夯土长城病害调查与监测方法探讨

许德臣　张晓东　柳君君　张翔　徐晓君　陈颖　马庆珍

[摘要]通过对嘉峪关境内夯土长城现存状况进行调查，发现长城及独立墩台存在基础掏蚀、风化酥碱、局部坍塌、雨水冲蚀、冻融循环等病害，其本身的构筑方式加上降雨等的共同作用是引发病害的主要原因。针对目前存在的病害，结合日常监测情况，探讨切实可行的夯土长城监测方式方法。

[关键词]病害调查；夯土长城；监测方法

[中图分类号]G264 [文献标识码]A [文章编号]1005-3115（2016）8-0072-02

根据长城工作者多年的实地调查和查阅历史文献，新疆、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河北、北京、天津、辽宁、吉林、黑龙江、河南、山东、湖北、湖南16个省、市、自治区都有长城遗迹。各省、自治区保存长城的时代、多少、完整程度不同。其中以内蒙古自治区境内的长城长度最长，据初步调奄约有15000公里。由于北方特殊的环境使秦长城、汉长城和明长城保存遗迹最多。秦长城西起甘肃临洮，经内蒙古狼山县、阴山山脉、山西大同和内蒙古赤峰，直到吉林省一线，遗迹断续可见；西汉长城的城障、列城、烽燧，西起新疆维吾尔自治区，沿燕山山脉，越内蒙古自治区迤逦而东，直达黑龙江的西面，全长近10000公里，是我国古代所修筑的最长的长城，其遗址在今天我国的新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地可见；明长城西起嘉峪关，东至山海关，至今大部分保存完好。甘肃是全国保存不同历史时期长城遗迹最多的省份之一，拥有战国秦、汉、明等各时期的长城遗址，索有“长城天然博物馆”之称。

无论是保存现状还是建造规模，嘉峪关明长城都居于甘肃首位。宋元以前有关无城。明初，宋国公冯胜略定河西，截敦煌以西悉弃之，以此关为限，遂为西北极边，筑以土城，周围二百二十丈，高二丈余，阔厚丈余。址倚冈坡，不能凿池。嘉峪关塬南有祁连，北有黑山，南北相距仅30余里，为河西走廊狭窄之处，自汉以来据西域前沿，扼丝路咽喉，为兵家必争之地，塬下九眼泉，泉水终年不竭，人马可饮，遂于其上建造关隘，名曰“嘉峪关”。嘉峪关地处中国西北内陆，属于温带大陆性荒漠气候，春冬季寒冷且多风沙，夏秋季干旱少雨且日照强烈，这在某种程度上有利于土遗址的保存。随着时光流逝，嘉峪关境内明长城出现了相应的病害，如基础掏蚀、风化酥碱、局部坍塌、雨水冲蚀、冻融循环等。

一、长城构造特点及使用材料

嘉峪关境内明长城基本由夯土版筑而成，以黄土为主，部分遗址土中夹杂有沙土、漂石、芨芨草、红柳、圆木等，夯层厚度10-26厘米，以15-20厘米为主，均呈下宽上窄构造，刨面成梯形。部分墩台采用长35-39厘米、宽20-27厘米、厚7厘米的土坯砌筑，土坯表面采用草泥抹面加以保护。

二、夯土长城及独立墩台现存状况

嘉峪关境内长城主要为黄土夹沙夯筑，分为西长城和东北长城。西长城明墙段地处讨赖河峡谷至关城南段，四周开阔，处于强风沙环境中，目前比较严重的病害现象主要为：基础掏蚀、风化剥落等病害。西长城暗壁段由于受黑山的屏护，风沙蚀程度较轻，保存相对较好。东北长城由悬壁长城至野麻湾，长城四周环有农田，当地农民在20世纪六七十年代兴修水利时有所破坏，形成缺口，保存情况相对较差，农田附近部分长城已基本消失。境内和境外墩台、敌台同样也出现了很多病害，如局部坍塌、雨水冲刷、风化酥碱等病害。

三、夯土长城监测方法初步探讨

（一）水分盐分监测

嘉峪关常年干旱少雨，城墙在夯筑过程中未充分考虑防渗排水功能的设置，近年来嘉峪关降雨逐渐增多，突发性降雨频率和强度不断增大，致使城墙内部含水量不断增大，加之嘉峪关强烈的蒸发作用，致使土壤的毛吸作用增强。盐分运移和水分运移是密切相关的，水分运移是盐分运移的载体，在土壤水的运动过程中，盐分随水发生运移，其中土壤自由水的对流运动在盐分运移中起主要作用。在水分运移过程中带动可溶盐的运移，使可溶盐在城墙表面不断富集，破坏了土壤结构，加速了遗址破坏进程。为了准确研究水分运移同可溶盐运移的关系及其对城墙的破坏机理，采用墙面水分仪和土壤盐分计对城墙进行水分和盐分监测，在监测过程中根据实际病害发育状况确定监测点位及分布，在每次进行水分监测时同时进行盐分采样实验分析，将监测数据上传监测预警管理平台，通过关联分析功能子系统分析，找出水分同盐分运移之间的线性关系，基于监测数据研究分析其对城墙风化酥碱的影响及破坏机理。

（二）环境监测

嘉峪关地处中国西北内陆，属于温带大陆性荒漠气候，独特复杂的气候环境加之近年的环境污染，在某种程度上加快了土遗址的破坏速度。为了精确掌握遗址所处的真实环境，理清环境和遗址破坏之间的关系，有必要开展遗址地空气温湿度、气压、全辐射、降雨量、蒸发量、噪音、风速风向、大气污染等的监测。将监测数据汇总分析各要素的变化规律，通过SSA等深度大数据处理手段探讨遗址区气候年度、季节、昼夜的变化特征。

（三）冲蚀监测

降雨对遗址的直接作用而产生的破坏主要为侵蚀破坏，发生在降雨过程中。因强降雨在遗址表面形成径流而产生水力侵蚀或加剧重力侵蚀，不断破坏遗址土体结构，形成沟状或面状的侵蚀。实质是遗址土日被降雨或径流侵蚀和搬运而不断流失，致使遗址形貌改变、形体减小。按破坏表现形式的不同，侵蚀破坏主要分为冲沟侵蚀和片流面蚀。嘉峪关虽常年干旱少雨，全年平均降水量为87.5毫米，但降雨相对集中且瞬时降雨量大，截止2015年9月8日8时，嘉峪关降水量已经达到106.8毫米，比往年全年平均降水量还高22%。夏季降雨对遗址的破坏最为严重，可在版筑接缝或易形成汇流的部位采用冲蚀探针开展冲蚀监测。定期读取监测数据并上传监测预警管理平台，同降雨量进行关联分析，准确得出降雨对夯土长城的破坏程度。

（四）风沙监测

嘉峪关地处祁连山和黑山之间，常年多风少雨且风力强劲，风沙对城墙的破坏较为严重，局部只剩城墙残基且已被浮沙淹没，风沙量监测显得很有必要。在风蚀相对严重且具有代表性的部位，根据风向及流沙堆积情况开展风沙量监测。采用阶梯式积沙仪定期对不同高度风沙量进行监测，同风速风向进行关联分析，研究风速变化对沙石搬运量的影响和对城墙的破坏力度。

（五）土壤温湿度监测

冻融循环是指土体温度介于结冰点上下波动时所产生的冻结和融化的循环过程。冻融循环作用可以实现土体结构性的改变，反复冻融可以破坏土体的原生结构和土颗粒之间的胶结，亦可以使土体颗粒重新排列。嘉峪关四季温差较大，冻融是加速嘉峪关境内夯土长城消失不可忽视的重要因素，为准确了解冻融循环对长城的破坏程度及机理，有必要开展土壤温湿度监测，分不同深度不同环境进行夯土长城温湿度监测，以便研究温湿度变化对夯土长城的破坏机理。

四、结语

近年来，随着气候变化，遗址的破坏呈加速发展，病害不断增多加重，为延缓病害发育趋势，有必要开展遗址地周围环境监测。在日常监测过程中可能会碰到新的问题、新的困难，需要探索不断完善监测理念及监测方法，才能充分发挥遗产监测的真正效能。