陕北明长城夯土密度与雨蚀破坏的量化研究

姚 雪

(1. 西南民族大学旅游与历史文化学院，四川成都 610071； 2. 西北大学文化遗产学院，陕西西安 710069)

0 引 言

明长城是重要的世界文化遗产，大部分处于室外露天环境下保存。根据《陕西省明长城资源调查报告》，现存的明长城保存状态堪忧。陕西省的明长城(明代延绥长城)分布在陕北榆林市，根据现场调查，降雨是陕北明长城的主要破坏因素之一[1-7]。明长城的雨蚀破坏模式分为干湿破坏、冲刷破坏和坍塌破坏[4]。目前，大多数对土遗址雨蚀的研究集中在病害调查和成因分析方面，对雨蚀形成过程中降雨和土遗址的相互作用研究较少。作者在前期研究中对五种长城典型遗址在大到暴雨条件下的雨蚀破坏特点和破坏过程进行了定性分析[6-7]，并发现夯土性质和雨蚀破坏模式间存在一定相关性。为完善前期研究成果，明确该地区土遗址的雨蚀发育过程，探索雨蚀量和夯土密度间的量化关系，本次研究借鉴土壤水蚀模型的研究方法和基本结构[8-18]，拟初步建立适用于当地特定条件下的夯土密度和雨蚀程度之间的量化关系。研究结果为探索多因素作用下夯土雨蚀的破坏机制提供方法借鉴，是土遗址病害机理研究的重要组成部分。

1 试验设计

榆林市榆阳区境内明长城大多数(90%以上)采用当地原生黄土夯筑而成[4]。本次研究采用当地原生黄土，参照榆阳区明长城原状土的工程参数，夯筑重塑样，表1中为重塑土的工程性质。重塑样外型按照保存较好的明长城单体建筑外形设计[3-5]，底面为边长15 cm(d=15 cm)的方形，整体为向上有一定收分的台体，按照单体建筑的1∶40大小夯筑。夯筑方法参考《秦汉时期长城墙体构筑工艺研究》[19]，夯筑参数来源于明长城抢险加固工程勘察设计资料。降雨设备采用组装的人工降雨装置模拟当地天然降雨。土壤雨蚀量的测量借鉴水土保持学和土壤侵蚀学中相关方法[16]进行，对降雨过程中产生的大块坍塌土采用宽口腻子刀迅速铲出，单独收集，称量其湿重后，搅拌均匀，采用烘干法测量含水率后计算坍塌土干重，对含沙水流中的含沙量采用比重瓶法测量，坍塌土重和含沙水流中含沙量质量之和为土壤雨蚀量[3]。

当地原生黄土的天然含水率极低在3%左右，干密度在1.5～1.9 g·cm-3之间。为保证重塑样的工程性质最大限度上和遗址土类似，同时考虑到自然环境中结露、前期降雨等因素对土体含水率的影响，将试验含水率区间设置为3%～7%。按照等间距原则，试验设定重塑样质量含水率3%、5%、7%，密度ρ为1.5 g·cm-3、1.6 g·cm-3、1.7 g·cm-3、1.8 g·cm-3、1.9 g·cm-3。为保证降雨效果，重塑样设计为底边长为15 cm的立方体，分层夯筑，脱模后放置避光通风处养护28 d。试验以土体密度表征土体强度，以流失土干重表征夯土雨蚀量。

表1 土的工程性质表Table 1 Engineering properties of soil

试验采用模拟降雨系统进行，(图1)降雨器距地面高度2 m，实际降雨面积4 m2，降雨范围内均匀系数大于0.8[3-4]。降雨强度和水压呈线性关系，雨滴直径、雨滴终速度符合水土保持学领域关于人工模拟天然降雨的参数要求[22-23]，满足本次试验研究需求。具体率定试验及过程见参考文献[3]和[4]。结合水土保持学研究成果[24-27]和前期研究成果[3-4]，短时间高强度的侵蚀性降雨是引起当地土壤侵蚀的主要降雨类型[24-27]。设计试验降雨强度为0.9 mm·min-1(1964—2012年降雨强度极大值)，降雨时长为45 min(1964—2012年侵蚀性降雨的最长降雨历时)[4]。

图1 室内模拟降雨发生装置Fig.1 Laboratory simulated rainfall equipment

2 试验结果及分析

2.1 密度对雨蚀破坏模式的影响

2.1.1 密度夯土的雨蚀破坏模式 密度1.5 g·cm-3和1.6 g·cm-3的重塑样品密度小，孔隙率大，这两种密度的样品代表当地风化程度较大、保存状态较差的长城遗址。下面以密度为1.5 g·cm-3样品的雨蚀破坏过程为例进行分析。

降雨启动，样品表面逐渐湿润，雨水迅速渗入表面疏松的土颗粒间隙，逐渐缓慢的提高表层土体含水率，使表层土颗粒完全湿化(图2)。一段时间后，样品顶部出现积水(图3)。试验中，样品的基础含水率越高，土体饱和、出现积水的时间越短。

图2 ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%土体表面无积水(2′37″)Fig.2 No water accumulation (2′37″)on the surface of soil sample (ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%)

土壤侵蚀学研究表明，雨滴溅蚀分散土壤颗粒使表层土体“板结”形成结皮层，这是造成土壤径流(即冲刷破坏)的主要原因[2]。500倍扫描电镜下观察该试样(图4)，夯土样品颗粒粗大，孔隙较多，细小颗粒间形成较大团聚体，团聚体间的疏松孔隙为雨水下渗提供通道，不易形成结皮层。

图4 ρ=1.5 g·cm-3夯土SEM图像Fig.4 Microstructure of soil sample (ρ=1.5 g·cm-3)

试验中降雨通过疏松孔隙迅速入渗，没有表现出径流和冲刷破坏但内部含水率逐渐增大。降雨结束后，土体外观保持完整(图5)，但微小的震动即可引起样品局部重力侵蚀甚至整体坍塌(图6)。岩土力学中关于土质边坡稳定性的研究成果表明[28-35]，土质边坡坍塌是由于降雨导致土体内摩擦角和粘滞系数(c、φ)减小抗剪强度降低造成的，当某一滑动面的剪应力小于其重力时就会发生坍塌。图6显示土体内部完全浸润，没有明显浸润线，据此推测样品的整体坍塌是土体内部含水率逐渐增加、抗剪强度逐渐降低的结果[28-35]。在无振动条件下，样品保持极限平衡当土体内部平衡被打破时，重力侵蚀发生。

图5 ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%降雨结束土体保持完整Fig.5 Soil sample (ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%)still complete after the rainfall

图6 ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%土体完全浸润坍塌Fig.6 Soil sample (ρ=1.5 g·cm-3，ω=3%)saturated and collapsed

密度小于等于1.6 g·cm-3的低强度夯土重塑样的破坏过程具有以下特点：雨水渗透迅速，但土体饱和所需时间较长，降雨过程中没有表现出水力侵蚀和局部重力侵蚀现象，降雨结束后样品基本保持原始形状，但处于极限平衡状态，微小震动即可引发重力侵蚀。

以密度1.5 g·cm-3和1.6 g·cm-3为代表的低强度夯土的破坏模式如下：在土体饱和前，降雨主要用于缓慢增加土体内部含水率，由于不易形成结皮层，试验中不表现出水力侵蚀现象(冲刷作用)，因水力侵蚀产生的土体雨蚀量较低，降雨结束后，样品容易发生整体坍塌。

2.1.2 高密度夯土的雨蚀破坏模式 密度1.7 g·cm-3～1.9 g·cm-3的重塑样土颗粒较小，结构致密，孔隙率较小。它们代表调查中保存状态较好、强度相对较高、风化程度较低的夯土长城。

以密度1.8 g·cm-3含水率3%夯土为代表的强度较高的夯土的雨蚀破坏过程如下。降雨开始，样品顶部迅速出现积水(图7)，积水难以渗入样品内部，向有一定倾斜角度的立面流淌形成泥浆(图8)，随着降雨持续进行，样品顶部边角部位开始发生局部重力侵蚀(图9)，随后发生大范围的坍塌(图10)，重力侵蚀是水力侵蚀继续发展的不良后果。图11为该样品试验结束后状态，泥浆流淌，发生坍塌，形制发生一定改变。测试样品的浸润深度，顶部4 cm完全浸润，立面约2 cm完全浸润，样品内部保持原始状态。

根据参考文献[2]中关于径流形成条件的阐述，结合图12，ρ=1.8 g·cm-3土样的500倍扫描电镜图像，分析高密度重塑样出现这种破坏形式的原因。高密度样品在制作时经过多次夯实，疏松的团聚体分散成为粒径较小的土颗粒(图12)。降雨试验开始，表层土体迅速吸水，由于密度大，结构致密，容易形成结皮层。当降雨强度大于土的渗透系数时，积水产生，径流形成。表层土体逐渐吸水饱和，抗剪强度逐渐降低，当抗剪强度小于饱和土体的自身重力时，局部重力侵蚀发生。由于结皮层的形成和土体自身结构致密，短时间高强度的降雨无法持续渗入样品内部，因此，降雨结束时，内部土体保持原状。

图7 ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%土体表面迅速积水(1′50″)Fig.7 Rapid appearance of water accumulation (1′50″ )on the surface of soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%)

图8 ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%土体出现径流(3′20″)Fig.8 Appearance of a stream flow (3′20″ )on the soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%)

密度大于等于1.7 g·cm-3的高密度夯土破坏的过程呈现出如下特点：降雨渗透缓慢，表层土体迅速饱和，形成径流，边角部位容易发生局部重力侵蚀；降雨无法完全渗透土体内部，仅有表层(2～4 cm)土体完全浸润，样品有明显的浸润线。

密度大于等于1.7 g·cm-3的高强度夯土的破坏模式表现为明显迅速的冲刷作用和局部重力侵蚀。试验中发现，夯土密度越大，冲刷作用越明显，冲刷造成的雨蚀量越大；夯土密度越小，渗透作用越明显，冲刷作用减弱，冲刷造成的雨蚀量相对越小。

图9 ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%土体小规模掉块(4′48″)Fig.9 Partial dropping (4′48″)the soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%)

图10 ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%顶部坍塌(8′59″)Fig.10 Collapsing (8′59″) of the top of the soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%)

图11 ρ=1.8 g·cm-3 ，ω=3%降雨结束后土体现状Fig.11 State of the soil sample (ρ=1.8 g·cm-3，ω=3%) after the rainfall

图12 ρ=1.8 g·cm-3夯土SEM图像Fig.12 Microstructure of soil sample(ρ=1.8 g·cm-3)

2.2 夯土密度与雨蚀破坏的量化关系

文献研究结果表明，土体的前期含水率对雨蚀量有直接影响[14-15]，对不同含水率状态下的夯土密度和雨蚀量(不包括降雨结束后发生整体坍塌的干土质量)间的关系进行研究，表2为三种含水率状态下不同密度样品的雨蚀量，图13为雨蚀量和密度间的回归曲线。

图13 土体密度-土体流失量回归关系图Fig.13 Regression relationship between density and loss mass of soil

密度和雨蚀量关系图显示，试验的三种含水率区间(3%～7%)内，夯土密度越大由于冲刷作用产生的雨蚀量就越大。

含水率3%夯土密度-土体流失量回归方程为：

Y=73.55209-2292.29408e(-ρ/0.40906)，R2=0.97

表2 夯土重塑样密度-土体流失量表Table 2 Data of rammed earth density-soil loss mass

含水率5%夯土密度-土体流失量回归方程为：

Y=19.78651+0.31913e(ρ/0.41825)，R2=0.87

含水率7%夯土密度-土体流失量回归方程为：

Y=41.86364+4.53303E-9e(ρ/0.0834)，R2=0.97

其中：Y为单场降雨下的土体流失量；ρ为夯土密度；三个回归方程的相关系数均在0.85以上，置信度可靠。

综上，当土体含水率在3%～7%区间内，夯土密度在1.5～1.9 g·cm-3区间内，短时间高强度降雨条件下，夯土的密度和雨蚀量呈指数函数关系，区间内递增，基本形式为

Y=y0+Ae(ρ/t)

其中：Y为土体流失量；ρ为土体密度；y0、A和t均为大于0系数。

从方程表达式上看，短时间高强度的降雨会导致强度越大的夯土样品因冲刷导致的雨蚀量越大。这是因为试验设计的降雨条件下低强度夯土的雨蚀破坏仍处于量变积累阶段，由冲刷作用引发的土体流失量较少。而高强度夯土已经进入水力侵蚀快速发育的阶段，由于水力侵蚀产生的土体流失量相对较大。

这一数学模型在土体含水率3%～7%范围内、榆阳区当地降雨条件下可以比较客观地反映长城遗址受降雨冲刷的情况。但是，以土体流失量作为单一指标衡量夯土的抗雨蚀强度具有一定片面性。受土体孔隙率影响，低强度夯土在侵蚀性降雨过程中表现为内部含水率缓慢持续增高，不表现出径流、冲刷、掉块等作用，土体流失量相对较小。但这并不表示降雨对低强度夯土的破坏小。降雨导致低强度土体内部含水率增高、抗剪强度降低、安全系数降低，极大增加了低强度夯土坍塌的风险。在今后的夯土雨蚀机制研究中应综合考虑到外形、结构缺陷等参数，综合考虑多种因素耦合作用下夯土的雨蚀破坏程度，建立完善的多因素耦合作用方程，以达到预测夯土文物雨蚀的目的。

3 结 论

1) 在设计降雨条件下(短时间高强度侵蚀性降雨)，低密度夯土重塑样(1.5 g·cm-3和1.6 g·cm-3)的雨蚀破坏仍处于提升土体内部含水率的积累阶段。高密度夯土重塑样(1.7～1.9 g·cm-3)的雨蚀破坏形式表现为水力侵蚀中的冲刷破坏和局部重力侵蚀。

2) 土体含水率在3%～7%区间内，由于冲刷作用产生的夯土雨蚀量和夯土密度呈指数函数关系，表现形式为Y=y0+Ae(ρ/t)，其中，Y为土体流失量，ρ为土体密度，y0、A和t均为大于0系数。在土体含水率3%～7%，土体密度1.5～1.9 g·cm-3条件下呈现增函数关系，即夯土密度越大，由于冲刷作用导致的夯土雨蚀量越大。

3) 结合实际降雨条件，夏季的短时间集中爆发式降雨对保存较好，风化程度低的遗址的整体稳定性影响不大，但冲刷破坏造成的泥浆流淌影响遗址外观。保存较差、风化程度较高的遗址表现为干湿破坏，整体稳定性下降，发生坍塌破坏的风险增大。

4) 以土体流失量作为单一指标衡量夯土耐雨蚀程度是不全面的，容易忽视降雨增加的夯土发生坍塌破坏的风险。在今后的研究中应综合考虑到遗址外形、结构缺陷等在雨蚀过程中的作用。