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潮湿环境黏性土地区考古现场地下水控制试验研究

范文

张明泉郭青林杨善龙杜韶光马宏海刘衍王小娜

内容摘要：针对黏性土地区考古现场地下水排水困难的问题，采用了构筑人工填砂导水排水沟的方法，在考古探方周边形成导水排水体系。现场模拟试验证明，该方法不仅能够排除黏性土中的地下水，而且能够隔断毛细水运动，从而有效控制地下水位，防治考古探方渗水，保障考古工作顺利进行。该方法同样可用于潮湿环境地下水浅藏地区的遗址保护和陈列馆渗水防治。

关键词：潮湿环境；黏性土；考古；地下水

中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2016）02-0095-05

Abstract： This study aims to solve the problem of underground water drainage happening in archaeological sites in cohesive soil regions. The method is to build drainage ditches artificially filled with sand so as to form a drainage system surrounding tombs under excavation. Experiments show that this method is useful for the discharge of underground water from cohesive soil and the obstruction of capillary action， which will efficiently control the underground water level and protect the tomb from water seepage， thus ensuring the proceedings of archaeological work. The same method can be used in the shallow underground water of humid environments， not only for the conservation of ancient sites， but also for preventing seepage in galleries.

Keywords： humid environment； cohesive soil； archaeology； underground water

引言

在我国长江流域的下游地区，人口分布比较密集，大小城市星罗棋布，社会发展历史悠久，人类活动留下了众多的遗迹。这些遗迹记录着人类发展的历史过程，记录着古代人类生活生产方式，记录着当时的生产力发展水平，记录着科学技术的发展过程，也记录着自然环境的演化过程[1]。其内容博大精深，是中华文明探源工程[2-5]的重点区域。这类地区的自然环境相对优越，地势宽广平坦，以平原和缓坡丘陵为主要地貌形态，大气降雨量比较充沛，河流湖泊发育，地表水、地下水资源丰富，土壤以河湖沉积物为主，黏性土分布面积广，植被覆盖度高，物产丰富。从环境干湿度来讲属于潮湿地区或潮湿环境[6-7]。

在潮湿环境开展考古发掘，往往受到渗水和积水的干扰，严重时甚至造成水灾[8]，使考古发掘难以进行。为此人们首先想到的办法是在考古挖坑中一边排水一边发掘，但这样往往会使发掘坑变成泥坑，不仅增加了考古发掘的难度，而且对土遗址文物造成损坏，丧失许多有价值的信息。人们也试想采用在发掘探方周围打井排水的办法来降低地下水位[9]，但是，黏性土地层的弱透水性特征，使得打井排水不能奏效[10]，就是在边长5m的探方周围打上4眼水井，也不能控制地下水位，也不能阻止黏性地层中地下水在探方缓缓渗出。可见，防治考古发掘坑中的渗水是潮湿环境黏性土地区考古现场面临的一个重要问题。

为解决黏性土地区考古现场渗水困扰的难题，保障这类地区考古发掘工作顺利开展，遏制地下水对遗址，尤其是土遗址发掘的影响，为这类地区文化遗产的研究和保护消除不良环境危害，我们经过几年的调查研究，运用水文地质学理论和方法，设计了人工填砂沟导水排水方案，并经过实地现场试验，证明该方案能够有效地排除黏性土地层的地下水，降低考古现场周围的地下水位，同时能隔断黏性土中的毛细水运动，从而有效遏制或消除考古探方渗水问题。

1 试验部分

1.1 试验设计

试验场地选择在位于长江下游的浙江省科技考古与文物保护技术研究试验基地，该区为潮湿环境黏性土地层分布区，地下水位埋藏深度小于1m。在这里选择一块平地，按照1984年文化部《田野考古工作规程（试行）》通常的田野考古发掘坑的面积大小[11]，布置5m×5m的考古探方，探方四边向外扩1.0m形成7m×7m的正方形，再向外扩1m形成9m×9m的正方形。然后在最大正方形的三个内角和一边中间的内侧各布置井孔（图1a），井径0.3m，井深要求超过考古探方深度0.5m—1.0m。4眼井均按抽水井要求成孔。成井以后，待井中水位稳定后观测其静水位，确定考古现场地下水位的埋藏深度。然后选取其中1眼井为抽水井（1号井），其他3眼井为观测井，进行抽水试验和水位恢复试验。水位观测采用地下水位记录仪，记录间隔设定为10秒；如果用人工观测，时间序列设定为：10秒、20秒、30秒、1分、1分30秒、2分、3分、4分、5分……直到水位降到井底。抽水停止后的水位恢复观测时间序列与上述相同，直到水位恢复到原始水位（静止水位）。

场地原状黏性土地层抽水试验完成以后，沿9m×9m正方形边线内侧开挖宽1.0m、深度超过考古探方设计深度0.5m的沟槽，充填透水性能好的砂砾（卵）石，临近地面0.2m填上原状黏土层，与原来地面保持一样（图1b）。这样用人工充填的透水层将原先打成的4眼水井联通起来，形成闭合的填砂导水沟。填砂导水沟施工完成，待井中水位恢复到静止水位，再次进行抽水试验和水位恢复试验，抽水井、观测井的布置与观测方法与第一次试验相同。

对比分析填砂导水沟建成前后的两次抽水试验结果，验证填砂导水排水沟设置的作用，验证该方法对考古现场地下水的控制效果。

1.2 黏性土原状地层中的抽水试验

2014年6月20日试验工作人员进入模拟考古现场场地，按上述规则布置了地下水抽水试验场地及井孔位置，聘请当地打井队钻进，7月2日成孔。随后连续3天观测各井水位，待地下水位稳定后，测定了各井的地下水静止水位，确定了试验场地地下水位埋深约0.6m。随后以1号井为抽水井，其他井为观测井，于7月6日做了场地原状黏性土地层地下水抽水试验和水位恢复试验。试验类型属非稳定试验[12]，试验全过程中抽水井和各观测井水位变化监测结果如图2所示。

抽水试验以定流量Q=51.87L/min进行抽水，仅仅用了1.5min，1号井中的水被抽完，抽水井水位下降迅速，抽出水量总计77.80L，观测到的水位降深s=2.45m。抽水停止时算起的水位恢复观测时间t =800mins，水位恢复比较缓慢。2号、3号、4号观测井水位在整个试验期间变化十分微弱，水位线紧靠横坐标轴没有明显变化（图2）。

1.3 填砂排水沟建立后的抽水试验

黏性土原状地层打井抽水试验完成后，按照试验方案，聘用民工和试验技术人员一起经过15天的开挖沟槽、填筑砂砾石，建成了预先设计的填砂导水排水沟。待试验场地地下水位恢复到原始水位后，于2014年7月23—24日，进行了模拟考古场地填砂排水沟建成之后的抽水试验，仍然以1号井为抽水井，2—4号井为观测井，抽水设施和试验方法与原状土地层抽水试验基本相同。试验类型同样属于非稳定试验，试验全过程监测的抽水井和各观测井水位变化如图3所示。

填砂导水排水沟建立后的抽水试验和水位恢复试验，平均抽水流量Q=0.84m3/h ，抽水延续时间tp=4.5h，井中水位降至井底后停止抽水，抽水井观测到的水位最大降深s=2.41m。随后开始水位恢复，延续恢复时间t =29.5h，直到抽水井、观测井中水位恢复到了抽水前的静止水位，即水位埋深0.6m。

2 试验结果讨论

2.1 填砂排水沟建立前的抽水试验讨论

黏性土原状地层地下水抽水试验表明，抽水井水位降深从0—2.45m变化，时间仅仅为短暂的90s。在这短暂的时间内抽水井水位迅速下降，图2所示的水位下降曲线紧贴纵坐标轴。短暂的抽水时间从井中抽出的水量只有0.0778m3（77.8L）。这些水量主要是抽水井井管中的积水，几乎不包括周围黏性土地层的渗出水。这说明黏性土含水层虽然处于饱水状态，但透水性和给水性能很差，不可能在短时间渗出[13-14]。试验显示该黏性土地层的渗透系数k=9.4362×10-7cm/s，对应的给水度μ≤0.10。从水位恢复情况来看，抽水停止后800mins，抽水井水位恢复离静止水位约0.2m，第二天的观测表明，抽水井水位需要24—28小时才能恢复到抽水前的静止水位。这充分说明试验场地黏性土地层中的水渗入井孔速度是十分缓慢的。

从图2还可以看出，抽水井水位下降、恢复过程中，观测井水位几乎没有下降的迹象，就是距离抽水井4.5m的观测井也不例外。仔细观察才可以发现，在整个试验进程100mins后观测井水位有很微弱的下降反映。这一重要现象说明，周围黏性土地层中的水分缓慢向抽水井补充，也说明场地黏性土渗透性能的确很差。在这种地层中直接打井排水是不可行的，不能达到排水降低水位的目的，不能控制考古现场的地下水。

2.2 填砂沟建立后的抽水试验讨论

人工填砂排水沟建立后的抽水试验表明，抽水井水位降深从0—2.45m变化，抽水时间需要4.5h，总抽水量达3.86 m3。抽水井水位变化比较缓慢，这说明填砂排水沟具有良好的渗透性能和给水性能，其中所含水量能够不间断地向抽水井渗流补充。现场渗透试验得到填砂层的渗透系数K=4.463×10-2cm/s，对应的给水度μ=0.32。从水位恢复情况来看，抽水停止1小时内抽水井水位恢复很快，停抽后的8小时内水位恢复较快，然后逐渐变慢，直到25小时后，抽水井水位和观测井水位均基本恢复到静止水位。

从图3可以看出，抽水井水位下降过程中，观测井水位变化明显，具有与抽水井水位同步变化的特征，距离抽水井越近的观测井水位下降越明显。这说明抽出的水量既包括人工填砂沟含水层中的水、抽水井和观测井井管中的积水，也包括周围黏土地层中的少量渗水。从水位恢复曲线来看，水位恢复的时间仍然长达24—30小时，这说明从黏土地层中的地下水渗入填砂排水沟的速度是十分缓慢的，而排水沟中的积水进入抽水井被排出是比较迅速的。可见，只要考古探方外围黏性土中的地下水渗入填砂排水沟，就很容易渗入抽水井被排走，就能够有效控制黏性土地区考古现场的地下水。

通过填砂排水沟建立前后的抽水试验可以看出，填砂排水沟的建立显著地改变了地下水的渗透性能和径流条件，利用人工建立砂砾石导水排水沟，可以有效控制黏性地层考古现场的地下水，只要及时抽出填砂排水沟中的地下水，就能保证考古探方没有地下水渗出，就能保证考古工作不受地下渗水的影响。这些效果已经在试验场地模拟考古发掘后续试验研究中得到了验证。

3 结论

长江下游黏性土层分布地区属典型的潮湿环境，具有水源丰富、地下水埋藏浅的特征[15]，在这类地区进行考古发掘，往往受到地下渗水的严重影响。采取措施有效控制黏性土中地下水，排除地下水对考古现场的干扰，是一项保障考古工作顺利进行，保障遗址本体免遭破坏的关键技术问题。

黏性土含水层渗透性和给水度极差，直接打井抽水不能排走其中的水量，不能达到降低地下水位的目的，不能遏制渗水对考古发掘的严重影响。

现场试验证明，在黏性土层地下水浅埋地区考古探方周围建立人工填砂排水沟，能使渗透系数k由9.4362×10-7cm/s增加到4.463×10-2cm/s，

给水度μ由小于0.10提高到0.32，能起到疏导地下水流动和顺利排走地下水的作用，能够有效降低地下水位，防止地下水向考古探方入渗，保障考古工作不受渗水的影响。

人工填砂排水沟不仅能疏导排泄黏性土层中的地下水，而且能够阻隔黏性土层毛细水的运动。该项技术完全适宜于黏性土层地下水浅埋区考古现场渗水问题的防治，也适用于这类地区遗址陈列馆渗水的防治及地下水的控制。

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