西安鐘樓基座滲水原因分析

張清三 高群

摘 要：為研究西安鐘樓基座滲水誘因，采用現(xiàn)場調(diào)研方法，深入分析了降雨前后和花壇澆灌前后基座內(nèi)部水分場的時(shí)空分布規(guī)律。結(jié)果表明，鐘樓基座滲水主要是雨水入滲引起，花壇澆灌對(duì)其無影響，在西安鐘樓基座頂部向下約2.0米范圍內(nèi)受雨水滲漏影響較大，且水分有往基座底部緩慢遷移趨勢，基座海墁防水設(shè)施可能失效，基座內(nèi)部形成滲流通道，在滲透壓力下券洞拱圈部位形成流痕和墻皮脫落現(xiàn)象，外墻出現(xiàn)泛堿掉渣等風(fēng)化現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：鐘樓基座;滲水;降雨入滲;植物澆灌

1 引言

近年來，西安市鐘鼓樓博物館經(jīng)長期現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)鐘樓、鼓樓基座存在比較嚴(yán)重的滲水問題，且每逢降雨期間，滲水更為嚴(yán)重。因滲漏引起諸多附加病害問題，如鐘樓基座外墻面出現(xiàn)大面積的剝落、酥減、掉皮、開裂，基座滲水導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定移位、傾斜甚至沉降變形等（圖1）。

對(duì)于古建筑結(jié)構(gòu)的損傷及其相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測普遍的方法有模型試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、原位監(jiān)測和數(shù)值方法等。《凍融循環(huán)作用后再生混凝土磚墻體抗震性能試驗(yàn)研究》[1]《戰(zhàn)國秦時(shí)期夯土長城加固強(qiáng)度試驗(yàn)研究》[2]《古建筑風(fēng)化石質(zhì)構(gòu)件力學(xué)參數(shù)的確定方法》[3]三篇文章從材料的劣化角度探索了古遺址的病害誘因及其修復(fù)措施，為古建筑的病害誘因研究提供先進(jìn)的研究手段，但針對(duì)古建筑臺(tái)基的滲水病害研究及其形成機(jī)制探索較少。

本文以距今600余年的西安鐘樓基座為研究對(duì)象，對(duì)其滲水問題開展調(diào)研工作，并在基座內(nèi)部和基座的天然地基中布設(shè)土壤水分計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)來探測基座內(nèi)部水分場的時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)今后鐘樓文物保護(hù)尤其是滲水防治措施具有重要的工程價(jià)值。

2 鐘樓基座滲水調(diào)研分析

2.1 鐘樓基座滲水及附加病害問題

鐘樓基座為高約8.6米、寬約35.5米的方形磚面土芯結(jié)構(gòu)，內(nèi)部多為雜土和素土夯筑而成。其損害原因基本是由于水的滲入引起，病害現(xiàn)象主要為：外墻面的滲水、起皮泛堿、酥裂掉渣、局部結(jié)構(gòu)開裂或坍塌等。

東、西、南、北四面墻的滲水及其附加病害的規(guī)模統(tǒng)計(jì)如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況分析：西安鐘樓基座西外墻面和北側(cè)的滲水程度相對(duì)最為嚴(yán)重，基座東外墻面、西側(cè)外墻面的起皮、酥裂的現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，基座南側(cè)外墻體的滲水、起皮、酥裂、掉渣同時(shí)存在，基座南側(cè)外墻體受到滲漏影響程度相對(duì)最為嚴(yán)重。鐘樓基座外墻面的滲水大部分匯集在海墁以下2～3米的范圍之內(nèi)，各外墻面因滲漏所產(chǎn)生的問題主要包括滲水、泛堿、起皮以及掉渣等，其中滲水泛堿現(xiàn)象最為嚴(yán)重，占外墻總面積的9.6%;起皮掉渣的病害面積次之，約占6.7%;三種情況都存在的約占2.4%[4]。

西安鐘樓基座滲水現(xiàn)象分布不均，單一的滲漏情況較少，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查研究，墻面的泛堿、起皮掉渣等病害均與滲漏有一定關(guān)系，滲漏和其引起的其他病害占臺(tái)基外墻面的20.8%，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)鐘樓基座的滲漏情況問題相對(duì)比較凸出。

2.2 水環(huán)境變化對(duì)鐘樓水害影響分析

西安鐘樓排水設(shè)施及管道鋪設(shè)如圖3所示。查閱相關(guān)維修資料發(fā)現(xiàn)，鐘樓基座在1955年整體大修時(shí)四面各向外擴(kuò)建1.5米，現(xiàn)存排水管在墻以內(nèi)1.5米處（編號(hào)A～H）。現(xiàn)場勘查得知，鐘樓基座外圍花壇周邊有8個(gè)集水槽（編號(hào)1～8）和與落水管相聯(lián)接的8條下埋式水平引水管，如圖3所示。

經(jīng)收集相關(guān)資料結(jié)合實(shí)際發(fā)現(xiàn)，每年8、9月西安雨季來臨的時(shí)候，尤其是強(qiáng)降水以后，西安鐘樓基座海墁四個(gè)角落常出現(xiàn)比較嚴(yán)重的積水現(xiàn)象，其中海墁北測、東側(cè)部分區(qū)域積水深度達(dá)到10厘米以上。可以看出鐘樓基座排水管網(wǎng)與海墁的不均勻沉降以及外圍觀賞花卉澆水存在問題，為更有效地分析降水前后鐘樓基座整體排水網(wǎng)絡(luò)正常情況，利用監(jiān)測計(jì)量設(shè)備采集強(qiáng)降水前后鐘樓臺(tái)基海墁、券洞外側(cè)等與基座相關(guān)的水文信息。在大雨和基座外圍花壇澆灌時(shí)，不間斷監(jiān)測降雨量和花灑澆灌量，降水期間同時(shí)監(jiān)測1～8個(gè)集水槽和基座海墁上的積水量[4]。

2.3 經(jīng)監(jiān)測水文研究得到結(jié)論

不間斷監(jiān)測60分鐘的降水，每隔10分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，連續(xù)六次10分鐘的數(shù)據(jù)可知，在第一個(gè)10分鐘內(nèi)降雨量約為4.6毫米，中間40分鐘降雨量約為9.2毫米，最后10分鐘內(nèi)降雨量為0.5毫米，并且在15分鐘之內(nèi)1到8號(hào)集水槽與落水管均集滿雨水，如不計(jì)算蒸發(fā)的損失，鐘樓基座的最大入滲量占到降雨總量的8.5%左右，鐘樓排水系統(tǒng)的排水效能為82.8%左右，由此可得：鐘樓海墁的排水系統(tǒng)和防水材料相對(duì)較好，但鐘樓海墁青磚裂縫、排水坡度以及花壇擺放位置不合理導(dǎo)致的滲水問題也不容忽視。

鐘樓基座外圍的圓形花壇中一共布置了30余個(gè)澆灌噴嘴，各噴嘴的澆灌量約為每小時(shí)15立方米。水分主要被下部鋪設(shè)的土壤和裝飾花卉所吸收，小部分的水分流入地面和蒸發(fā)。因花壇鋼架防水層存在一定的漏水現(xiàn)象，致使部分漏水會(huì)向基座下部的現(xiàn)澆混凝土地面入滲。查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，基座外圍裝飾花壇鋼架基礎(chǔ)在西安地鐵2號(hào)線繞行鐘樓時(shí)已澆筑深約1.0米的地磚、防滲瀝青和混凝土等材料，且四周打入深約14米的連續(xù)樁致使水分很難滲漏，而在西安地區(qū)的枯水期，地下水位有明顯的下降趨勢（由8.5米下降至9.5米）。

3 鐘樓基座內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害探析

利用地質(zhì)雷達(dá)和面波儀等無損探測設(shè)備分析鐘樓基座整體結(jié)構(gòu)病害特性如下：

①鐘樓基座外墻磚體結(jié)構(gòu)平均彈性模量是基座內(nèi)部夯土層的1.4～4.6倍，其中基座底部以上3.0米范圍內(nèi)平均彈性模量為基座頂部以下5.0米范圍內(nèi)的1.4～3.1倍，基座北、西、東側(cè)的外墻面綜合彈性模量分別是125兆帕、160兆帕、189兆帕，都小于南側(cè)綜合彈性模236兆帕，由此可以發(fā)現(xiàn)：鐘樓基座的頂部病害損傷程度較底部相對(duì)比較嚴(yán)重，而且墻體的北、西、東側(cè)比南側(cè)整體損傷程度要嚴(yán)重[4]。

②鐘樓柱體結(jié)構(gòu)保存相對(duì)完好，其中鐘樓28根檐柱和4根金柱未發(fā)現(xiàn)明顯的空洞和糟銹現(xiàn)象，基座海墁和臺(tái)明除有輕微破損外，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也未發(fā)現(xiàn)明顯的空洞及損傷現(xiàn)象;基座外墻面除了可見的貫穿縫、局部有空洞和滲流通道存在外，其內(nèi)部保存相對(duì)完好，未見明顯損傷現(xiàn)象;但檐柱以下約1.7米內(nèi)范圍內(nèi)的柱基存在一定厚度的含水層，基座外墻面、海墁及臺(tái)明以下約0.6～2.4米范圍內(nèi)的含水量相對(duì)較大，由此可見：在長期的水分入滲的情況下，水帶走夯土層中的黏粒和可溶性鹽，進(jìn)而形成入滲通道，從而誘發(fā)結(jié)構(gòu)性病變，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)的老化導(dǎo)致水害進(jìn)一步加劇，這是誘發(fā)劵洞以及外墻面滲水、起皮、剝落、泛堿等病害的源頭[4]。

4 結(jié)論及建議

因水管的排水效能不足，海墁的排水坡度設(shè)計(jì)存在一定的缺陷，導(dǎo)致強(qiáng)降水期間鐘樓海墁四角均存在嚴(yán)重的積水現(xiàn)象。海墁磚以及防水材料在1996年維修之后距今已有20余年，受長期自然力的影響，鐘樓海墁磚及防水層在一定程度上失效，以上原因?qū)е潞＼e水和入滲，鐘樓基座內(nèi)部夯土層出現(xiàn)濕化變形產(chǎn)生入滲通道，最終誘發(fā)鐘樓基座水害的發(fā)生。

通過對(duì)鐘樓基座進(jìn)行大量的現(xiàn)場調(diào)研、資料查閱、布點(diǎn)監(jiān)測分析等，可以更深一步了解鐘樓基座水害的相關(guān)規(guī)律以及導(dǎo)致其發(fā)生的原因，為今后文物保護(hù)尤其是基座、海墁的防滲監(jiān)測分析和保養(yǎng)維護(hù)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭山鎖，商效瑀，張奎，等.凍融循環(huán)作用后再生混凝土磚墻體抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015（3）.

[2]趙海英，汪稔，李最雄，等.戰(zhàn)國秦時(shí)期夯土長城加固強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2007（00）.

[3]劉成禹，何滿潮.古建筑風(fēng)化石質(zhì)構(gòu)件力學(xué)參數(shù)的確定方法[J].巖土力學(xué)，2014（2）.

[4]朱才輝，郭炳煊.古建筑基座滲水監(jiān)測及誘因分析[J].巖土力學(xué)，2018（11）.