壞，進而加劇掏蝕作用，依次逐層破壞，直至整個墻體失穩倒塌。

四、對監測掏蝕的一些思考

筆者認為，首先，應及時監測找出墻體掏蝕的根源，盡量避免二次或多次掏蝕。其次，對掏蝕墻體外漏部分進行預警監測，并對危險墻體及時維修。再次，冬季惡劣氣候下及時處理積雪、冰凍及其他一些迫害狀況，并在處理過程中監測墻體內外部干濕、溫度、強度等變化情況。最后，建立、健全墻體排水設施，監測墻體各個部位水分和結晶體含量，并定時監測二者的變化情況，匯總、對比相關數據，得出晶體濃度對墻體迫害的強烈程度。

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