肇慶古城墻修繕工程中的防、排水做法探索與檢驗分析研究

王 帥，陳竹茵，張 榮，雷 嫻，安 程

（1.北京國文琰文化遺產保護中心有限公司，北京 100192；2.中國文化遺產研究院，北京 100029）

肇慶古城墻位于廣東省肇慶市端州區老城區。始建于宋，距今已有1 000多年的歷史。城墻保存較為完整，平面呈長方形，周長約2 800 m。城墻內外兩側皆包磚，內芯填土。包磚自下而上逐層向內收分，上部厚0.5～0.6 m，下部厚1.3～1.5 m。經過歷代修繕，城墻上留存由宋至今不同時期的城磚，相互混雜（圖1）。

圖1 保護工程實施后的肇慶古城墻俯瞰（來源：刁崢攝）

肇慶在歷史上長期是兩廣地區的政治中心，其古城墻是肇慶古城最重要的歷史見證，位置和格局基本保留宋代始建以來的原始形態，是研究我國古代邊城規制的重要例證。經過明清等歷代修繕，城墻上保留了不同時期、不同規格的城磚及銘文磚（圖2），見證了肇慶古城自宋代以來發展變遷。此外，肇慶古城墻還是中國宋代以來筑城及修繕技藝、城墻防洪體系發展水平的重要實證。

圖2 城墻上的銘文磚（來源：作者自攝）

肇慶古城墻保護工程從材料的分析、研發、構造的優化解決城墻保護中最為棘手的防排水問題以及從檢測分析方面進行探索，提升了文化遺產保護的科學性研究與管理。本文期冀通過對材料的檢測和構造做法的研究探索，為同類項目實踐提供一些修繕保護方面的借鑒。

1 城墻建造特點

圖3 南城門月城隔墻示意圖（來源：作者自繪）

城墻平面大致呈矩形，據記載，城垣周八百七十一丈（1丈≈3.333 m），高二丈，厚一丈，但由于城墻實際隨地勢進行適應性調整，且歷史上經多次重修加高增厚，城墻高寬并不統一?，F狀城墻各段高度為6.5～10.0 m不等，城墻豎向坡度角絕大部分在16°～19°之內[1]（圖4），基本符合邊城規制②南宋梁克家《淳熙三山志 卷四 地理四》載：“諸司以元豐法，邊城高二丈，廣加四分之一，殺其半為之上?！睋藬祿芍?，邊城豎向坡度介于17°～18°之間。，與北方官式城墻相比，坡度較大。大坡度的做法通過包磚“露齦造”（圖5）實現，城墻內外包磚皆逐層向上收分，每層內收1.0～1.5 cm，形成上窄下寬的堅固防護層。

圖4 南段城墻坡度（來源：作者自攝）

圖5 城墻“露齦造”（來源：作者自攝）

以城墻斷面形成的梯形對城墻的抗滑移穩定安全系數進行計算，與現今堤防建筑所要求的抗滑移穩定安全系數相趨近[2]，說明城墻的建造宜于防洪防災。另外，為防止洪水災害，城墻在建造形態上也進行了局部調整，“在城東南河道水網交匯處，為避免洪流沖擊，將城墻及東門月城向內凹入，做以90°弧形折角形式，以順應從東南繞城而來的洪水流勢”[3]（圖6）。

現場踏勘及結構檢測發現，肇慶古城墻采用的是內筑土墻、兩側包磚的結構形式，與北方城墻夯土版筑、單側包磚的做法有很大差別。肇慶所處地區雨水充沛，土體受雨水沖刷不易保存，城墻兩側皆包城磚可能出于此考慮。

歷代的城市建造活動使城墻周邊地坪升高，城墻底部排水系統不存，民國時期為避免城墻底部受雨水侵蝕，在城墻南段外側增設三合土護腳（圖7），對城墻起到了很好的保護作用。

2 城墻保存狀況與病因分析

保護工程開始前，項目組對肇慶古城墻進行全面的現場勘察，城墻整體保存較為完整，但城墻各段落存在不同程度的殘損，較為突出的病害類型為：灰漿缺失、鼓閃、開裂、坍塌與生物侵害（圖8）。

通過現場實地勘察發現，城墻存在的殘損問題，按成因可分為2類。

第一類是來源于自然因素的威脅。城墻受自然風化、風雨侵蝕，使得外包磚勾縫灰漿逐漸剝落，城磚較為松散；加上頂部海墁缺失，排水不暢，水分侵入城墻內部，內部土芯鼓脹、沉降，導致城墻產生鼓閃、開裂、坍塌等殘損問題。

第二類是人為干預對城墻的保存狀況產生不利影響。由于年久失修，城墻頂面鋪磚損毀、缺失。1996年，為保護城墻不受雨水侵蝕，于城墻頂部鋪設現澆混凝土防滲層，短時間內改善了城墻頂部的排水問題。但后期混凝土防滲層開裂，且頂面與兩側墻體交接處存在縫隙，不僅無法起到防滲的作用，反而導致雨水灌入城墻內且水分不易排出。

城墻整體保存狀況較差（圖9），部分段落存在較大的安全隱患，每遇雨季都會出現局部段落坍塌的現象，當地文物保護部門的一項重點工作即為對城墻坍塌段落進行搶險加固。

圖9 結構穩定性分析（來源：作者自繪）

搶險加固只能臨時性地維持城墻結構穩定和人身安全，無法從根本上解決城墻的結構穩定性問題。根據勘察研究發現，城墻產生的多種病害，都源于水分的侵蝕。因此解決城墻的防、排水問題是排除城墻安全隱患的重點內容，采用合適的材料與構造，是解決防、排水問題的關鍵所在。

由此，項目組對肇慶古城墻現有材料進行檢測分析，在城墻不同部位對城磚、內部土芯、勾縫灰漿、城墻護腳等材料進行取樣，分析各材料的物理性能、主要成分及配比，用以判斷現狀所用材料能否滿足防、排水要求或足以維持城墻的穩定性，同時對材料的檢測還可以用以指導修繕設計材料的選取。

3 城墻材料的檢測

3.1 材料檢測

3.1.1 城磚

城墻經過歷代修繕，保留不同時代、不同尺寸的城磚多達數十種，現場勘察時對城墻包磚的尺寸進行統計，表1列舉了較為典型的尺寸。根據測量選取適當的尺寸燒制城磚，用于城墻的補砌。

表1 現狀城墻包磚砌筑方式

我們還在現場使用測磚回彈儀（型號：ZC4型）對肇慶古城墻砌筑用磚強度進行抽樣檢測。

抽樣檢測對象為干燥、平整的條面且是宋代、明代、民國時期城墻砌筑用磚，每個年代砌筑用磚各抽檢10塊，所測宋代砌筑用磚回彈平均值約59，最大值為65，最小值為44；所測明代砌筑用磚回彈平均值約45，最大值為54，最小值為40；所測民國時期砌筑用磚回彈平均值約43，最大值為50，最小值為36③檢測結果中的回彈值為該砌筑用磚側面的硬度代表值，并非該砌筑用磚的抗壓強度值。。

以明代砌筑用磚回彈平均值45為例，按《砌體工程現場檢測技術標準》（GB/T 50315—2011）第14節燒結磚回彈法及第15節強度推定中燒結普通磚測強公式換算，抗壓強度約為21.8 MPa。由于宋代城磚回彈值超出該公式范圍，此強度值僅作為強度數量級的參考，用以比較城墻用磚強度以及修繕工程中新燒制城磚的強度參考。

從檢測結果可以看出：肇慶古城墻的城磚具有較高的強度，除了磚的燒制工藝外，氣候條件是城磚歷經百年甚至千年仍保持高強度的關鍵因素。肇慶所處地區氣候溫暖，城磚不易發生熱脹冷縮及凍融現象，繼而引發城磚酥堿，這與北方城墻下部城磚存在大面積酥堿有明顯的差異。

3.1.2 內部土芯

項目組對城墻土芯取樣后進行了土樣的物理性質（表2）、填土成分的定性定量分析。實驗表明：城墻沒有使用真正意義上的夯土，用土主要以雜填土為主，用灰量較低，均不超過15%，大部分小于10%。墻內土體的塑限為21.8%，夏季多雨時，城墻填土含水率已經逼近塑限，導致城墻強度下降。這便是城墻鼓閃現象嚴重、在雨季易發生坍塌的主要原因，為保證城墻的穩定性，修繕中需特別注意防、排水系統的建立，避免水分滲入土芯內部，致使土芯鼓脹引發城墻坍塌。

表2 填土取樣試驗結果

3.1.3 灰漿

灰漿的定性分析、固化情況檢測、用灰量檢測等實驗（表3）結論為：城墻各部位磚縫所用灰漿材料配比差異較大，是城墻不同時期多次維修所致。肇慶城墻內填土用灰量很低，耐水性較差，密實的勾縫灰漿能阻止流水大量滲入內部填土，故勾縫灰漿在實際使用中一定程度上起到了城墻防水的作用。但多雨氣候導致勾縫灰漿大量流失，進一步加劇了水分對城墻的侵蝕。因此勾縫灰漿的有效性對城墻內部填土的保護有重要意義，在修繕中需特別關注勾縫灰漿配比和使用。

表3 石灰XRD分析數據表

3.1.4 三合土

我們使用卡斯騰瓶法對城門三合土進行吸水率檢測，平均值為0.002 8 g·cm-2·s-0.5。根據德國工業標準DIN52617[4]，可按照毛細吸水系數將礦物材料分為4級：不透水、憎水、厭水和透水，參考標準如表4。實驗結果根據德國標準換算，城門三合土毛細吸水系數為1.68 kg·m-2·h-0.5，符合厭水標準，說明城門三合土具有很好的防滲性能，可作為防水層使用。

表4 德標毛細吸水系數分級 單位：（kg·m-2·h-0.5）

另外，通過X射線衍射分析可知：南城門月城護腳與護坡三合土均添加了較高含量的石灰，其中三合土護腳用灰量明顯高于護坡，達到38%，從保存狀況來看，護腳開裂、粉化和溶蝕破壞都比較少，抗風化能力及物理性能都比較優越，故城墻保護材料可沿用傳統的三合土做法。

3.2 小結

材料的檢測分析，與宏觀勘察結論相印證，由于水分侵蝕使勾縫灰漿缺失、城墻內部填土含水率較高，對城墻的穩定性造成較大影響。實驗結論說明：防、排水系統的建立對于城墻的安全和穩定具有至關重要的意義，為后續的修繕設計指明了方向，同時為修繕工程提供了科學定量的基礎數據，通過實驗數據來調整灰漿、三合土的成分和配比，可充分提高修繕工程的有效性。

4 防、排水的做法探索

保護工程以現場勘察和實驗檢測分析為依據，以“不改變文物原狀”“最小干預”為原則，盡可能真實完整地保存肇慶古城墻的歷史信息，修繕設計的主要策略是對修繕材料進行優化，同時調整城墻的防、排水系統。

4.1 材料的優化

根據對材料的實驗分析，我們在修繕設計時對灰漿、三合土等材料的成分和配比進行研究，以提高材料的有效性。

4.1.1 灰漿

現場勘察時發現：城墻勾縫灰漿流失現象較為普遍，且城墻內部土芯用灰量較低，耐水性較差。為改善這種情況，根據使用功能的差異，分別對2種灰漿提出性能要求。

為確保勾縫灰漿不易流失、開裂，需要勾縫灰漿具有一定的抗壓強度，且抗拉強度要求稍高，施工收縮性小，表面不易干裂；與城磚具有較好的粘結性，吸水后膨脹率小，且在干濕循環下具有較好的性能。砌筑灰漿同時作為灌縫修補材料，要求干縮率低、具有良好的和易性和透氣性。

方案設計中，我們以上述要求為原則對灰漿材料進行改進，選用水硬性石灰作為勾縫灰漿和砌筑灰漿的主要材料。水硬性石灰孔隙率大、收縮變形性小，且具有良好的透水性及透氣性，以及較強的水穩定性、耐溫濕度循環變化的影響。因此項目組以水硬性石灰作為主材，并通過實驗室實驗確定材料配比（圖10），以滿足2種灰漿的使用要求。

圖10 實驗室材料研發（來源：肇慶古城墻修繕項目組）

根據實驗得出宜選用的灰漿配比（表5、表6）。

表5 勾縫灰漿配比

表6 砌筑灰漿配比

然而，在工程開展前的技術交底環節，施工方建議通過改進傳統灰漿的配比以滿足設計要求，在灰漿中添加草紙、糯米、粗鹽、黃糖等改性材料，同時提高石灰的配比，來提升灰漿的性能。

草紙、糯米、粗鹽、黃糖均為傳統灰漿發制常用改性材料：草紙為灰漿引入纖維，利用纖維降低灰漿收縮性[5]；已有研究證據證明：諸如糯米、糖類、蛋白等生物材料能夠一定程度上對石灰產生減水、加氣等作用，同時通過有機分子調控作用誘導灰漿結晶過程，達到改善灰漿性能的作用[6-7]；粗鹽的添加有助于提高灰漿的抗壓強度、表面硬度和耐水性[8]。

經多方協商，決定由施工方在現場進行灰漿材料的試配，根據結果再確定使用哪種灰漿材料。施工方首先以當地傳統工藝做法初步確定沙、石灰和水的配比，然后對各類改性材料的種類與添加量進行調整，通過制作多種比例的試塊對比，選取能夠滿足勾縫、砌筑等不同功能需求的灰漿配比。現場確定的勾縫灰漿配比為：沙:石灰:水:草紙:糯米:粗鹽:黃 糖=30%:50%:10%:6%:2%:1%:1%；砌 筑灰漿配比為：沙:石灰:水:草紙:糯米:粗鹽:黃糖=40%:40%:10%:6%:2%:1%:1%。

對改進后的傳統灰漿試塊進行吸水率、抗壓強度及抗折強度檢測，與實驗室研發材料進行性能比較，發現改進之后的傳統灰漿強度低于實驗室研發灰漿，但能夠基本滿足設計中提出的性能要求。以尊重傳統、保持地方風格為原則，項目組放棄了實驗室研發的水硬性石灰作為灰漿主材料的方案，采用傳統改性灰漿作為城墻的勾縫和砌筑材料，此方式既可延續傳統工藝做法，同時還節省了施工成本。

4.1.2 三合土

鑒于三合土優良的抗風化性能和抗滲性能，在方案設計中，除用于城墻護腳的修補（圖11）和砌筑外，護腳外的散水也沿用三合土鋪設（圖12）。另外，還將三合土用于城墻頂面的鋪設中，作為補強和防滲墊層對城墻頂面進行加固。以實驗檢測結果為基礎，將三合土中石灰的配比適當提高，以提高三合土的強度和抗風化性能。

圖11 城墻內側三合土護腳（來源：作者自攝）

施工準備階段的三合土試打表明：除配比之外，其夯筑工藝也對三合土的性能產生很大影響。于是在施工中使用傳統工藝夯筑三合土的同時，根據夯筑部位的不同，對工序和夯筑工藝進行調整。

海墁下三合土墊層的夯筑方式為：將黃泥、石灰、沙3種材料按比例拌和后，攤鋪于城墻頂面進行初打，每次攤鋪厚度不超過10 cm，且每次夯實長度不超過3 m。由于夯打時土體會向兩側擠壓，因此夯打時由兩側向中間進行，有利于土體更好的結合；另外，分層及交接口注意交叉錯縫，以避免形成通縫造成水分下滲。

三合土護腳的夯筑方式為（圖13）：三合土經過拌和、攤鋪后，使用木錘初打至內部土層夯實、表面平整，再使用木耙反復拍打至表面起膠不見裂痕；夯打至一定階段后，對護腳形狀進行修整；然后用布遮蓋護腳，每天適量淋水養護，繼續拍打，直至不再出現裂痕為止。為保證三合土具有高強度、不開裂，養護的時間應長達半年甚至更久。

圖13 三合土護腳夯筑（來源：河南東方文物建筑監理有限公司、羅定市第四建筑工程公司）

4.2 防、排水構造做法設計

為了更好地解決城墻防水問題，除對材料優化之外，我們還對肇慶古城墻頂面及底部構造做法進行研究調整。

4.2.1 城墻頂面做法

城墻頂面的海墁層缺失，現狀為無組織排水，為保證城墻排水順暢，文物本體不被水患侵擾，城墻頂面的排水設計十分必要。肇慶氣候溫暖濕潤，降雨量大，缺失海墁的土芯頂面無法抵御雨水的侵蝕，頂面海墁層的鋪設是防、排水的第一步。

這點與北方城墻修繕中頂面的處理方式有較大差別，首先北方城墻土芯為夯土版筑，強度和耐水性高于雜填土；另外，北方的降雨量相對較小，修繕時在頂面補夯灰土的做法基本就可以滿足城墻頂面的防水的需要，故無須過多干預對缺失海墁的頂面進行大規模鋪墁。

頂面做法根據現存南城門月城海墁鋪裝方式（圖14），恢復城墻頂部城磚海墁，采用側磚立鋪，并由中間向兩側放坡。

圖14 南城門月城海墁（來源：作者自攝）

然而肇慶市累年月平均降水量均高于30 mm，最高月平均超過280 mm，在此氣候條件下城墻頂面鋪磚的做法無法保持城墻頂面及內部完全干燥。結合當地的氣候條件，因地制宜的解決方式是：在海墁下設灰漿層、三合土墊層，以提高海墁的防水性能。3層的頂面構造保證城墻內部土體能夠將濕度維持在一定范圍內，避免因含水率過高導致強度下降，或含水率過低土體干縮開裂。

降水時，鋪磚海墁將雨水快速導向兩側，同時適當的吸收部分降水，灰漿層通過海墁灰縫吸收部分水分儲存在高砂含量的灰漿中，三合土通過灰漿層吸收一定水分產生微膨脹，阻擋水分進一步下滲；無降水時，灰漿層將吸收儲留的水分緩慢釋放，保證三合土層維持一定濕度，避免干裂導致隔水功能喪失。

另外，由于城墻海墁以上部分皆已缺失，排水溝和排水口做法參考周邊地區其他城墻進行設計。在城墻頂面兩側設排水邊溝，雉堞宇墻下設排水口，保證頂面雨水順暢排出。排水邊溝底兩側使用石灰漿抹角，避免水分通過磚縫下滲。同時，排水邊溝鋪磚應搭接于城墻包磚之上，這樣可以防止在城磚與土體交接處形成通縫，雨水沿縫隙直接下滲（圖15）。

圖15 城墻頂面排水溝 （來源：李松波繪）

關于排水口的設置，周邊城墻現狀和肇慶古城墻歷史照片中皆無向外挑出的排水口，故修繕中未對排水口設置挑出構件。雨水對城磚的沖刷是此類城墻普遍存在的問題，如何解決這一問題值得我們思考。

4.2.2 城墻底部構造做法

由于地坪升高，城墻基礎被掩埋；民國時期為防止水分滲入城墻底部，在城墻南段外側增設三合土護腳，高出地坪80 cm左右。而目前民國時期的三合土護腳也有部分低于城市地坪。

為保證城墻底部排水順暢，修繕中首先清理城墻底部及周邊的雜草和垃圾，適當降低城墻外側地坪，根據道路實際狀況露出三合土護角50～80 cm。除此之外，在城墻護角外做三合土散水，便于城墻底部排水的同時留出安全距離；城墻周邊城市地坪較高處，在散水外設排水溝，與市政排水管網相接，以免雨水倒灌至城墻底部（圖16）。

圖16 城墻底部排水做法（來源：李松波繪）

城墻護腳、散水、排水溝三者結合設計，將雨水排向城墻兩側，有效解除了城墻底部的水患。

5 實施效果的檢測分析

工程實施完成后，為考察城墻頂面海墁的防、排水性能，項目組在城墻上選取實驗點對工程實施效果進行檢測（圖17）。選取的實驗點為工程實施完成1年以上和6個月以上的2個部位。

圖17 海墁防、排水效果的檢測（來源：李松波攝）

檢測方式是：第一步將城墻海墁進行局部分層揭露，首先對各層進行觀感探察：城磚、灰漿層、三合土各層無裂縫及滲漏現象，且鋪設的各層達到了設計的厚度要求。

第二步現場分層檢測，使用卡斯滕瓶法對城磚、灰漿層、三合土進行表面毛細吸水率檢測。實驗數據見表7。

表7 城墻海墁各層毛細吸水率檢測數據 單位：（g·cm-2·s-0.5）

檢測結果表明：海墁灰漿層完全透水且孔隙率較高，有一定蓄水能力；城墻磚吸水率中等；三合土層吸水率較低。肇慶城墻的磚—灰漿—三合土3層結構構成了有一定水分調節能力的頂面保護層—磚吸收部分水分，灰漿層吸水儲濕，三合土隔水。降水時，通過3層構造阻擋水分進一步下滲；無降水時，構造層水分逐漸蒸發，維持一定的濕度，避免干裂導致隔水功能喪失。

第三步三合土吸水率的實驗室檢測。將養護后的三合土取樣進行實驗室表面吸水性（單面吸水率）檢測，以實驗室吸水率檢測作為對原位吸水實驗的驗證。三合土烘干后進行測定，實驗結果見表8。

表8 三合土吸水率

實驗表明：養護后的三合土烘干在單面吸水60 min后平均線性膨脹率約1.35%，同時，實驗中發現，20 min后吸水速率逐漸降低，說明三合土在潮濕情況下出現微膨脹，吸水速率降低，起到了一定阻水作用。

通過3步實驗檢測結果可知：修繕方案中的防排水構造設計和材料運用能保證雨水有效排出城墻，工程實施后的海墁層能夠達到比較好的防、排水效果。

6 保護實踐的收獲與思考

肇慶古城墻修繕保護工程以改善城墻防、排水為主要策略，從材料的分析研究和防排水構造做法入手解決城墻安全性問題。從古城墻的修繕效果來看，修繕方式是行之有效的。古城墻的保護實踐給我們帶來一些收獲與思考。

（1）選取合適的修繕材料。方案設計階段，根據現場勘察和材料分析檢測結果，項目組對灰漿材料進行改進，采用水硬性石灰作為灰漿主材進行研發。但施工方建議，可對傳統材料進行改進，以滿足設計和使用要求。通過實驗和檢測，最終確定將改進后的傳統材料作為修繕中加固和砌筑材料，既滿足了設計要求，延續了傳統工藝，同時節省了施工成本。新材料的研發雖然能夠更好地實現防水、不易開裂等性能，但對于文物保護工作來說，尊重地方傳統、使用傳統材料具有更重要的意義。

（2）不改變文物原狀與構造調整。項目中對于構造的調整是“最小干預”原則和城墻防、排水系統建立兩者平衡的結果。為保證城墻的安全和穩定，防、排水系統必不可少。同時，以不改變文物原狀為原則，構造的調整方式以城門遺址保留的遺存為參考依據，恢復其海墁以及護腳外的散水做法。

（3）實驗檢測在項目中扮演了重要角色。修繕工程中實驗的檢測為保護項目提供了精確的數據支撐?？辈祀A段的材料檢測分析通過對城墻所用材料進行取樣檢測，以數據的形式較為精確地闡述了各種材料的特性，與宏觀勘察結論相互印證，明確城墻殘損形成的內外因素，為修繕設計提供了基礎數據。

項目完成后通過實驗檢測實施效果是修繕工程中的一次嘗試。修繕完工后，城墻頂面防、排水構造是否真正有效，一度遭到專家和管理者的質疑，為回應這些疑問，項目組對城墻頂面進行局部分層揭取檢測，這種方式不僅驗證了設計方案的可行性，也對工程質量是否滿足工程目標、符合設計要求進行檢測，起到了材料驗證以及對施工質量的監督作用。此次嘗試給我們一定的啟發，實施后的效果檢測可以根據不同修繕項目自身的特點而開展，作為竣工驗收前的自檢，通過檢測發現問題、總結經驗，進而對工程進行整改，通過此方式可以更為有效地提高設計及施工水平。

貫穿于肇慶古城墻保護修繕工程全過程中對材料與構造的分析、優化與質檢，是整個保護工程質量的保證，為修繕材料的選擇提供了科學定量的依據，對構造做法能否滿足使用要求提供了嘗試性的檢測手段，提升了文化遺產保護的科學性研究與管理，是文化遺產保護工程科學化控制的實踐與探索。