嘉峪关西长城（明墙段）夯土墙体病害特征与危害性调查分析

关海萍

摘 要：长城，纵横数万里，经过长期的历史积淀，孕育了丰富的文化内涵，成为中华民族的精神象征和重要标志。嘉峪关作为明代万里长城的西端起点，其防御体系完整，本体类型丰富，地域特征明显，“因地制宜、就地取材”特点突出，在西北土质长城中具有典型的代表性。几百年来，受西北地区风沙、雨雪和急剧温湿度变化的冻融等自然因素影响，夯土墙体表面风蚀、片状剥离、土质酥碱、裂隙发育、基础掏蚀凹进、冲沟发育、生物侵蚀、坍塌等病害发育明显。文章通过一年时间内运用常规监测的方式，对嘉峪关西长城（明墙段）的赋存环境、本体病害进行跟踪监测调查，梳理、分析本体病害特征及危害性。

关键词：嘉峪关;西长城;常规监测;病害特征;危害性

嘉峪关，明代万里长城的西端起点。明王朝从洪武到万历朝的200多年间，为巩固西北边防，在嘉峪关两翼及周边修筑了由关堡、墙体、壕堑、烽燧等要素构成长城防御体系，其防御体系完整，本体类型丰富，地域特征明显，“因地制宜、就地取材”特点突出，在西北土質长城中具有典型的代表性。

风沙、雨雪和急剧温湿度变化的冻融等自然因素，会导致夯土墙体表面风蚀、片状剥蚀、土质酥碱、裂隙发育、基础掏蚀凹进、冲沟发育、生物侵蚀、坍塌等病害较多发生、发育。2013—2015年，嘉峪关长城本体保护工程实施时，针对上述病害进行了维修根治。目前，受气候等外界因素影响，上述病害又有新的发生、发育。为摸清墙体病害发育主导诱因，发生、发育速度等特征，结合嘉峪关长城本体保护工程维修资料，2020年，嘉峪关长城保护研究所运用常规监测的方式，对嘉峪关西长城（明墙段）夯土墙体的赋存环境、本体病害进行为期一年的不间断跟踪监测调查，基本摸清了本体病害特征及成因。

1 嘉峪关西长城（明墙段）概况

西长城位于嘉峪关关城南北两翼，南起讨赖河北岸河沿，北至黑山南缘山腰处，全长13.24千米，是嘉峪关长城防御体系的重要组成部分。人们通常称关城南面的长城为“明墙”（修筑在戈壁滩上，在关外可以看到，故称为“明墙”），关城北面的长城为“暗壁”（靠近嘉峪山东麓，在关外因山塬阻挡无法看到，故称为“暗壁”）。

西长城为嘉靖十八年（1539）兵部尚书翟銮巡边至嘉峪关，发现壕堑淤损，肃州兵备李函请议修筑长城，嘉靖十九年（1540）修建。《明世宗实录》卷299载：“丙申，行边使兵部尚书翟銮言，嘉峪关最临边境，为河西第一隘，而兵力寡弱，墙壕淤损，乞益兵五百防守，并修浚其淤损者，任于壕内填筑边墙一道，每五里设墩台一座，以为保障，上从其议。”《肃镇华夷志》又载：“嘉靖十八年七月，大学士翟銮行边时，肃州兵备李函既诸行边执事，驻节嘉峪，阅视隘口，请议筑修边墙以备西边。翟公许可，越明春暮，遂议筑边，南北与关相连。南自讨来河，北尽石关儿，其延三十里。”①

西长城明墙段，南起讨赖河北岸高达56米的悬崖峭壁之上，与讨赖河墩相邻，北至嘉峪关关城，与外城墙相连，全长7.5千米。长城资源调查资料显示，西长城明墙段从南向北依次分为一墩长城、二墩长城和三墩长城dg 段，长城沿线修筑有一墩烽火台、二墩敌台和三墩敌台。

长城墙体用黄土夯筑，土质以黄沙土和黄色胶土为主，夯土中分层间夹铺设有砾石层，夯层厚0.13～0.18米，砾石层粒径为0.05～0.30米，墙体底宽4米、顶宽1.80米、高0.60～4.70米，局部段顶部残存女墙，厚0.60米、高0.50米。受风沙、雨水、冻融和急剧温湿度变化等自然因素以及修建铁路、管线横穿、开挖便道等生产建设活动人为因素影响，三墩长城保存较好1041.70米，遗留722.85米，消失264.55米;二墩长城保存较好2203米，消失21米;一墩长城保存较好38米，遗留2069米，消失13米。

长城沿线的一墩烽火台与墙体相邻，相距1米，二墩敌台和三墩敌台依墙而建。三座台体均为黄土夯筑，土质以黄沙土为主，平面呈正方形，剖面呈梯形，自下而上略有收分，高7.8～11米。

2 长城沿线区域赋存环境特征

2.1 区域地质特征

西长城明墙段沿线区域地处祁连山北麓讨赖河南岸的祁连山地层结构延伸的嘉峪关—文殊山隆起地带，第三纪至第四纪时期形成的嘉峪关断层中段的逆断层边缘，三墩长城途经断层陡坎，二墩长城东侧紧邻断层陡坎。长城西侧地势平坦开阔，地貌景观属戈壁砾石地貌，植被脆弱稀疏。

2.2 气候特征

嘉峪关市属典型温带大陆性干旱气候，气候干燥，气温变化幅度较大，日照强，风沙多，降雨量小且蒸发量大。据2018—2019年的气候数据统计，嘉峪关年均气温6.7～7.8摄氏度，年均降水量131.7毫米，蒸发量为2125.58毫米，夏秋季多东南风，冬春季多西北风，年均风速2.9米/秒，平常风力多为3～4级。①

2.3 人文环境特征

嘉峪关关城和南北两翼长城（明墙、暗壁）地处嘉峪关黑山和文殊山之间最狭窄之处，自古以来是河西走廊重要的交通节点。西长城明墙段南北向横跨东西交通要道，人文环境较为繁杂。西气东输、西油东输、兰（州）新（疆）铁路、兰（州）新（疆）高铁、G30连（云港）霍（尔果斯）高速公路、312国道均东西向穿越西长城明墙段，长城第一墩景区在一墩烽火台和一墩长城处建成并对外开放。

3 本体病害特征及危害性调查分析

2013—2015年实施嘉峪关长城本体保护工程时，西长城明墙段的表面风蚀、片状剥蚀、裂隙发育、基础掏蚀凹进、冲沟发育等病害得到了有效治理，但对于西长城明墙段这类以黄沙土和黄色胶土为主的土质长城而言，在嘉峪关戈壁地貌的自然环境下，风沙、雨雪和急剧温湿度变化的冻融等自然因素，随时会引起长城本体各类病害的重新发育。嘉峪关长城保护研究所经过一年多的时间对长城本体赋存环境和病害进行不间断的监测调查，发现长城本体上重新发育的病害类型主要有片状剥蚀、酥碱、掏蚀等。

3.1 片状剥蚀

片状剥离是西长城明墙段新发育的主要病害，在墙体和单体建筑夯土表面发育较多。发育特征为在墙体表面产生，呈鳞片状分布，在风蚀和雨蚀的作用下进一步劣化，在重力作用下呈片状或小块状剥离脱落（图1）。此类病害成因主要是土体本身性质（土质成分和可溶盐含量）与外界赋存环境影响下产生夯土表面疏松结壳，在风、雨等外力和重力影响下造成片状或小块状夯土剥离脱落。其诱因为土体成分和可溶盐含量的不均匀，长期在外界环境中受降水和蒸发循环影响，可溶盐聚集和盐分收缩，破坏了墙体表层土体的原结构。

西长城明墙段新发育的片状剥蚀病害，主要是由于在保护维修时对夯土墙面采取了防风化处理措施，用喷洒或滴注PS液（一种高模数的硅酸钾溶液）渗透加固的方式加固墙体表面土质，以提高土质强度，达到防止风化和雨蚀的效果。但在嘉峪关日照强、气温变化幅度较大等气候条件的赋存环境中，随着近年来降水量的增加，受风蚀、雨蚀、急剧温湿度变化的冻融的热胀冷缩等因素影响，诱发了片状剥蚀病害的重新发育。

危害性分析：由于片状剥蚀病害发生于墙体表面，起初对墙体稳定性危害较小，造成长城本体表面斑驳，影响长城外观。但随着病害的继续发育，剥蚀深度的劣化加剧，将会影响到长城本体的稳定性。②

3.2 酥碱

酥碱病害主要分布在西长城明墙段墙体根部和维修夯补层与原墙体结合处。发育特征为从夯补层与原墙体的结合部向上在原墙体上发育并呈横向带状分布，原墙体土体内部的盐分析出结晶，造成土体疏松粉化（图2）。酥碱病害成因主要是在水的作用下，引起土体内部的盐分在土体表面富集并析出结晶，在膨胀、收缩的反复作用下，造成土体疏松。

西长城明墙段在实施保护维修时，对原墙体根部掏蚀病害部位进行了夯补加固，夯补用土采用添加新材料的改性土，提高了土体的强度和耐水性。墙体根部夯补加固后，夯补加固层土体强度大于原墙体，衔接处易出现干缩裂缝，外界水进入裂缝后，对改性土夯补层的危害较小，容易引起原墙体土体中的易溶盐向表層富集析出结晶，诱发新的酥碱病害。

危害性分析：墙体和单体建筑根部是遗址安全稳定的关键所在，也是酥碱病害多发部位，地面水汇集侵蚀和冬季雪的堆积后的急剧温湿度变化的冻融直接诱发墙体根部酥碱随着病害的继续发育和加剧，在风蚀作用下造成墙体掏蚀凹进，危及墙体的稳定性，最终引起墙体坍塌。

3.3 掏蚀

掏蚀病害是嘉峪关西长城明墙段新发育病害之一。发育特征为掏蚀病害多发育在墙体和单体建筑的东侧面，在维修夯补层根部和维修夯补层与原墙体结合部呈横向带状（图3），深度为3～7厘米。此类病害成因主要是土体内的盐和雨、雪、水、风、急剧温湿度变化的冻融活动单独或组合作用下不断掏蚀凹进形成的。一是水的作用形成。水是造成长城墙体和单体建筑各类病害发育的诱发剂，对各类病害发育产生、发展、加剧起着至关重要的作用。降雨及长城周边区域地面汇集水对墙体和单体建筑根部的冲刷和渗入，使表层一定深度内的夯土体含水率达到饱和进而迅速崩解，土体中的盐分析出，诱发酥碱，在外营力的作用下形成掏蚀。二是急剧温湿度变化和冻融作用形成。冻融是掏蚀病害发育的主导因素之一，嘉峪关昼夜温差较大，冬季寒冷多降雪，冬季雪堆积在墙体和单体建筑根部，急剧温湿度变化和冻融引起土体内盐分在水的作用下发生运移，导致土体的不均匀收缩和酥碱疏松，在外营力的作用下形成掏蚀。三是风的作用形成。西长城所在区域的风携带有砂粒，携沙风对疏松土体的撞击磨蚀作用极大，携沙风在墙体根部形成涡流对土进行磨蚀作用下非常容易形成单独的风蚀凹进掏蚀。与此同时，风能加速了水和冻融引起的酥碱掏蚀的劣化加剧。

危害性分析：掏蚀病害的进一步发育，会造成墙体和单体建筑的根部掏蚀形成巨大的临空面，降低墙体和单体建筑整体抗倾覆能力，较为容易发生夯土体分层坠落，引起墙体和单体建筑局部或整体坍塌。

4 结语

通过调查分析，对于极其脆弱的嘉峪关土质长城来说，长城周边复杂多样的赋存环境对长城保存状况的直接影响较大，是长城本体病害形成、发育的诱发剂和助推剂。嘉峪关西长城明墙段在进行过保护维修后，治理解决了以前危及长城本体安全的各类病害。目前，受当地气候环境等外界因素的影响，长城本体各类病害又开始重新发育，随着时间的推移，各类病害继续发育将会对长城本体安全造成威胁。

为此，对于嘉峪关的长城保护工作而言，开展预防性保护工作尤为重要，通过对长城的赋存环境、本体病害、安全措施进行日常监测，掌握赋存环境的变化和长城本体病害的成因及发育机理，运用科学精准的监测数据分析，量身制定合理有效的技术措施，及时开展日常性的保养维护，制止危及长城本体安全的病害发育蔓延。通过调控干预，最大限度抑制各种外界环境因素对长城本体的危害作用，阻止或延缓长城本体的最终劣化，真实、完整地保存长城承载的各类历史信息，让长城得到长久保存，使长城遗产的真实性和完整性得到延续。