嘉峪關西長城（明墻段）夯土墻體病害特征與危害性調查分析

關海萍

摘 要：長城，縱橫數萬里，經過長期的歷史積淀，孕育了豐富的文化內涵，成為中華民族的精神象征和重要標志。嘉峪關作為明代萬里長城的西端起點，其防御體系完整，本體類型豐富，地域特征明顯，“因地制宜、就地取材”特點突出，在西北土質長城中具有典型的代表性。幾百年來，受西北地區風沙、雨雪和急劇溫濕度變化的凍融等自然因素影響，夯土墻體表面風蝕、片狀剝離、土質酥堿、裂隙發育、基礎掏蝕凹進、沖溝發育、生物侵蝕、坍塌等病害發育明顯。文章通過一年時間內運用常規監測的方式，對嘉峪關西長城（明墻段）的賦存環境、本體病害進行跟蹤監測調查，梳理、分析本體病害特征及危害性。

關鍵詞：嘉峪關;西長城;常規監測;病害特征;危害性

嘉峪關，明代萬里長城的西端起點。明王朝從洪武到萬歷朝的200多年間，為鞏固西北邊防，在嘉峪關兩翼及周邊修筑了由關堡、墻體、壕塹、烽燧等要素構成長城防御體系，其防御體系完整，本體類型豐富，地域特征明顯，“因地制宜、就地取材”特點突出，在西北土質長城中具有典型的代表性。

風沙、雨雪和急劇溫濕度變化的凍融等自然因素，會導致夯土墻體表面風蝕、片狀剝蝕、土質酥堿、裂隙發育、基礎掏蝕凹進、沖溝發育、生物侵蝕、坍塌等病害較多發生、發育。2013—2015年，嘉峪關長城本體保護工程實施時，針對上述病害進行了維修根治。目前，受氣候等外界因素影響，上述病害又有新的發生、發育。為摸清墻體病害發育主導誘因，發生、發育速度等特征，結合嘉峪關長城本體保護工程維修資料，2020年，嘉峪關長城保護研究所運用常規監測的方式，對嘉峪關西長城（明墻段）夯土墻體的賦存環境、本體病害進行為期一年的不間斷跟蹤監測調查，基本摸清了本體病害特征及成因。

1 嘉峪關西長城（明墻段）概況

西長城位于嘉峪關關城南北兩翼，南起討賴河北岸河沿，北至黑山南緣山腰處，全長13.24千米，是嘉峪關長城防御體系的重要組成部分。人們通常稱關城南面的長城為“明墻”（修筑在戈壁灘上，在關外可以看到，故稱為“明墻”），關城北面的長城為“暗壁”（靠近嘉峪山東麓，在關外因山塬阻擋無法看到，故稱為“暗壁”）。

西長城為嘉靖十八年（1539）兵部尚書翟鑾巡邊至嘉峪關，發現壕塹淤損，肅州兵備李函請議修筑長城，嘉靖十九年（1540）修建。《明世宗實錄》卷299載：“丙申，行邊使兵部尚書翟鑾言，嘉峪關最臨邊境，為河西第一隘，而兵力寡弱，墻壕淤損，乞益兵五百防守，并修浚其淤損者，任于壕內填筑邊墻一道，每五里設墩臺一座，以為保障，上從其議。”《肅鎮華夷志》又載：“嘉靖十八年七月，大學士翟鑾行邊時，肅州兵備李函既諸行邊執事，駐節嘉峪，閱視隘口，請議筑修邊墻以備西邊。翟公許可，越明春暮，遂議筑邊，南北與關相連。南自討來河，北盡石關兒，其延三十里。”①

西長城明墻段，南起討賴河北岸高達56米的懸崖峭壁之上，與討賴河墩相鄰，北至嘉峪關關城，與外城墻相連，全長7.5千米。長城資源調查資料顯示，西長城明墻段從南向北依次分為一墩長城、二墩長城和三墩長城dg 段，長城沿線修筑有一墩烽火臺、二墩敵臺和三墩敵臺。

長城墻體用黃土夯筑，土質以黃沙土和黃色膠土為主，夯土中分層間夾鋪設有礫石層，夯層厚0.13～0.18米，礫石層粒徑為0.05～0.30米，墻體底寬4米、頂寬1.80米、高0.60～4.70米，局部段頂部殘存女墻，厚0.60米、高0.50米。受風沙、雨水、凍融和急劇溫濕度變化等自然因素以及修建鐵路、管線橫穿、開挖便道等生產建設活動人為因素影響，三墩長城保存較好1041.70米，遺留722.85米，消失264.55米;二墩長城保存較好2203米，消失21米;一墩長城保存較好38米，遺留2069米，消失13米。

長城沿線的一墩烽火臺與墻體相鄰，相距1米，二墩敵臺和三墩敵臺依墻而建。三座臺體均為黃土夯筑，土質以黃沙土為主，平面呈正方形，剖面呈梯形，自下而上略有收分，高7.8～11米。

2 長城沿線區域賦存環境特征

2.1 區域地質特征

西長城明墻段沿線區域地處祁連山北麓討賴河南岸的祁連山地層結構延伸的嘉峪關—文殊山隆起地帶，第三紀至第四紀時期形成的嘉峪關斷層中段的逆斷層邊緣，三墩長城途經斷層陡坎，二墩長城東側緊鄰斷層陡坎。長城西側地勢平坦開闊，地貌景觀屬戈壁礫石地貌，植被脆弱稀疏。

2.2 氣候特征

嘉峪關市屬典型溫帶大陸性干旱氣候，氣候干燥，氣溫變化幅度較大，日照強，風沙多，降雨量小且蒸發量大。據2018—2019年的氣候數據統計，嘉峪關年均氣溫6.7～7.8攝氏度，年均降水量131.7毫米，蒸發量為2125.58毫米，夏秋季多東南風，冬春季多西北風，年均風速2.9米/秒，平常風力多為3～4級。①

2.3 人文環境特征

嘉峪關關城和南北兩翼長城（明墻、暗壁）地處嘉峪關黑山和文殊山之間最狹窄之處，自古以來是河西走廊重要的交通節點。西長城明墻段南北向橫跨東西交通要道，人文環境較為繁雜。西氣東輸、西油東輸、蘭（州）新（疆）鐵路、蘭（州）新（疆）高鐵、G30連（云港）霍（爾果斯）高速公路、312國道均東西向穿越西長城明墻段，長城第一墩景區在一墩烽火臺和一墩長城處建成并對外開放。

3 本體病害特征及危害性調查分析

2013—2015年實施嘉峪關長城本體保護工程時，西長城明墻段的表面風蝕、片狀剝蝕、裂隙發育、基礎掏蝕凹進、沖溝發育等病害得到了有效治理，但對于西長城明墻段這類以黃沙土和黃色膠土為主的土質長城而言，在嘉峪關戈壁地貌的自然環境下，風沙、雨雪和急劇溫濕度變化的凍融等自然因素，隨時會引起長城本體各類病害的重新發育。嘉峪關長城保護研究所經過一年多的時間對長城本體賦存環境和病害進行不間斷的監測調查，發現長城本體上重新發育的病害類型主要有片狀剝蝕、酥堿、掏蝕等。

3.1 片狀剝蝕

片狀剝離是西長城明墻段新發育的主要病害，在墻體和單體建筑夯土表面發育較多。發育特征為在墻體表面產生，呈鱗片狀分布，在風蝕和雨蝕的作用下進一步劣化，在重力作用下呈片狀或小塊狀剝離脫落（圖1）。此類病害成因主要是土體本身性質（土質成分和可溶鹽含量）與外界賦存環境影響下產生夯土表面疏松結殼，在風、雨等外力和重力影響下造成片狀或小塊狀夯土剝離脫落。其誘因為土體成分和可溶鹽含量的不均勻，長期在外界環境中受降水和蒸發循環影響，可溶鹽聚集和鹽分收縮，破壞了墻體表層土體的原結構。

西長城明墻段新發育的片狀剝蝕病害，主要是由于在保護維修時對夯土墻面采取了防風化處理措施，用噴灑或滴注PS液（一種高模數的硅酸鉀溶液）滲透加固的方式加固墻體表面土質，以提高土質強度，達到防止風化和雨蝕的效果。但在嘉峪關日照強、氣溫變化幅度較大等氣候條件的賦存環境中，隨著近年來降水量的增加，受風蝕、雨蝕、急劇溫濕度變化的凍融的熱脹冷縮等因素影響，誘發了片狀剝蝕病害的重新發育。

危害性分析：由于片狀剝蝕病害發生于墻體表面，起初對墻體穩定性危害較小，造成長城本體表面斑駁，影響長城外觀。但隨著病害的繼續發育，剝蝕深度的劣化加劇，將會影響到長城本體的穩定性。②

3.2 酥堿

酥堿病害主要分布在西長城明墻段墻體根部和維修夯補層與原墻體結合處。發育特征為從夯補層與原墻體的結合部向上在原墻體上發育并呈橫向帶狀分布，原墻體土體內部的鹽分析出結晶，造成土體疏松粉化（圖2）。酥堿病害成因主要是在水的作用下，引起土體內部的鹽分在土體表面富集并析出結晶，在膨脹、收縮的反復作用下，造成土體疏松。

西長城明墻段在實施保護維修時，對原墻體根部掏蝕病害部位進行了夯補加固，夯補用土采用添加新材料的改性土，提高了土體的強度和耐水性。墻體根部夯補加固后，夯補加固層土體強度大于原墻體，銜接處易出現干縮裂縫，外界水進入裂縫后，對改性土夯補層的危害較小，容易引起原墻體土體中的易溶鹽向表層富集析出結晶，誘發新的酥堿病害。

危害性分析：墻體和單體建筑根部是遺址安全穩定的關鍵所在，也是酥堿病害多發部位，地面水匯集侵蝕和冬季雪的堆積后的急劇溫濕度變化的凍融直接誘發墻體根部酥堿隨著病害的繼續發育和加劇，在風蝕作用下造成墻體掏蝕凹進，危及墻體的穩定性，最終引起墻體坍塌。

3.3 掏蝕

掏蝕病害是嘉峪關西長城明墻段新發育病害之一。發育特征為掏蝕病害多發育在墻體和單體建筑的東側面，在維修夯補層根部和維修夯補層與原墻體結合部呈橫向帶狀（圖3），深度為3～7厘米。此類病害成因主要是土體內的鹽和雨、雪、水、風、急劇溫濕度變化的凍融活動單獨或組合作用下不斷掏蝕凹進形成的。一是水的作用形成。水是造成長城墻體和單體建筑各類病害發育的誘發劑，對各類病害發育產生、發展、加劇起著至關重要的作用。降雨及長城周邊區域地面匯集水對墻體和單體建筑根部的沖刷和滲入，使表層一定深度內的夯土體含水率達到飽和進而迅速崩解，土體中的鹽分析出，誘發酥堿，在外營力的作用下形成掏蝕。二是急劇溫濕度變化和凍融作用形成。凍融是掏蝕病害發育的主導因素之一，嘉峪關晝夜溫差較大，冬季寒冷多降雪，冬季雪堆積在墻體和單體建筑根部，急劇溫濕度變化和凍融引起土體內鹽分在水的作用下發生運移，導致土體的不均勻收縮和酥堿疏松，在外營力的作用下形成掏蝕。三是風的作用形成。西長城所在區域的風攜帶有砂粒，攜沙風對疏松土體的撞擊磨蝕作用極大，攜沙風在墻體根部形成渦流對土進行磨蝕作用下非常容易形成單獨的風蝕凹進掏蝕。與此同時，風能加速了水和凍融引起的酥堿掏蝕的劣化加劇。

危害性分析：掏蝕病害的進一步發育，會造成墻體和單體建筑的根部掏蝕形成巨大的臨空面，降低墻體和單體建筑整體抗傾覆能力，較為容易發生夯土體分層墜落，引起墻體和單體建筑局部或整體坍塌。

4 結語

通過調查分析，對于極其脆弱的嘉峪關土質長城來說，長城周邊復雜多樣的賦存環境對長城保存狀況的直接影響較大，是長城本體病害形成、發育的誘發劑和助推劑。嘉峪關西長城明墻段在進行過保護維修后，治理解決了以前危及長城本體安全的各類病害。目前，受當地氣候環境等外界因素的影響，長城本體各類病害又開始重新發育，隨著時間的推移，各類病害繼續發育將會對長城本體安全造成威脅。

為此，對于嘉峪關的長城保護工作而言，開展預防性保護工作尤為重要，通過對長城的賦存環境、本體病害、安全措施進行日常監測，掌握賦存環境的變化和長城本體病害的成因及發育機理，運用科學精準的監測數據分析，量身制定合理有效的技術措施，及時開展日常性的保養維護，制止危及長城本體安全的病害發育蔓延。通過調控干預，最大限度抑制各種外界環境因素對長城本體的危害作用，阻止或延緩長城本體的最終劣化，真實、完整地保存長城承載的各類歷史信息，讓長城得到長久保存，使長城遺產的真實性和完整性得到延續。