嘉峪关长城第一墩病害成因及监测技术探寻
摘要：
嘉峪关长城第一墩本体长期受自然和人为损害，特别是经过多年的风雨侵蚀，风化剥落现象十分严重。第一墩下方崖壁由于受河水的冲刷、侵蚀，使得崖体底部被掏空，加之自然卸荷等因素的影响，在第一墩东西两面崖顶地面上形成了大量的裂隙，这些裂隙危及第一墩和明长城的保存。对第一墩本体病害和赋存崖体稳定性进行监测，将能有效预测病害的发展趋势，达到及时预警、预防危害发生的目的。
一、概况
长城第一墩位于嘉峪关关城南7.5km处，是明代长城西端台墩的起点，又名“讨赖河墩”和“头墩”。它由明代甘肃镇肃州兵备道李涵筑于嘉靖十九年，依存于讨赖河高达56米的悬崖峭壁之上，原高14.5m，底边长、宽均为14.5m，呈正方形棱锥体。现存遗址长13m，宽10m，最高处高9m，表面积约200㎡。墩台下河岸崖壁经过数百年的风雨侵蚀、河水冲刷，已发生多次坍塌，致使墩台的一部分随着崖壁的沙石塌入河谷。墩台东侧，距河岸边缘约1.8m处，有一条长几十米，宽约10cm的裂缝直抵墩台，墩台底部也出现明显的裂纹。2002年12月，嘉峪关一带发生5.6级地震，墩台西侧河岸又开始出现裂缝，墩台及其载体的稳定性受到极大的威胁。
近年来，为保护墩台，在讨赖河北岸修筑了拦河坝，用以阻隔河水对崖体基础的冲刷。对墩台本体结构进行了补强措施，并对墩台表面进行了防风化加固措施，这些措施对第一墩的安全起到了有效的保护作用。同时为有效防止崖壁岩体在自重及外力作用下发生倾倒、崩塌等破坏，对第一墩正下方及地下博物馆扩建场地下方的崖壁岩体进行了系统锚固工程，区域崖体的稳定性得到了提高。但第一墩至博物馆间的崖壁亦有卸荷开裂、下部受河水冲刷、崖体悬空等问题，急需开展对崖壁稳定性的监测。
1.1 地形地貌
第一墩位于嘉峪关关城南7.5公里处的讨赖河北岸边缘。墩台所在地区在地貌上位于祁连山麓冲积扇，受祁连山雪水和雨洪常年冲刷，冲积扇被切割成了一个深深的大峡谷，形成了讨赖河。讨赖河属常年性河流，呈“S”型流经墩台崖体下面场地，由于受河水常年冲刷、侵蚀，在场地内形成了相对高差56m，宽170m的“U”字型非岩质大峡谷，峡谷两侧陡峭，峡谷顶部两侧地形相对平坦。场地内主要为古人遗留的长城遗迹。
1.2 气候特征
本区属温带大陆性荒漠气候，其主要特点是昼夜温差大，雨量小，蒸发强，日照长。年均气温在6.7℃—7.7℃之间，6-7月份最热，日平均最高气温23.4℃，元月份及12月份最低，日平均气温-9.8℃；多年平均降水量为87.09mm；春季多风。全年大风（≥8级）达30天，极端最大风速25.7m/s,风向西北，平均风速2.4m/s。嘉峪关市多年标准冻结深度为132cm，属季节性冻土。
二、第一墩本体病害现状
2.1片状剥离
片状剥蚀是土遗址在外营力或内营力的作用下表面疏松起壳，在外力或重力作用下成片状或小块状脱落。其中包含有四种形式，即雨蚀剥离、风蚀剥离、温度剥离和裂隙剥离[2]。嘉峪关长城第一墩因其所处干旱环境中温湿度变化巨大且风力过强，遗址表面的薄弱部分易形成大小不等的脱落。（如图1）
图1
片状剥离
2.2酥碱
酥碱是指在水的作用下，土体内部的盐分在土遗址表面富集，由于盐分的反复结晶—溶解，土体结构不断疏松，在外营力作用下土遗址不断被掏蚀凹进[3]。此类病害主要出现在一墩基础部位，表现为土质极为疏松，孔隙多，较密集，土体表面疏松，呈粉粒状掉落。（如图2）
图2
酥碱
2.3冲沟
由于雨水长期作用，在土遗址表面低洼部分易形成冲沟，主要有裂隙型冲沟和径流型冲沟。第一墩墩台由于长期的风化侵蚀、酥碱和块状剥落，在其中部形成一个凹陷的聚水区域，受长期短时强降雨作用影响，已经形成一个裂隙型冲沟。（如图3）
图3
冲蚀
2.4裂隙
裂隙是指土遗址在外力和内力综合因素下形成的裂缝（裂隙）。主要有卸荷裂隙、构造裂隙、变形裂隙、建筑工艺裂隙等[4]
。一墩本体在强烈日温差引起的反复胀缩、冻融、卸荷和地震等自然因素影响下产生纵横交错的裂隙，主要为卸荷裂隙和冲沟裂隙。长期的雨水侵蚀、冲刷，使裂隙进一步延伸，导致土体逐渐开裂坍塌。（如图4）
图4
裂隙
三、第一墩赋存环境病害现状
3.1 崖体的病害特征
由于长城第一墩所处的崖壁陡峭，且崖壁下部有讨赖河流过，在漫长的历史年代中，受各种自然因素与人为因素的长期影响，自第一墩西侧至博物馆下部的崖壁岩体不断卸荷开裂、风化剥落，崖壁顶部地面出现宽大的裂隙，崖壁整体稳定性逐渐降低。虽然第一墩西侧至正下方及博物馆处崖壁已进行过锚固处理，但第一墩至博物馆之间、博物馆东侧的崖壁锚固工程尚未完成，此段崖壁仍然存在开裂、坍塌危险。
3.1.1 崖体裂隙发育
在崖壁顶部，主要分布有两条延伸较长、贯通张开的卸荷裂隙，其中1#裂隙（如图5）距崖壁边缘约3.8m，裂隙可见范围为第一墩东侧45-50m范围内，崖壁直立，危岩体沿整个崖面连续分布，呈板状，危岩体主要由厚层砾岩组成，岩质较软弱，表层岩体风化较为严重，常呈鳞片状剥落。可见长度为45m，裂隙宽度为2-5mm；受后部卸荷裂隙切割及风化作用的影响，在该区形成了大面积的板状和片状危岩体，崖壁表层片状危岩体的稳定性较差。若卸荷裂隙继续不断向后牵引发展，将影响该区岩体的稳定，更重要的是第一墩本体就在该区正上部，该区岩体是否稳定，直接关系着第一墩本体的安全；2#裂隙（如图6）距崖壁2.0-5.6m，裂隙可见范围为观景台至观景台以西78m，可见长度78m，裂隙宽度为20-800mm。两条卸荷裂隙切割崖体，已形成危岩体，该区危岩体主要受后部陡倾卸荷裂隙切割控制，卸荷裂隙走向与崖面走向平行，近直立，表现为上宽下窄，裂隙张开宽度为20-800mm。危岩体高54m，宽78m，厚2.0-5.6m。危岩体底部受河水淘蚀，局部悬空。危岩体的存在威胁着长城第一墩及博物馆的稳定，如不对其进行工程加固，将给长城第一墩、游人和相关设施的安全带来极大的安全隐患。
图5
1#裂隙
图6
2#裂隙
3.1.2 崖底河流冲刷
讨赖河出山口径流呈明显的季节性变化，一般规律是：冬季由于河流封冻，地下水补给，是径流的最枯时段，1-3月径流量占年径流量的7.1%，3月以后，随着气温升高引起融雪和解冻，径流量增大，4-5月径流量占年径流量的11.8%，夏秋雨季是流域降水较多而且集中的时期，6-9月的径流量占年径流量的55.7%，10-12月为河流退水期，径流量占年径流量的25.4%。历史上，讨赖河水常年从崖壁基础流过，对崖壁基础冲刷十分严重。嘉峪关市政府从2013年开始的《讨赖河嘉峪关市区段生态环境治理工程》，在第一墩所处的崖壁底部修建了一条拦河坝，用以隔离讨赖河对崖底的冲刷，从而对崖壁基础起到了一定的保护作用。（如图7）
图7
第一墩崖壁基础处讨赖河拦河坝
3.2 病害成因分析
3.2.1 地形地貌及地层岩性是崖壁稳定性差的内因。
该段崖壁由于河水的冲刷、侵蚀，已经形成了一相对高差56m、宽170m的非岩质大峡谷，峡谷壁陡立，在坡脚处形成应力集中，坡顶边缘部位在卸荷作用影响下，易形成拉力带，产生卸荷裂隙。从野外实地观察，其谷壁岩性均为Q3apl卵石，泥质胶结，岩体胶结强度较低，整体性差，易于变形失稳。
3.2.2 河流冲刷和地震影响是崖壁岩体失稳的直接原因。
工程区崖壁位于讨赖河河岸的边缘，由于河流在此河谷坡降大，平均流速高，特别是7～8月份洪峰时流量剧增，水流具有较大的输沙能力，为侵蚀性河床。流水对河床及河岸的冲刷侵蚀，会引起岸坡岩体的崩塌，使上部临空侧陡立崖壁失去部分支撑。此外河水的浸泡，使坡脚部位岩体中的泥质胶结软化，造成岩体强度降低，加剧坡脚部位的应力集中，为崖壁失稳埋下隐患。
3.2.3 地表水沿裂隙流入对弱化崖壁岩体稳定有重要影响。
由于现有卸荷裂隙张开，雨季时降雨沿裂隙流岩体，本区岩体在遇水的情况下极易软化，导致裂隙切割深度不断增加，危岩体与母岩剥离面积扩大，危岩体稳定性变差。
四、监测内容及方法
4.1 本体监测
4.1.1 整体外形监测
三维激光扫描技术是近几年发展起来的一种新技术，具有扫描精度高、速度快、多方位、无接触、易操作等特点，在文物保护测绘工作中得到越来越多的应用。
三维激光扫描仪可以将三维点的坐标通过控制点转换到相对应的地面坐标系中，因此模型的每一个点都有规定坐标下的真实坐标，可以对模型进行测绘，从而避免与目标直接接触，最大程度地减少对文物本体的损害[
]。运用三维扫描仪对一墩本体进行扫描，获取一墩本体的三维点云数据就可以建立三维数值模型，对模型进行直接测绘，可得出一墩本体的体积、面积、裂缝、坍塌缺失等量化值。将两次定期扫描的图片在同等对应位置进行平面切割，将可以对比计算出墩台表面风化脱落、酥碱、雨水冲蚀、坍塌缺失等外形病变发展的趋势和速率。根据监测结果可及时准确做出预警评估，采取相应保护措施。对一墩本体的三维扫描可初步确定为1年扫描一次。
4.1.2 裂隙监测
为了避免对本体造成破坏，对本体裂缝的监测可考虑应用三维扫描仪和远距离裂缝观测仪相结合进行监测。在裂缝病害正面设站，进行精细的三维扫描，通过扫描结果分析计算出裂缝的深度及长度信息。也可以选择在冬季和夏季定期扫描两次，将两次扫描的结果进行量化分析，计算出裂缝在温差变化下发展的趋势；采用无损的远距离裂缝观测仪，定期对本体存在的裂缝长度、各处宽度、最大宽度等进行监测，这样既能弥补三维扫描仪扫描代价高、分析技术难度大的缺陷，又能结合三维扫描仪对裂缝的精细扫描数据，综合掌握裂缝整体变化趋势和速率。
4.1.3 冲蚀监测
一墩本体受所处地区气象环境的影响，遭短时强降雨破坏显著，为了更好的对雨水冲刷情况进行监测，有必要在雨水冲蚀严重部位安装一个带刻度的探针，进行水土流失监测。安装位置可选在水流最急、流速最快、冲刷最为严重的部位。经现场勘查，水流最急部位离地面约1.5m,安装在此处也便于巡查人员读取数据。巡查人员定期去现场读取探针表面刻度位置，通过和历史读数的对比，计算出探针安装部位的水土流失量。此探针体积小，安装时对本体破坏小，属不锈钢材质，耐腐蚀，刻度也可保持多年不腐蚀不变形，且无需供电，属于纯物理测量仪器，方便观测。
4.2 赋存环境监测
4.2.1气象环境监测
第一墩所处地区属温带大陆性荒漠气候，具有日照强、温差大、降雨时短但强度大、蒸发量大等特点，第一墩本体又位于崖壁顶层，位置突出，周边为荒漠戈壁，无以遮挡，使得风力、温湿度、日照辐射等气象因素对本体病害的影响明显，因此有必要在第一墩设立全自动气象站，对其所处气象环境进行实时监测。实时监测内容包括风速、风向、温度、湿度、雨量、蒸发量、日照时间、太阳辐射八要素。
通过对气象的八要素进行监测，能有效分析出风力、雨量、蒸发量等因素对本体的破坏情况，并做出准确评估。
4.2.2 崖体裂缝监测
第一墩本体所赋存的崖壁受多种因素的影响，其崖顶地面上形成了大量的裂隙，严重威胁着本体的稳定性，必须采取有效的监测手段。因崖壁开裂程度较严重，在岩体深部安装实时监测仪器的施工难度大，危险系数高，因此，监测重点只能考虑以地表位移和裂缝监测为主。可在崖顶裂缝处埋设双向测缝计，这样就能同时监测崖壁裂缝的纵向和横向变动情况。及时预见其位移和开裂的速率，达到预警目的。
五、结论
5.1 病害分析
通过大量的实地调查及分析，嘉峪关长城第一墩遗址本体的主要病害有片状剥离、酥碱、冲蚀、裂隙等，其赋存环境的病害重点是崖壁的悬空和卸荷开裂。病害是在遗址自身因素与环境影响因素的共同作用下形成的。环境影响因素主要为风蚀、雨蚀、温湿度变化、河流冲刷、地震等。分析嘉峪关长城第一墩遗址发育的主要病害及其成因，将有利于对该遗址采取科学合理的监测措施，达到预警作用。
5.2监测方式
以安装固定监测仪器进行实时监测为主，辅以便携式监测仪器开展日常监测。日常监测可使用探地雷达监测墩体土内的空洞、滑移断层；用全站仪监测第一墩的地基、墩身局部下沉或鼓起变形；用盐分计和水分计监测墩体土质盐碱度。
5.3 监测仪器的选型
监测仪器要求能适合现场条件，长期稳定性好，并能满足工程的精度和量测。数据采集和发射装置要求能与已开发的世界文化遗产监测预警管理信息平台对接，能够实时将数据传输回软件平台。
5.4 监测布置上的总体考虑
考虑到其赋存崖体对一墩本体的危害现状，在监测布局上既要兼顾墩台整体稳定性监测，更要关注崖体局部开裂、崩塌等危害性的监测；考虑到监测施工的安全性，以岩体表面位移监测为主。
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