论文部分内容阅读
[摘要]嘉峪关关城是明代万里长城的西端主宰，自古为河西第一隘口，关城从初建到落成经历了178年的时间。关城的历史作用及文化价值在历经沧桑后的今天更是被后人所重视，虽然它巍峨依旧，却略见衰老，裂缝、倾斜、剥落、掏蚀、坍塌等对城关保护造成威胁，显然掏蚀基础的病害更是直接危害着它的生命，研究迫害机理已经迫在眉睫。西北地区的气候是其病害的直接根源，风沙吹蚀、光照及水和水中晶体的冻融循环、下渗、侵蚀等，单独或复合作用直接影响着关城墙体的迫害程度。本文从气候特点出发，分析关城城墙的病害特点，尤其对掏蚀现象的机理进行对比分析，并对监测掏蚀现象的工作提出一些建议和意见。
[关键词]嘉峪关；关城保护；文物病害；掏蚀机理
[中图分类号]K872 [文献标识码]A [文章编号]1005-3115（2017）20-0062-03
一、嘉峪关关城历史渊源
嘉峪关关城在嘉峪关市区西5公里处的嘉峪山上，关城两翼的长城横穿沙漠戈壁，向北7.5公里连黑山悬壁长城，向南7.5公里接长城第一墩，是明代万里长城西端主宰，自古为河西第一隘口。
嘉峪关自明洪武五年（1372）首筑土城，历经178年建造而成。据史书记载，嘉峪关“初有水而后置关，有关而后建楼，有楼而后筑长城，长城筑而后关可守也”。明弘冶八年（1495），肃州兵备道副使李端澄主持在西罗城嘉峪关正门修建嘉峪关关楼。又过了11年，明正德元年（1506）八月至次年二月，李端澄又按照先年所建关的样式、规格，修建了内城光化楼和柔远楼，同时还修建了官厅、仓库等附属建筑物。嘉靖十八年（1539），尚书翟銮视察河西防务，认为这里必须加强防务，于是大兴土木加固关城，并在关南、关北修筑两翼长城和烽火台等。嘉靖二十八年（1549），巡抚杨博、兵道副使王仪展筑城垣，添筑敌楼、角楼、墩台等，还夯筑了外城墙，在外城墙外开挖城壕。至此，一座规模宏大、建筑雄伟的关城屹立于茫茫戈壁之上，宛如一条游龙盘旋在西去的要塞，牢牢地扼守在民族的疆土之上。
二、嘉峪关气候特点及对关城的影响
嘉峪关属于北半球非季风气候区，属于温带大陆性气候，周边全部为茫茫戈壁。气候特点对关城的影响有很多方面，其中最基本、最频繁的因素就是湿度、温度和光照。嘉峪关地区具有海拔较高，气候极端干旱，降雨量少，降雨量变化大，降雪量少，且多为暴雪，暴雪大量堆积，天气严寒，极难融化，且雪融化后多会结冰，温差悬殊，湿差大，风沙活动频繁，夏天日照时间长，日照强度大，冬天日照时间短等特点，常有风速超过5 米/秒的“起沙风”，几乎全年都受大风的影响，甚至最大风速可达12级。据酒泉气象站50年（1935～1985年）间气象记录得知，嘉峪关全年日照平均为3000.2小时，日照率平均为69%，太阳辐射度年总量为145.6千卡/毫米2，年平均气温在6.7～7.7℃，年平均降水量为85.3毫米，年平均蒸发量为2114.3毫米（20厘米蒸发器实测蒸发量），年平均相对湿度为46%，年平均风速为2.4米/秒，年平常风力为3～4级。
由此可见，气候对关城的影响一方面是夏季多暴雨、暴风、暴晒，暴雨后墙体表面及内部湿度变化幅度很大，尤其是基础部位，长时间遭受冷热、干湿交替变化，随着时间的推移，水分附带晶体下渗，冷热交替，产生严重的龟裂、剥落现象。暴风作用使关城墙体单面受力风蚀，再同水及水中结晶体腐蚀墙体底部，使墙体出现剥落、倾斜、坍塌等。暴晒作用使墙体表面温度骤然升高，内外温差较大，墙体体积变化不一，使墙体出现开裂、内外分层、墙体表面剥蚀等现象，且内部结构失去保护层，极易遭受侵蚀破坏。
另一方面，冬季干燥而且寒冷的气候条件，客观上促进土体干湿、冻融灾害的产生，从而造成土体结构松弛，形成崩解破坏。当然墙体根部、病害处长期积雪，对长城的迫害也是很致命的。嘉峪关地区冬季寒冷，积雪堆积层加厚难以融化，造成了长城底部干湿作用频繁，冷热交替，内部晶体作用频繁的特点，直接或间接导致了基础酥碱、剥落等破坏。积雪融化周期过大，融化后多结冰以固态形式存在，体积变化较大、强度增大使墙体出现毛细裂缝，久而久之出现基体崩破等病害。嘉峪关地区又是多风地区，风沙频繁，风力强，风多为定向风，且具突发性，风沙强烈作用墙体的单一面，随着时间的推移，风蚀单面墙体，墙体出现风化、剥蚀等病害现象。
除此之外，干旱、少雨、晴天多的气候特点，对长城遗址的破坏还有降雨冲刷破坏、太阳辐射作用，氧化作用、溶蚀作用、水解作用、水化作用以及生物化学作用等一系列较为活跃和强烈的分化作用。以上情况直接或间接了造成遗址表面片状剥离、裂缝、酥碱、掏蚀和坍塌等病害的发育。
三、关城墙体基础掏蚀现象机理研究
（一）关城墙体病害特征
经过常年累月的气候作用，关城呈现出了众多病态特征，有裂缝、剥落、倾斜、分层、掏蚀、坍塌等病害，如下图所示：
图1为关城外城北墙裂缝、倾斜的病害图。图2为东闸门处烽火台基础掏蚀、墙体剥落、裂缝的病害图。
图3、图4为北甬道墙体基础掏蚀、剥落的病害图。
图5、图6为北甬道西侧墙体剥落、裂缝、掏蚀的病害情况图。
图7为南甬道外墙坍塌、裂缝图。图8为北甬道内墙内侧剥蚀分层病害现象图。
图9为马道旁墙体剥落、倾斜、裂缝、掏蚀图。图10为南闸门烽火台夯土病害情况图。
（二）关城掏蚀失稳机理对比研究
从上图可以看出，关城的保护已经迫在眉睫，尤其是基础失稳现象上尤为严重，此类病害更是造成墻体剥落、倾斜、坍塌的罪魁祸首。所以研究基础机理更是当务之急。
图11、图12为北甬道内墙两面墙体受风力、日照掏蚀程度的比较图。图11为受风面，图12为背风面且常年受日照的影响。比较可知，图11墙体的基础掏蚀情况较为严重，图12墙体表皮翘起、脱落现象较为严重，但图12中基础掏蚀现象也依然存在。由此可以看出风力对墙体的掏蚀作用较其他因素相对活跃。 图13、图14为南甬道内墙两面墙体受风力掏蚀程度的比较图。图13为受风面，图14为背风面且常年受日照的影响。图中受风面掏蚀情况较背风面掏蚀相对严重。比较可知，风力对墙体的掏蚀作用非常严重。
图15为嘉峪关门前的城墙，图16为南闸门处烽火台。两图中的病害特征都是受风力和光照共同影响的结果，墙体掏蚀、裂缝、剥落等病害情况都很严重。
图17、图18为南甬道外墙（左）与内墙（右）的比较图。右图为常年光照面。图17墙体出现风化、坍塌、剥落、裂缝等病害，图18中墙体的病害情况相对较轻。
图19、图20为东闸门内（右）外（左）侧墙体水溶结晶体导致的墙体外部酥碱变质、变形、变性、软化的比较。东闸门地势为内高外低。比较可以看出，图19腐蚀现象较为严重。说明水及水中的结晶体对墙体的迫害作用也很大。
（三）夯土长城墙体根基掏蚀失稳机理结论
由以上图示的比较可以看出，嘉峪关关城墙体根基掏蚀失稳现象是在风、雨、水、盐、日照、温度等的单独或组合作用下，不断使基础内、外部酥碱变质、变形、变性、软化、掏蚀凹进而形成的一中病害特征。在嘉峪关干旱、少雨、晴天多的气候环境下，这种掏蚀现象是一种极其普遍的墙体病害特征，包括风力掏蚀、水力掏蚀、光照掏蚀、冻融掏蚀和坍塌掏蚀等。风力掏蚀是在长期单一方向、强烈、突发性等的暴风作用下墙体出现基础风化、剥落、掏蚀凸进的现象。水力掏蚀是暴雨、暴雪后经过冲刷的墙体内外湿差较大，水分溶化土体中的结晶体，下渗、溶解体积变化，使基础酥碱、变性，出现掏蚀的现象。光照掏蚀是指关城墙体在强烈光照作用下内外温差变化较大，外部墙体温度极高，出现表层翘起、突出、裂缝的现象。冻融掏蚀是指暴雨、暴雪之后墙体水分大量向基础富集，加之冬季较长，温度低，尤其是暴雪后，墙体根部雪量堆积较多，融化周期长，使基础部位墙体不断经受冻融作用，产生酥软、变性现象。坍塌掏蚀是指土遗址在其他外力作用下引起坍塌，造成根基等局部悬空，加之重力、振动等因素使坍塌规模加大的现象。在这些因素中迫害最严重、最频繁的就是风力和光照掏蚀了。嘉峪关关城墙体底部多采用夯土筑成，具有较为明显的夯筑层理，显然各个夯层之间的连接较为薄弱，根部悬空导致底部夯层与其上一夯层基本分离，成为悬臂式夯土层。而夯土的抗折强度本身较低，已发生弯折破坏，进而加剧掏蚀作用，依次逐层破坏，直至整个墙体失稳倒塌。
四、对监测掏蚀的一些思考
笔者认为，首先，应及时监测找出墙体掏蚀的根源，尽量避免二次或多次掏蚀。其次，对掏蚀墙体外漏部分进行预警监测，并对危险墙体及时维修。再次，冬季恶劣气候下及时处理积雪、冰冻及其他一些迫害状况，并在处理过程中监测墙体内外部干湿、温度、强度等变化情况。最后，建立、健全墙体排水设施，监测墙体各个部位水分和结晶体含量，并定时监测二者的变化情况，汇总、对比相关数据，得出晶体浓度对墙体迫害的强烈程度。
[参考文献]
[1]张晓东.嘉峪关城防研究[M].兰州：甘肃文化出版社，2013.
[2]张晓东，张斌.嘉峪关关城现状调查及病害初步分析研究[J].敦煌研究，2009，（6）.
[3]王旭东，石玉成，劉琨.夯土长城墙体掏蚀失稳机理研究[J].西北地震学报，2011，（S1）.
[4]赵海英，魏厚振，胡波.夯土长城的主要病害[A].第二届全国岩土与工程学术大会论文集（下册）[C].2006.
[关键词]嘉峪关；关城保护；文物病害；掏蚀机理
[中图分类号]K872 [文献标识码]A [文章编号]1005-3115（2017）20-0062-03
一、嘉峪关关城历史渊源
嘉峪关关城在嘉峪关市区西5公里处的嘉峪山上，关城两翼的长城横穿沙漠戈壁，向北7.5公里连黑山悬壁长城，向南7.5公里接长城第一墩，是明代万里长城西端主宰，自古为河西第一隘口。
嘉峪关自明洪武五年（1372）首筑土城，历经178年建造而成。据史书记载，嘉峪关“初有水而后置关，有关而后建楼，有楼而后筑长城，长城筑而后关可守也”。明弘冶八年（1495），肃州兵备道副使李端澄主持在西罗城嘉峪关正门修建嘉峪关关楼。又过了11年，明正德元年（1506）八月至次年二月，李端澄又按照先年所建关的样式、规格，修建了内城光化楼和柔远楼，同时还修建了官厅、仓库等附属建筑物。嘉靖十八年（1539），尚书翟銮视察河西防务，认为这里必须加强防务，于是大兴土木加固关城，并在关南、关北修筑两翼长城和烽火台等。嘉靖二十八年（1549），巡抚杨博、兵道副使王仪展筑城垣，添筑敌楼、角楼、墩台等，还夯筑了外城墙，在外城墙外开挖城壕。至此，一座规模宏大、建筑雄伟的关城屹立于茫茫戈壁之上，宛如一条游龙盘旋在西去的要塞，牢牢地扼守在民族的疆土之上。
二、嘉峪关气候特点及对关城的影响
嘉峪关属于北半球非季风气候区，属于温带大陆性气候，周边全部为茫茫戈壁。气候特点对关城的影响有很多方面，其中最基本、最频繁的因素就是湿度、温度和光照。嘉峪关地区具有海拔较高，气候极端干旱，降雨量少，降雨量变化大，降雪量少，且多为暴雪，暴雪大量堆积，天气严寒，极难融化，且雪融化后多会结冰，温差悬殊，湿差大，风沙活动频繁，夏天日照时间长，日照强度大，冬天日照时间短等特点，常有风速超过5 米/秒的“起沙风”，几乎全年都受大风的影响，甚至最大风速可达12级。据酒泉气象站50年（1935～1985年）间气象记录得知，嘉峪关全年日照平均为3000.2小时，日照率平均为69%，太阳辐射度年总量为145.6千卡/毫米2，年平均气温在6.7～7.7℃，年平均降水量为85.3毫米，年平均蒸发量为2114.3毫米（20厘米蒸发器实测蒸发量），年平均相对湿度为46%，年平均风速为2.4米/秒，年平常风力为3～4级。
由此可见，气候对关城的影响一方面是夏季多暴雨、暴风、暴晒，暴雨后墙体表面及内部湿度变化幅度很大，尤其是基础部位，长时间遭受冷热、干湿交替变化，随着时间的推移，水分附带晶体下渗，冷热交替，产生严重的龟裂、剥落现象。暴风作用使关城墙体单面受力风蚀，再同水及水中结晶体腐蚀墙体底部，使墙体出现剥落、倾斜、坍塌等。暴晒作用使墙体表面温度骤然升高，内外温差较大，墙体体积变化不一，使墙体出现开裂、内外分层、墙体表面剥蚀等现象，且内部结构失去保护层，极易遭受侵蚀破坏。
另一方面，冬季干燥而且寒冷的气候条件，客观上促进土体干湿、冻融灾害的产生，从而造成土体结构松弛，形成崩解破坏。当然墙体根部、病害处长期积雪，对长城的迫害也是很致命的。嘉峪关地区冬季寒冷，积雪堆积层加厚难以融化，造成了长城底部干湿作用频繁，冷热交替，内部晶体作用频繁的特点，直接或间接导致了基础酥碱、剥落等破坏。积雪融化周期过大，融化后多结冰以固态形式存在，体积变化较大、强度增大使墙体出现毛细裂缝，久而久之出现基体崩破等病害。嘉峪关地区又是多风地区，风沙频繁，风力强，风多为定向风，且具突发性，风沙强烈作用墙体的单一面，随着时间的推移，风蚀单面墙体，墙体出现风化、剥蚀等病害现象。
除此之外，干旱、少雨、晴天多的气候特点，对长城遗址的破坏还有降雨冲刷破坏、太阳辐射作用，氧化作用、溶蚀作用、水解作用、水化作用以及生物化学作用等一系列较为活跃和强烈的分化作用。以上情况直接或间接了造成遗址表面片状剥离、裂缝、酥碱、掏蚀和坍塌等病害的发育。
三、关城墙体基础掏蚀现象机理研究
（一）关城墙体病害特征
经过常年累月的气候作用，关城呈现出了众多病态特征，有裂缝、剥落、倾斜、分层、掏蚀、坍塌等病害，如下图所示：
图1为关城外城北墙裂缝、倾斜的病害图。图2为东闸门处烽火台基础掏蚀、墙体剥落、裂缝的病害图。
图3、图4为北甬道墙体基础掏蚀、剥落的病害图。
图5、图6为北甬道西侧墙体剥落、裂缝、掏蚀的病害情况图。
图7为南甬道外墙坍塌、裂缝图。图8为北甬道内墙内侧剥蚀分层病害现象图。
图9为马道旁墙体剥落、倾斜、裂缝、掏蚀图。图10为南闸门烽火台夯土病害情况图。
（二）关城掏蚀失稳机理对比研究
从上图可以看出，关城的保护已经迫在眉睫，尤其是基础失稳现象上尤为严重，此类病害更是造成墻体剥落、倾斜、坍塌的罪魁祸首。所以研究基础机理更是当务之急。
图11、图12为北甬道内墙两面墙体受风力、日照掏蚀程度的比较图。图11为受风面，图12为背风面且常年受日照的影响。比较可知，图11墙体的基础掏蚀情况较为严重，图12墙体表皮翘起、脱落现象较为严重，但图12中基础掏蚀现象也依然存在。由此可以看出风力对墙体的掏蚀作用较其他因素相对活跃。 图13、图14为南甬道内墙两面墙体受风力掏蚀程度的比较图。图13为受风面，图14为背风面且常年受日照的影响。图中受风面掏蚀情况较背风面掏蚀相对严重。比较可知，风力对墙体的掏蚀作用非常严重。
图15为嘉峪关门前的城墙，图16为南闸门处烽火台。两图中的病害特征都是受风力和光照共同影响的结果，墙体掏蚀、裂缝、剥落等病害情况都很严重。
图17、图18为南甬道外墙（左）与内墙（右）的比较图。右图为常年光照面。图17墙体出现风化、坍塌、剥落、裂缝等病害，图18中墙体的病害情况相对较轻。
图19、图20为东闸门内（右）外（左）侧墙体水溶结晶体导致的墙体外部酥碱变质、变形、变性、软化的比较。东闸门地势为内高外低。比较可以看出，图19腐蚀现象较为严重。说明水及水中的结晶体对墙体的迫害作用也很大。
（三）夯土长城墙体根基掏蚀失稳机理结论
由以上图示的比较可以看出，嘉峪关关城墙体根基掏蚀失稳现象是在风、雨、水、盐、日照、温度等的单独或组合作用下，不断使基础内、外部酥碱变质、变形、变性、软化、掏蚀凹进而形成的一中病害特征。在嘉峪关干旱、少雨、晴天多的气候环境下，这种掏蚀现象是一种极其普遍的墙体病害特征，包括风力掏蚀、水力掏蚀、光照掏蚀、冻融掏蚀和坍塌掏蚀等。风力掏蚀是在长期单一方向、强烈、突发性等的暴风作用下墙体出现基础风化、剥落、掏蚀凸进的现象。水力掏蚀是暴雨、暴雪后经过冲刷的墙体内外湿差较大，水分溶化土体中的结晶体，下渗、溶解体积变化，使基础酥碱、变性，出现掏蚀的现象。光照掏蚀是指关城墙体在强烈光照作用下内外温差变化较大，外部墙体温度极高，出现表层翘起、突出、裂缝的现象。冻融掏蚀是指暴雨、暴雪之后墙体水分大量向基础富集，加之冬季较长，温度低，尤其是暴雪后，墙体根部雪量堆积较多，融化周期长，使基础部位墙体不断经受冻融作用，产生酥软、变性现象。坍塌掏蚀是指土遗址在其他外力作用下引起坍塌，造成根基等局部悬空，加之重力、振动等因素使坍塌规模加大的现象。在这些因素中迫害最严重、最频繁的就是风力和光照掏蚀了。嘉峪关关城墙体底部多采用夯土筑成，具有较为明显的夯筑层理，显然各个夯层之间的连接较为薄弱，根部悬空导致底部夯层与其上一夯层基本分离，成为悬臂式夯土层。而夯土的抗折强度本身较低，已发生弯折破坏，进而加剧掏蚀作用，依次逐层破坏，直至整个墙体失稳倒塌。
四、对监测掏蚀的一些思考
笔者认为，首先，应及时监测找出墙体掏蚀的根源，尽量避免二次或多次掏蚀。其次，对掏蚀墙体外漏部分进行预警监测，并对危险墙体及时维修。再次，冬季恶劣气候下及时处理积雪、冰冻及其他一些迫害状况，并在处理过程中监测墙体内外部干湿、温度、强度等变化情况。最后，建立、健全墙体排水设施，监测墙体各个部位水分和结晶体含量，并定时监测二者的变化情况，汇总、对比相关数据，得出晶体浓度对墙体迫害的强烈程度。
[参考文献]
[1]张晓东.嘉峪关城防研究[M].兰州：甘肃文化出版社，2013.
[2]张晓东，张斌.嘉峪关关城现状调查及病害初步分析研究[J].敦煌研究，2009，（6）.
[3]王旭东，石玉成，劉琨.夯土长城墙体掏蚀失稳机理研究[J].西北地震学报，2011，（S1）.
[4]赵海英，魏厚振，胡波.夯土长城的主要病害[A].第二届全国岩土与工程学术大会论文集（下册）[C].2006.