陜北明代夯土長城雨蝕破壞發育過程的模擬研究

姚 雪

（1. 四川博物院，四川 成都 610071；2. 西北大學文化遺產學院，陜西 西安 710068）

夯土建筑是一種古老且分布范圍極廣的建筑形式，具有取材便利、工藝簡單、物理性能良好的特點。在對陜北地區明長城進行調查的過程中發現，當地90%以上的長城遺址均為夯土建筑，受自然和人為因素的雙重影響，夯土長城目前保存狀況堪憂。在對陜北榆陽區54座明長城夯土建筑的現狀調查中發現，雨蝕是該地區明長城破壞的主要病害類型之一[1-5]。大多數夯土遺址表面風化嚴重，部分遺址沖溝和裂隙發育，少數遺址底部有淘蝕凹槽，這些均為降雨直接或者間接破壞的結果[2]。文章著眼于降雨對夯土遺址的破壞過程，是對半干旱環境下土遺址雨蝕破壞極值的探索性研究。

目前，一般通過野外實地勘察研究夯土遺址的雨蝕病害[6-7]，對不同雨蝕病害間的發育過程研究尚顯不足，對不同病害模式間的關系研究較少。作者曾采用小比尺模型，在室內可控條件下研究降雨、夯土性質和雨蝕量間的單因素量化關系，取得初步成果[4-5]。但室內模擬試驗受條件限制，不能完全反映出夯土雨蝕破壞的發育過程。本次研究采用現場模擬試驗的方法，在陜北榆林榆陽區采用長城原始夯筑工藝建造夯土墻體，采用人工模擬降雨設備對夯土墻體進行模擬雨蝕，探究天然賦存環境下夯土建筑的雨蝕破壞發育過程。病害發育過程是機理研究的重要組成部分，以現場試驗為手段探究夯土遺址不同雨蝕病害的發育過程是科學評估、預測其生存態勢的重要依據。

1 榆陽區明長城遺址土的工程特性

該地區建筑材料為低塑性粉質黏土，天然含水率低，夯土密度較大，但土顆粒級配大多數不良，易水解，抗雨蝕能力較弱，抗剪強度低，土中易溶鹽主要為硫酸鹽，易發生溶解結晶。總體上看，土的工程性質較差，抗風化能力弱。

2 榆陽區明長城雨蝕破壞模式分析

根據現場調查，綜合考慮水土作用方式和破壞程度，榆陽區明長城夯土雨蝕病害分為干濕破壞、沖刷破壞和降雨導致的重力侵蝕。

第一種破壞模式是干濕破壞，干濕破壞包括片狀剝蝕和干縮開裂，是降雨和其他因素協同作用產生的結果，基本作用是逐漸降低土體強度，增加表面風化層厚度。調查過程中發現，片狀剝蝕和表面收縮開裂廣泛分布于長城遺址中，是分布范圍最廣的雨蝕病害。

第二種破壞模式是沖刷作用導致的破壞，表現為沖溝和極少量基底淘蝕，是降雨對土遺址的直接破壞。現場調查中，基底淘蝕數量較少，沖溝多出現于頂面有良好匯水面的遺址，分布范圍較廣。

第三種破壞模式是降雨導致的重力侵蝕，包括局部小范圍掉塊和大面積失穩坍塌，調查中發現，部分長城遺址有大型貫穿性裂隙發育，已經形成危險塊體，在降雨和振動的作用下發生坍塌的可能性極大。坍塌受遺址本體結構和降雨、振動等外界因素的共同影響，是雨蝕破壞的偶然結果，在調查中較少見，但一旦發生破壞性極大。

3 雨蝕發育過程的試驗研究

3.1 試驗方法

試驗采用人工模擬降雨的方式加速夯土雨蝕破壞進程。本次試驗為破壞性試驗，不適宜在長城墻體上進行，在榆陽區長城周邊一處地勢平坦的場地人工夯筑2座墻體作為試驗對象，按照明長城夯筑工藝夯筑，采用人工降雨的方法模擬天然降雨對夯土建筑的破壞。

降雨參數綜合考慮當地降雨概率、降水貢獻率和破壞性，根據1964—2012年榆陽區天然降雨資料統計分析得出[2]56（表1）。試驗目的是重現降雨對夯土遺址的破壞過程，試驗時觀察并記錄3種雨蝕破壞模式的產生、發育過程，記錄3種破壞模式的發育順序及伴生關系，原則上以土體開始出現小范圍掉塊作為試驗結束標志，不出現大范圍坍塌。

表1 降雨設計值

3.2 試驗對象

在長城真實賦存環境下夯筑2座長3 m、寬1.5 m，高2 m的夯土墻體，2座試驗臺相互垂直但不相接。試驗臺為當地原生黃土按照原始工藝夯筑，控制密度和含水率與長城遺址一致（圖1）。圖2為模擬墻體剖面圖，具體參數表2。

本次試驗設計夯層厚度0.15 m，干密度1.7 g/cm3，最優含水率17.5%。分層夯筑，夯筑結束陰干10 d后，脫模避雨通風養護≥28 d（圖3、圖4），養護期間為防止墻體表面迅速脫水開裂，在墻體表面覆蓋植物纖維，保證避雨通風。

表2 模擬墻體設計參數

圖1 模擬墻體方位示意圖

圖2 模擬墻體剖面圖

圖3 疊加模板

圖4 脫模

3.3 降雨設備

本次研究借鑒水土保持學領域關于人工模擬降雨的相關知識理論，采用便攜式野外人工模擬降雨裝置進行試驗。雨滴發生器噴嘴直徑9 mm，噴灑角度45°，降雨系統分為供水系統、降雨系統和支架3個部分，見圖5。

為保證人工降雨精度，對模擬降雨器參數進行室內率定和現場校正[12]。結果顯示，模擬降雨器在設計降雨條件下均勻系數大于0.7，達到規定精度標準，滿足試驗需求。

圖5 便攜式人工模擬降雨系統現場圖

3.4 試驗結果

3.4.1 干濕破壞發育過程

干濕破壞指土體中水分的干濕作用導致的土的性質逐漸削弱、破壞的過程。結果顯示，試驗條件下夯土墻體均會出現干濕破壞，表現形式為片狀剝蝕和干縮開裂。

(1)片狀剝蝕。片狀剝蝕是多次降雨后反復干濕作用的結果。具體形成過程為，表層土顆粒濕潤后發生位移形成疏松團聚體，在雨滴的擊實作用下形成細密結皮層（圖6），降雨結束后，結皮層失水干燥與原土體分離，在外力作用下呈片狀脫落（圖7）。片狀剝蝕發育過程見圖8、圖9，結皮層實際強度較差，剝落后露出內部新鮮土體，呈蜂窩狀強度較差。

圖6 初步形成結皮

圖7 結皮層剝離

圖8 片狀剝蝕發育初步形成

圖9 片狀剝蝕成片脫落

(2)干縮開裂。干縮裂隙通常在土體表部形成。降雨結束后，土顆粒間基質吸力增強逐漸大于土體內部黏聚力，土體表面產生裂隙，多次反復裂隙發育擴大。圖10至圖13為3場降雨后試驗臺體表面干縮開裂發育情況，結果顯示，隨著干濕次數增加，頂部裂隙發育方向延伸并擴張，裂隙張開度明顯增大，縱向切深增大。

圖10 Ⅰ號墻體頂部原始形貌

圖11 頂部初步產生干縮裂隙

圖12 頂部干縮裂隙形成

圖13 頂部干縮裂隙進一步發育

綜上，干濕破壞包括土體吸水濕化—失水收縮兩個過程，降雨過程中的干濕破壞處于土體濕化發育階段，一般來講，土體濕化程度越大，干濕破壞越明顯，干濕破壞作用貫穿于整個降雨及雨后失水的過程。

3.4.2 沖刷破壞發育過程

沖刷破壞實質上是由于水力侵蝕造成的土顆粒脫離本體或離開原有位置形成的破壞，最常見的表現形式為沖溝。

夯土墻體頂部輕微的不平整為沖溝發育提供條件。沖溝的形成包括飽和、徑流形成、泥漿流淌和沖溝發育4個階段。試驗時，表層土體含水率逐漸升高，當滲透系數小于降雨強度時，表層土體飽和，產生積水，積水沿下洼處流淌形成徑流，徑流帶走頂部飽和土體形成泥漿流淌，形成泄水通道。隨著降雨繼續，大量挾沙水流沿泄水通道流失，最終形成具有一定縱深的沖溝。

降雨引發的重力侵蝕是由于土體吸水飽和后重力增加，土體內部C、Φ值減小，抗剪強度降低，當抗剪強度小于飽和土體重力時發生坍塌。一般發生于遺址本身存在結構性問題的情況下，例如大型裂隙發育、底部出現懸空區等。本次模擬試驗以現代夯筑墻體作為對象，墻體表面完整、無裂隙發育，不存在結構性問題，不存在發生坍塌破壞的內在條件，因此在試驗中歷史最大降雨條件下僅出現局部掉塊現象，屬于由沖刷破壞向坍塌破壞過渡階段，關于降雨對夯土遺址坍塌破壞的影響將采用數值模擬的方法進行研究。

4 結束語

(1)榆陽區明代夯土長城雨蝕破壞模式分為干濕破壞、沖刷破壞和降雨導致的重力侵蝕，試驗結果與現場調查結果一致。

(2)夯土雨蝕破壞發育的一般過程分為3個階段。降雨初期雨蝕破壞以干濕破壞的濕化作用為主；雨蝕破壞發育中期，以表層土體開始飽和為標志雨蝕破壞以沖刷破壞為主；雨蝕破壞發育后期，遺址表面土體局部飽和發生變形，降雨對土體的破壞作用以坍塌破壞為主。3種破壞模式可以并存，破壞程度逐漸遞增。