敦煌寿昌城墙体表面风化特征研究

    孙满利 王 菲 王旭东 李最雄 郭青林

    内容摘要：通过对敦煌寿昌城遗址墙体表面风化特征的现场调查研究，从保护加固施工的角度出发，按照风化层厚度＼表面风化层密度、表面风化层整体均匀性以及风化层的结构等将表面风化层分为三个类型七种形式，并针对每一种形式，提出PS表面防风化加固的施工方法。这种分类研究有助于土遗址墙体表面防风化加固的科学化和推广应用。

    关键词：土遗址；表面风化；分类；寿昌城

    中图分类号：K853.4文献标识码：A文章编号：1000-4106(2009)06-0081-06

    一引言

    敦煌寿昌城位于甘肃省敦煌市西南70公里处的南湖乡四清村，西距古阳关遗迹约3公里，南距汉渥洼池5公里，是甘肃省重点文物保护单位。

    寿昌城汉代为龙勒县治，是敦煌郡所辖六县之一，北魏改立为寿昌郡，北周并人敦煌县，隋设龙勒府，唐武德年间又置寿昌县，属沙州郡，其间名称多经变更废复。该城盛唐时最为繁荣，延至北宋(1036年)曹氏归义军政权崩溃为止，后逐渐衰微。

    古城遗址平面呈矩尺形，东、西、北三面存断续残垣，南面仅留墙基，东墙似有瓮城残迹，城内流沙堆积。北墙长318m，东墙长294m，南墙长318m，西墙长294m，城堡面积8.35万m2，部分墙体被风积沙掩埋，地表可见城墙总长度291m；北墙长123m，东墙长103m，西墙长65m；城墙残高最高4.2m，上宽2m，下宽7m。城墙采用夯土版筑，经历两次大修筑，后期墙体为褐红色粉质粘土夯筑而成。粉质粘土含大量的粘土团块，形状不规则，直径大多在3～5cm左右。粉质粘土分选较差，含较多杂质如碎石等。夯层密实度较差，厚度为13cm左右。早期墙体由浅黄色粉质粘土或暗灰色粉土夯筑而成，夯层较密实，含杂质较少，夯层厚度5～10cm。

    敦煌位于蒙古高原和青藏高原之间，四周是以高山、沙漠、戈壁围绕的小盆地。它远离海洋，气候干燥，降雨量少，蒸发量大，昼夜温差大，多风多沙尘暴，是典型的极干旱大陆性气候。年平均降水量39.9mm，主要在夏季(6～8月份)，占63.9％，冬季只有7.5％；蒸发量2486mm，干燥度大于16，年平均相对湿度为32％。年平均气温为9.4℃，7月平均气温24.7℃，1月平均气温-9.3℃，气温年较差达34℃。敦煌常年多为东风和西北风，年平均风速达到3.5m/s，起沙起土风速为4.5m/s，大于5m/s的风每年达35d-148d，沙尘蔽日日数每年有20d～35d，年8级以上的大风日数高达19d。2002年5月5日最大风速达25m/s。

    土遗址墙体的表面风化是最主要的一种病害，防止墙体的表面风化是土遗址保护加固的重要内容之一，对土墙体表面防风化加固材料的研究更是近年来的热点，但大多没有经过工程实际检验，只有PS材料在西北干旱区土遗址得到了较大的应用。土遗址表面防风化施工的关键是如何保证加固材料的渗透性，而施工的工艺与表面风化层的特征关系密切，根据不同的表面风化特征选用不同的施工工艺是保证加固效果的关键。深入地研究土遗址表面风化的特征对于科学地加固具有重要的意义。

    二病害现状及分析

    寿昌城墙体的病害类型有片状剥蚀、淘蚀、裂隙(缝)及生物破坏，主要病害为雨蚀剥离、风蚀剥离和卸荷裂隙。

    (1)片状剥蚀

    墙体的片状剥蚀有两种形式：雨蚀剥离(图1)和风蚀剥离(图2)。

    

    (2)淘蚀

    寿昌城的淘蚀有两种形式：风力淘蚀(图3)和坍塌淘蚀(图4)。

    

    (3)裂隙(缝)

    寿昌城墙体的裂隙(缝)有两种形式：卸荷裂隙(图5)和建造工艺裂隙(图6)。

    

    (4)生物破坏

    寿昌城的生物破坏主要为动物破坏，主要是蜂巢。蜂巢较致密，坚硬。

    三表面风化特征及加固技术

    表面风化层的特征不同，PS表面渗透的工艺也就有很大差别的。考虑到不同施工工艺对表面风化加固适用性的不同，按照风化层厚度、密度、整体均匀性以及风化层的结构等，对风化层的特征进行分类研究。

    PS表面防风化加固主要有表面喷洒渗透和滴渗两种工艺。这两种工艺的选用主要与风化层厚度有关，因此，根据风化层厚度将表面风化层分为三种类型：风化层厚度小于1cm，风化层厚度在1-2cm，风化层厚度大于2cm。

    3.1风化层厚度小于1cm的

    寿昌城遗址墙体表面风化层厚度小于1cm的墙体主要有两种情况：墙体坍塌新鲜面，风蚀剥离面等。

    (1)坍塌新鲜面：墙体的坍塌经常发生，一些墙体坍塌的新鲜面，表面风化层厚度较薄(图7)，土性为浅黄色粉土，含沙量较大，颗粒间胶结程度差，夯筑较密实，夯层明显，表面整体性好，均匀性好。图7的左半部分，坍塌时间为1年左右，表面基本无风化；图7的右半部，坍塌时间稍长，表面略有风化，风化层厚度小于3mm。对于这种病害，采用PS表面喷洒渗透1至2遍，即可完全达到加固要求。

    (2)风蚀剥离面：风化层厚度小于1cm的，基于土的性质不同，分为三种类型。

    

    ①土性为浅黄色粉质粘土，夯筑密实，表面较致密，整体性好。风化疏松层已经被风吹蚀脱落，基本无残留，表面平整，均匀性好(图8)。该类病害可采用PS喷洒一遍，即可达到加固要求。

    ②土性为褐红色粉质粘土，夯筑较密实，夹有大量粘土块，因此均匀性较差，表面较致密。风化疏松层已经被风吹蚀脱落，基本无残留，表面整体性较差，比较破碎，粘土块突出墙面，墙面凹凸不平(图9)。该类病害可采用PS喷洒二到三遍，方可达到加固要求。同时应注意对突出的粘土块的加固，防止土块整体掉落。

    

    ③土性为浅灰色粉土，含沙量较大，夹有少量砾石，夯筑较密实，颗粒间粘结力较弱，易风蚀。风化疏松层已经被风吹蚀脱落，仅少量残留(图10)。该类病害可采用PS喷洒二到三遍，方可达到加固要求。

    3.2风化层厚度在1-2cm的

    (1)土性为浅灰色粉土，比较致密，夹有大量小砾石，砾石颗粒小的1-2栅，大的5mm。表面呈小片状剥离脱落，薄片厚约1-2cm，表面疏松破碎，土颗粒胶结性差，层薄，分层剥落，剥落特征明显(图11)。该类病害加固保护难度较大，由于剥离小片和母体之间往往存在裂隙，而且裂隙间多充填粉细沙，致使加固时上层薄片很难和母体很好地连接。可采用PS多遍喷洒渗透，并用小竹木锚钉固定。

    

    (2)土性为褐红色粉质粘土，夯筑不密实，表面破碎疏松，有许多粘土块的突出体，颗粒间胶结程度差，整体性差，均匀性差，主要出现在褐红色粉质粘土夯筑的墙体上(图12)。此类病害可采用PS表面喷洒渗透和滴渗综合处理，并采用小竹木锚钉将突出的小块体进行固定。

    

    3.3风化层厚度大于2cm的

    (1)土性为褐红色粉质粘土，杂质较多，夹有

    大量粘土块和碎石，夯筑不密实，夯层明显，颗粒间胶结程度差。风化层疏松。表面破碎粗糙，整体性差，均匀性差(图13、图14)。此类病害由于表面破碎，滴渗成孔困难，加之粘土块的作用，渗透性较差，因此，必须采用先喷洒PS渗透固定表面，然后采用滴渗加固，最后还应喷洒渗透处理，以便增强渗透均匀性。

    

    (2)土性为浅黄色粉沙土，含沙量较大，夯筑不密实，表面疏松，不均匀，破碎严重，颗粒间胶结性差。有些表面疏松层可达5-10cm(图15)，一些表面原有一层薄壳，大部已经脱落(图16)，其下疏松层为粉沙土，厚度可达10cm。此类病害可采用PS喷洒渗透和滴渗综合加固，先对表面喷洒渗透1-2遍，然后钻孔滴渗。

    (3)遗址墙体表面形成硬壳，密度、厚度不一，主要有四种形式。

    ①遗址墙体表面形成一层硬壳，表面致密坚硬，厚度在1-2棚，为一整体，且整体性好，均匀性好，土性为暗灰色粉土，夯筑密实，硬壳下部疏松(图17)。可采用钻孔滴渗加固。

    

    ②遗址墙体表面形成一层硬壳，厚度在1-2mm，较致密，风化层呈块体开裂，厚度约5-10cm，部分脱落(图18)，有的与墙体脱离，无充填物(图19)。此类病害可采用钻孔滴渗和小竹木锚钉锚固相结合的方法进行加固，同时对裂隙进行灌浆处理。

    ③土性为褐红色粉质粘土，表面有一层硬壳，较致密，厚度1-2mm。风化层厚度在2-5cm，部分开裂脱落，整体性差，其内部疏松破碎，表面粗糙，均匀性差(图20)。此类病害可采用钻孔滴渗和锚钉结合进行加固。

    ④遗址墙体表面有密集蜂巢，其风化层较厚，表面粗糙且坚硬，整体性好，均匀性较好。蜂巢可保护墙体内部不被风化，然而由于表面坚硬，一旦脱落就为大块体脱落(图21)。此类病害可对蜂巢下部适当滴渗加固，主要应采用锚钉技术防止硬壳大块掉落。

    

    (1)寿昌城墙体的病害类型有片状剥蚀、淘蚀、裂隙(缝)及生物破坏。其主要病害为雨蚀剥离、风蚀剥离和卸荷裂隙。

    (2)从保护加固的角度出发，按照风化层厚度、表面风化层密度、表面风化层整体均匀性以及风化层的结构等四个方面，可将表面风化层分为三个类型七种形式。

    (3)针对每一种表面风化的形式，可以分别采取不同的加固工艺，主要的技术手段有PS喷洒渗透、滴渗和小竹木锚钉锚固等。

    (4)土遗址表面风化层特征的研究才刚刚起步，还不够系统，分类还不够科学，随着研究的深入，在大量调查的基础上，可以建立表面风化层不同类别与相应加固工艺的对应关系，有助于土遗址保护加固的科学化。