说文保||土遗址文物建筑预防性保护技术与应用研究

摘要:土遗址文物建筑是以土为主要建筑材料的具有历史、文化、和科学价值的古遗址,受环境条件和人为因素影响,土遗址文物建筑数量大,种类多,组成复杂,使得保护难度极大。祁家堡红一军团指挥部遗址位于宁夏中卫市海原县城东部三河镇(原名黑城镇)唐堡村第一自然村,现为国家一级文物。经现场勘察,室内试验和计算分析,研究了土遗址文物的建筑形制,病害类型与成因,评价了结构稳定性,提出了文物预防性保护措施,为土遗址保护提供科学的理论依据。

关键词:预防性保护;土遗址;文物建筑

红一军团1936年6月10日解放甘肃环县及宁夏固原东北部后,进至清水河中游,驻军于今海原县境东部的三河(黑城)、七营、李旺一带,解放了当地。同年8月,红一军团占领黑城子的祁家堡子,并将临时指挥部设在了堡内。祁家堡红一军团指挥部遗址作为红色文化遗址是一种特殊的文化遗存,不仅有着明显的教育功能和社会意义,也有着强烈的历史、政治色彩,加强对遗址的保护,不仅是文化责任,也是历史使命。

目前,国内外学者对文物建筑遗址的研究工作有了一些探索,陈光利等[1]对熊家冢土遗址保护进行了研究,介绍了熊家冢墓地的概况以及地质、土壤状况,分析了保护中需要解决的主要问题;黄四平等[2]通过对土遗址生物病害的详细调查,首次发现螨虫类和鞘翅目昆虫对遗址有强烈破坏作用,同时存在的生物病害主要还有蓝藻和霉菌等,研究分析了这些生物病害产生的原因及腐蚀土遗址的机理,

并进行了防治措施研究;白成军等[3]从预防性保护的基本内涵出发,基于国内外建筑遗产变形监测与研究的现状,在分析建筑遗产变形监测基本特点、基本内容的基础上,根据遗产监测的要求对建筑遗产监测体系进行了架构,指出并分析了当前开展普遍性建筑遗产变形监测的瓶颈问题;张晓英等[4]就易溶盐含量对秦陵陪葬坑土遗址的影响,开展安全含盐量问题的探究,将Na2SO4/NaCl质量比为1∶1混合盐掺入重塑土样中,经气候箱老化后,利用超景深显微镜测定盐胀面积判断土样被破坏的程度;陈雳等[5]以全国重点文物保护单位麟州故城为例,阐释其价值内涵,分析其残损破坏的自然原因和人为原因,从工程实施和保护管理等方面提出了相应的保护技术措施,为土遗址文化遗产保护利用提供建设性的思路;张三幅等[6]针对传统测绘手段难以满足日趋精细的土遗址保护工程测绘要求,采用无人机航拍、AGISoftphotoscan及Smart3D软件对土遗址进行三维重建,辅以外业精确像控点生成文物精细三维模型、点云、DSM、DEM、DOM、DLG等测绘成果,通过实验证明,这种方法不仅成本低廉、方便快捷,而且误差小精度可靠,在土遗址保护工程领域有很广阔的应用前景;樊东等[7]以统万城遗址为例研究了预防性保护理念下的土遗址保护;吴卫红[8-9]提出改变理念是土遗址保护的关键所在,关于遗址公园的建设,我们需厘清建与不建、拆与不拆、定位是遗址还是公园这三个问题以及遗产保护中的真实性并非常识中简单的"真实"概念,它包括遗址本体、内涵、形式、景观、聚落等方面的真实性,遗址的安全不能简单地与"不变"等同,应允许有限的、可逆的改变以换取更全面的保护,在技术层面建立严格、完善的控制机制,从而规避更多的损害;Snchez-Aparicio等[10]提出了一种借助360°全景图和3D点云的直观性,结合物联网技术的前沿Web-GIS技术,展示了如何将物理世界和数字世界联系起来,以便对文化遗产进行恰当的记录和管理。

国外学者对土遗址的研究几乎没有,国内学者对土遗址的结构安全分析及综合评估研究工作比较少,对红色文物建筑土遗址安全分析及保护的研究几乎没有。因此本研究工作可以说是具有开创性的。本研究工作首先对遗址现场进行勘察,查明其建筑形制、病害现状和赋存环境,然后对遗址进行采样,在室内进行土工试验对遗址病害类型及成因进行分析;通过有限元数值模拟分析遗址结构,综合评价遗址的稳定性;最后给出合理的保护措施。

1.遗址概况

祁家堡红一军团指挥部遗址坐东向西,平面呈长方形,黄土夯筑,开西门。墙高5.5m,南北长74m,东西宽70m,基宽3m,顶宽1.7m。四角有凸出墙角方形角台,台底边长8m,顶边长4.5m,凸出外壁2m,高于堡墙齐。堡墙夯土层厚0.10~0.12m。门洞长方拱顶,高4.2m,宽2.2m,深3m。门洞壁及顶为长方青砖平纵砌就,堡四面有围墙。遗址大门局部为砖砌结构,内外堡墙均为素土分层夯实,分层厚度15~20cm,水平层状连续夯筑,内外坡面坡度82°左右,上窄下宽。遗址现状为内堡墙一周4段、角台4座、门洞1处,堡内1958年大炼钢铁土高炉1座,外堡仅剩墙西、北墙体2段。本次修缮保护范围包括内城四周墙体、角台,城内高炉,外城残存墙体。

根据现场勘察结果表明,祁家堡红一军团指挥部遗址存在不同程度的损坏,其表现得较为显著的病害有:

（1)墙体裂缝:遗址墙体出现大量竖向裂缝,局部相对集中,纵向裂缝较少,裂缝宽度达30cm以上,上下通长通宽贯通,裂缝处雨水冲蚀和风化严重,表面酥碱明显,局部明显崩塌或坍塌。

（2)墙体崩塌:遗址墙体由于受风力作用,雨水冲蚀作用和生物破坏作用等,墙体表面出现风洞,水蚀或生物破坏,表面酥碱明显,大面积出现小块崩塌,掉块现象,当地基不均匀沉降,墙体裂缝发育时,崩塌现象更为严重。

（3)湿陷性地面沉陷:遗址所在区为湿陷性黄土地区,地基土具有湿陷性和自重湿陷性,当地基受到地表水浸润或浸泡时,地基土承载力降低,导致墙体不均匀沉陷或变形,墙体出现纵向裂缝。

（4)风化:遗址所在区气候恶劣,风沙较大,持续的大风挟带沙粒破坏墙面的结构,产生风蚀破坏,形成表面麻面和蜂窝等。

（5)水蚀:遗址所在区降雨量较少,但长期风化的墙体表面,在少量的雨水冲刷下带走了表面的黏土颗粒可溶盐,表面形成薄层硬壳和酥碱,在温差和风力作用下脱皮和破坏明显,严重时产生局部的崩塌。

2.土遗址文物建筑预防性保护理论

《中国文物古迹保护准则》对预防性保护作了界定,预防性保护是指通过防护和加固的技术措施和相应的管理措施减少灾害发生的可能、灾害对文物古迹造成损害、以及灾后需要采取的修复措施的强度。

国务院办公厅关于印发“十四五”文物保护和科技创新规划要求,其中明确提出系统整合全国不可移动文物资源数据库、革命文物数据库等,加强文物资源大数据应用。着力构建符合我国文物资源特点的文物修复、预防性保护和防灾减灾理论体系,聚焦岩土质文物风化、木结构建筑失稳、微生物污染等主要病害,深化文物材质特性、病害形成机理及发展预测方法研究,为文物保护实践提供理论指导和科学依据。重点突破石窟寺、土遗址和木结构建筑等文物病害探测、原位诊断、防治和保护工程质量评价关键技术,优化系统解决方案,大幅提升文物安全防护、监测预警、巡查监管、预防性保护、修缮修复、展示利用等装备性能质量,力争在文物勘查探测、分析检测等高端专有装备方面取得突破。建立健全文物领域多层次标准体系,加快推进文物保护工程、文物数字化、预防性保护等重点领域标准制修订和应用。编制不可移动文物预防性保护导则,按文物保护单位、保存文物特别丰富的市县、省域三个层级开展常态化、标准化预防性保护,基本实现全国重点文物保护单位从抢救性保护到预防性保护的转变。

土遗址文物作为建筑遗产其预防性保护理论体系的建立是世界范围的新课题,该理论体系包括勘察测绘、风险监测、数学模型、理论模型、算法模型、预警预报、措施建议等内容。通过现场调查与历史资料搜集和三维扫描等技术对文物建筑进行勘察测绘,得到文物建筑勘察测绘报告;根据文物建筑勘察报告确定文物建筑监测指标,使用传感器和多参数气象站对文物本体和文物环境进行监测;采用假设验证、相关分析等数理统计方法分析文物结构变形规律以及环境和振动对文物的影响;根据理论模型和算法模型对文物建筑场地稳定性、结构稳定性、地基承载力、结构承载力和动力响应进行分析;将所得到的相关数据资料及时上传至文物建筑智能管理系统,在预报预警体系下实现文物建筑实时监测、数据库管理、信息化管理、监测信息可视化、智能分析、风险评估和预警预报;在预报预警体系下及时掌握文物建筑实时健康状况,以便及时采取适当的保护措施。土遗址文物建筑预防性保护可以理解为文物建筑损毁前就开始保护,通过预防性保护理论体系的应用可以很大程度上降低或消除文物建筑遗产的灾害隐患,对可能出现的病害提前进行防护,提前做好应急预案,加强文保单位的日常管理,从而实现文物建筑遗产一直处于健康的状态运行。

3.工程地质条件

唐堡村附近主要出露地层为第四纪全新世冲积、洪积和风积黄土,以粉质黏土、砂质黏土和黄土为主,夹粉细砂层,地层分布呈水平层状,局部含少量芒硝、石膏、腐植质和淤泥等,厚度不等,第四纪地层最度较大,与下伏第三系地层呈不整合接触。根据地制裁雷达探测结果,遗址区内地层自上而下为:粉质黏土层,厚度2.5m左右,水平层状分布;砂质黏土层,厚度2.5m左右,水平层状分布;粉质黏土层,厚度5m左右,水平层状分布。

海原县深居内陆,大陆性季风气候明显,特点是春暖迟、夏热短、秋凉早、冬寒长。清水河流域内干旱少雨,降水时空分布不均,水文特点是水少,沙多,水土流失严重,水质差,反映出干旱、半干旱河流特征。祁家堡红一军团指挥部遗址位于清水河东岸约600m处,属清水河二级阶地,大气降雨为地下水主要补给来源,主要含水层包括:第四系黄土类含水沙层,俗称面沙或流沙层,厚度不一,分布较文,含水量较小;砂砾石含水层,主要分布于河道附近,汇水面积较小,含水量不大。海原是个多地震区,祁家堡红一军团指挥部遗址位于该地震区。海原县位于阿拉善地块以南,青藏地块与鄂尔多斯地块的交接部位。沿南、西华山北麓~六盘山东麓有一条活动非常强烈的大断裂带,就是海原活动断裂带。断裂性质为逆左旋走滑断裂带,并长期处于活动之中。

4.土的物理力学性质分析

为探明遗址地基土的物理力学性质和遗址夯土的物理力学性质,对遗址地基土和墙体土分别取样,取样深度均为1m,并对采集的土样进行了物理力学性试验,重塑土的物理力学性试验和击实试验,同时也对遗址采集土样进行了矿物分析和含盐量分析,结果如表1~4所示。

表1祁家堡红一军团指挥部遗址土工试验成果

表2祁家堡红一军团指挥部遗址重塑土工试验成果

表3祁家堡红一军团指挥部遗址土样矿物成份分析

表4祁家堡红一军团指挥部遗址土样含盐量分析

5.数值分析

为分析遗址墙体结构的稳定性,根据三维扫描所建立的墙体的三维模型,采用ABAQUS有限元分析软件,建立了墙体的几何模型和力学模型,分析了墙体结构的应力和应变变化规律,分析结果如图1~3所示。

a—墙体干燥状态下竖向主应力云图;

b—墙体浸水状态下竖向主应力云图。

图1墙体应力

a—墙体空洞干燥状态下竖向主应力云图;

b—墙体空洞浸水状态下竖向主应力云图。

图2墙体空洞应力

a—墙体裂缝干燥状态下竖向主应力云图;

b—墙体裂缝浸水状态下竖向主应力云图。

图3墙体裂缝应力

6.病害成因与分析

根据土的物理力学性试验、化学成份、矿物成份以及有限元计算分析可知,土的无侧限抗剪强度标准值300kPa,在浸水不利条件下墙体结构所受的最大剪应力为93kPa,远小于土的强度,结构的抗剪强度是安全的。遗址墙体有空洞时,洞顶左右两侧应力集中,在干燥状态下,洞顶的最大主应力为145kPa,最大剪应力为148kPa,墙体的竖向位移0.02mm,在浸水状态下,洞顶的最大主应力为157kPa,最大剪应力为160kPa,墙体的竖向位移0.03mm,应力小于土的抗剪强度。墙体有竖向结构裂缝时结构在干燥状态下,裂缝处的最大主应力为3kPa,最大剪应力为3.5kPa,墙体的应变0.3ε,

在浸水状态下,裂缝处的最大主应力为4kPa,最大剪应力为4.5kPa,墙体的应变0.07ε,应力小于土的抗剪强度。但土体陡立,极易受外来荷载作用产生崩塌和坍塌,结构整体性极不稳定;区内地基土层具有弱湿陷性,湿隐系数0.028,自重湿陷系数为0.021,为自重湿陷性黄土,自重湿陷等级为弱湿陷,湿陷起始压力为103kPa。土层中含有较多的易溶盐,如NaCl、KCl等含量愈高,尤其Na+含量达772mg/100g,总含盐量达3366mg/100g,遇水浸时极易产生土体结构破坏。伊蒙混层含量达59%,土层的水分具有较强的吸附性,易产生结构膨胀和破坏。当地基浸水,结构受到荷载(大于103kPa)作用时,地基土层将产生不均匀沉陷,上部结构将因为地基不均匀沉陷而产生纵向结构性裂缝,甚至破坏;结构完整的遗址墙体在干燥状态下,墙体的最大主应力为80kPa,墙体的竖向位移0.016mm,最大主应力作用于墙角处,地基承载力和结构变形量满足上部荷载要求。当墙体浸水状下,墙体的最大主应力为87kPa,墙体的竖向位移0.016mm,最大主应力作用于墙角处,地基承载力和结构变形量满足上部荷载要求。

祁家堡红一军团指挥部为红色文物遗址,历史上经受战争、地震破坏和人为取土与挖洞,墙基风化掏蚀,墙体植被根系生长、遗留下许多弹孔,墙体结构性开裂,动物筑巢等。遗址墙体由于地基不均匀沉降产生竖向结构性裂缝,形状上宽下窄,呈“V”形,主要发育于结构薄弱处,自上而下呈竖向通长通透展布,裂缝宽度达50cm左右。遗址墙体坡面坡度约82°,当受到机载外力作用时易产生崩塌,现场调查表明,遗址墙体由于风蚀,水蚀和人工因素影响普遍有小范围崩塌。墙体崩塌产生的原因与墙体土质和土的物理力学性质有关,夯筑的土体主要为灰黄色粉质黏土和少部分粉土,土质均匀,块状结构,坡面陡直,竖直裂隙发育,风及生物破坏土体结构,当坡顶土体受到地表水浸湿后,雨水浸入土体,土体结构中的易溶盐快速溶解,表层土体结构破坏而产生局部崩塌。遗址墙体下部空洞较多,最大直径达3m左右,主要为人工挖掘,战争遗迹等造成,对墙体结构安全有较大影响,另据调查墙体中下部还有较大的生物洞穴、动物筑巢等,也对墙体的安全产生较大的影响。由于战争和地震的影响,祁家堡红一军团指挥部遗址内堡墙多处坍塌,处堡墙所剩无几,墙顶荒草丛生,另外由于人工挖掘洞穴等破坏对遗址堡墙造成了局部坍塌。

a—墙体裂缝;b—墙体崩塌物;

c—墙体人工挖掘空洞;d—墙体弹孔及生物洞穴。

图4祁家堡红一军团指挥部遗址病害

7.结论与建议

祁家堡红一军团指挥部遗址地基场地不均匀场地,土层基本稳定,第四纪全新世地层厚度较大,属稳定性场地。遗址区内堡墙地基承载力满足上部荷载需要。

遗址区内堡墙完整段结构具有足够的强度,属稳定结构。遗址部分墙体有空洞时,在正常使用条件下和不考虑不可抗力的作用是处于稳定状态,结构是安全的,但受到抗力的作用时会产生坍塌。遗址部分墙体有竖向结构裂缝时自稳性极差,当受到不可抗力的作用时产生崩塌和坍塌,结构整体性极不稳定。遗址区内地层为自重湿陷性土层,湿陷等级和自重湿陷等级均为弱湿陷性。遗址区土层Na+含量较高,地基土层易产生湿陷变形。遗址区土层伊蒙混层含量较高,土体极易吸附地下水,诱发地基湿陷变形。遗址区为多震区,地震基本烈度为8度,地震基本加速度为0.3g,地震分组为第三组。

建议查阅历史资料,仿照堡墙的原貌恢复内外堡墙。堡墙修复建议采用本地粉质黏土素土分层夯筑,分层虚铺厚度建议20~30cm,最佳含水量建议采用13%,修复时分层检测夯土的密实度,最大密实度推荐值为1.9g/cm3。堡墙空洞建议采用二八土回填,分层回填,捣实,最佳含水量建议采用 13%,回填土密实度建议控制在1.5g/cm3。堡墙“V”字形裂缝建议先清除表面浮土,中间部分建议采用二八土回填,外皮部分建议采用素土,分层分区回填,捣实,最佳含水量建议采用13%,回填土密实度建议控制在1.5g/cm3。堡墙小裂缝及生物洞穴建议先清除表面浮土,三七土回填后建议采用化学浆液灌浆。

建议考虑地震对结构的影响。场地土为自重湿陷性黄土,建议做好结构用周边防排水措施,防止地表水浸润土体。建议清除墙体结构表面根系比较发达的杂草和树木。

参考文献

[1]陈光利,魏彦飞,袁万红,等.熊家冢土遗址保护概述[J].东南文化,2009(3):114-118.

[2]黄四平,李玉虎,肖娅萍,等.生物病害对唐皇城含光门土遗址的危害及防治措施研究[J].文物保护与考古科学,2010,22(2):6-11.

[3]白成军,韩旭,吴葱.预防性保护思想下建筑遗产变形监测的基本问题探讨[J].西安建筑科技大学学报(社会科学版),2013,98,32(2):54-58.

[4]张晓英,夏寅,周莉莉,等.秦陵陪葬坑土遗址安全含盐量探究[J].文物保护与考古科学,2016,28(4):19-25.

[5]陈雳,吴少敏.基于价值阐释和技术应对的土遗址保护:以麟州故城为例[J].新建筑,2017(5):152-155.

[6]张三福,王逢睿,胡明珠,等.低空摄影测量在土遗址保护工程中的应用研究[J].地理空间信息,2019,17(10):89-92.

[7]樊东,黄光琦,杨海龙.预防性保护理念下的土遗址保护:以统万城遗址为例[J].中国文化遗产,2020(3):54-57.

[8]吴卫红.理论方法定位:土遗址保护与遗址公园建设的理性三问[J].东南文化,2020(3):23-29.

[9]吴卫红.真实性安全性:土遗址保护与遗址公园建设的原则两辨[J].东南文化,2020(6):6-12.

[10]SÁNCHEZ-APARICIOLJ,MASCIOTTAMG,ALVAREZJG,etal.Web-GISapproachtopreventiveconservationofheritageb