嘉峪关明长城日常保养维护技术措施的探索

赵丽娟

摘 要：大红泉堡是嘉峪关长城防御体系中的重要组成部分。几百年来，由于其地处祁连山脚，受所在区域赋存环境影响，夯土墙体出现了裂隙、掏蚀、风化、坍塌等病害现象，时刻危及文物本体的安全。为确保文物本体安全，使文物价值的真实性和完整性得到有效保存，嘉峪关文物保护管理部门按照最小干预、不改变文物原状的长城保护维修原则，组织实施了大红泉堡的日常保养维护。通过现状病害勘察分析和现场实验，采用裂隙加固、掏蚀和坍塌区支护加固、周边环境整治等技术措施，及时解决了长城本体安全险情。文章通过总结大红泉堡日常保养维修工作实施情况，探索夯土长城的日常保养维护方法和技术措施，为进一步开展夯土长城的预防性保护提供有效借鉴。

关键词：嘉峪关;大红泉堡;保养维护;技术措施

嘉峪关，以其独特的历史地理背景，成了明王朝西北边防的重要门户，素有“诸夷入供之要路，河西保障之喉襟”之称。明王朝为巩固西北边防，历时200多年在嘉峪关两翼及周边修筑了由关堡、墙体、壕堑、烽燧等要素构成的长城防御体系。

大红泉堡是嘉峪关长城防御体系中的重要的关堡之一，地处祁连山脚，扼守祁连山中的垭口通道。几百年来，由于其地处祁连山下，受所在区域赋存环境影响，夯土墙体出现了表面风蚀、裂隙发育、墙基掏蚀、坍塌等病害现象，时刻危及文物本体的安全。2019年，嘉峪关文物保护管理部门按照最小干预、不改变文物原状的长城保护维修原则，组织实施了大红泉堡的日常保养维护，及时解决了长城本体安全险情，确保文物本体安全，使文物价值的真实性和完整性得到有效保存。

1 大红泉堡保存现状

大红泉堡修筑于祁连山北麓大红泉山口北100米处的戈壁滩上，整体保存较差，坐北向南，平面呈矩形，东西38米，南北50米，周长176米。堡墙为黄土版筑，高0.50～4.10米，夯层清晰，厚0.11～0.18米。南墙开门，东墙、西墙、北墙中段外侧筑有马面，平面呈矩形，剖面呈梯形。目前，现存东墙、西墙北段、北墙和东墙、北墙中段的马面，其余墙体坍塌仅存基础，堡内相关建筑遗迹无存。该堡自20世纪五六十年代至2019年保养维护前，均有牧民驻牧圈羊，东墙和西墙大部分为20世纪五六十年代在原基础上用石块垒筑的墙体，南墙为20世纪五六十年代在原基础上用黄土夯筑的墙体。

2 区域环境特征

嘉峪关市属典型温带大陆性干旱气候，气候干燥，温差大，日照长，风沙多，降雨量小，蒸发量大。据2018—2019年的气候数据统计，年均气温7.8摄氏度，年均降水量131.7毫米，蒸发量为2125.58毫米，年均风速2.9米每秒，平常风力多为3～4级。①大红泉堡地处嘉峪关市西南角祁连山北麓边缘大红泉山口处的冲积扇地带，地势南高北低，气候受祁连山区气候影响，降水量较市区充沛，且大风频发，日照强，昼夜温差较大，年平均气温低于市区。

3 病害情况及成因和危害性分析

3.1 病害发育情况

通过对大红泉堡实地勘查，由于其地处祁连山区，降水量较市区充沛，大风频发，生物和人类活动频繁，受雨雪、风沙、冻融和急剧温湿度变化等自然因素和人为因素影响，表面片状剥蚀、酥碱、风蚀以及根部掏蚀和局部夯土坍塌等病害较为发育，其发育的主要病害有裂隙发育、掏蚀、坍塌、冲沟等（表1）。

3.2 病害成因和危害性分析

3.2.1 土体特性

进一步掌握大红泉堡在所处的赋存环境中本体病害成因和具体危害，以制定合理的保养维护方案，选取保养维护材料开展保养维护。勘查阶段对大红泉堡本体土质进行了系统现场取样，并在室内进行土的界限含水率、易溶盐和土的抗压强度等试验，对试验数据和结果进行了系统有效的分析。大红泉堡所在区域气候屬温带大陆性干旱气候，墙体土质天然含水量偏低，含水率为0.744%，土体密度、干密度均较大，天然密度为1.558克每立方厘米，颗粒密度为2.716克每立方厘米，干密度为1.546克每立方厘米，孔隙率小，结构均一，孔隙率为43.08%。易溶盐总量最大，主要以硫酸盐为主，沿墙体高度往上，含量逐渐减小，但总体含量均较小，为微腐蚀性。土体的pH酸碱值分布比较均匀，pH酸碱值范围为7.73～8.39，分布范围小且较集中，具有弱碱性。

3.2.2 病害成因和危害性分析

裂隙的发育成因及危害性分析：墙体裂隙成因主要有两种：第一种为版筑缝裂隙，其成因为墙体夯筑过程中夯筑工艺形成的版筑缝，由于墙体过长，夯筑时由多版衔接夯筑，两版段之间自然形成裂隙;第二种为卸荷裂隙，其成因为根部掏蚀，应力重分布而产生的裂隙。

裂隙造成的危害性主要有两种：一种是各种裂隙的存在为外界水进入土体提供了通道，外界水灌入裂隙后，浸湿土体，从而降低了裂隙两壁土体的力学强度，引起裂隙两壁土体松散，进而引发夯土体酥碱、块状剥落，造成墙体坍塌;第二种是各类裂缝交错组合发育，使墙体局部分割形成数个独立的危险单体，从而降低墙体的整体稳定性，使墙体抵御大风、震动等外在因素动荷载的能力降低，极易造成坍塌。

掏蚀发育成因及危害性分析：造成墙体根部掏蚀发育的原因有三种。第一种为水的作用形成的，对土遗址来讲，水是造成土遗址各类病害发育的诱发剂和助推剂，对各类病害发育产生、发展、加剧起着至关重要的作用。降雨及周边区域地面汇集水对墙体的冲刷和渗入，使墙体表层一定深度内的夯土体含水率达到饱和进而迅速崩解、冲蚀剥离。与此同时，夯土体含水率饱和后易引起易溶盐析出，土质酥碱，形成土体掏蚀。第二种为风的作用形成。大红泉堡地处山口的冲积扇地带，大风频发，风能促使夯土墙体表面因水和易溶盐作用形成的一层结构松散壳体剥离脱落。风是墙体根部掏蚀的主要营力之一，风携带的砂粒对土的撞击作用和风在墙体根部形成涡流对土进行磨蚀作用非常容易发生掏蚀凹进现象。第三种是急剧温湿度变化和冻融。大红泉堡所在的祁连山区昼夜温差较大，冬季寒冷多降雪，急剧温湿度变化易造成夯土体的收缩，为墙体表层风蚀剥蚀奠定了良好的基础。冻融是根部掏蚀病害发育的主导因素之一，急剧温湿度变化和冻融引起夯土体内盐分发生运移，导致夯土体的不均匀收缩和酥碱疏松，为根部掏蚀提供了先决条件。掏蚀病害造成的危害性主要是在墙体底部形成巨大的临空面。墙体下部失去支撑且有临空面存在的情况下，整体抗倾覆能力降低，较容易发生夯土体分层坠落，引起夯土体局部或整体坍塌，加速墙体破坏速度，致使墙体消失。

坍塌发育成因及危害性分析：坍塌病害发育的成因主要有三种：第一种是由雨水渗入墙体后致使夯土体的内聚力降低、发生变形而起坍塌;第二种是由于水、风及人为破坏等外营力造成的墙体根部掏蚀导致的上部夯土体悬空而引发的坍塌;第三种是震动引发的坍塌，墙体产生裂隙后，由于地震或重型车辆通过引起的震动极易导致墙体夯土体坍塌;坍塌病害造成的危害性主要是加速破坏墙体的整体性，最终导致墙体的消失。

冲沟发育成因及危害性分析：冲沟病害的发育成因分为两种：一种是沿墙体夯土密实度薄弱部位发生，多在夯土墙体构筑的版筑缝处，该处土体相对疏松，在水的冲刷作用下容易发育生成冲沟，这种冲沟均具有冲蚀深度大、顶部冲蚀面开阔等特点;另一种是墙体周边地面冲沟，此类冲沟引导地面水汇集在墙体根部，对墙体根部冲蚀，引起墙体根部掏蚀的等病害发育。冲沟的危害性主要是水的冲蚀破坏造成墙体土质流失。尤其是版筑缝处，土质相对疏松，冲沟冲深大，降雨汇集后，易在沟道内形成急流，急流产生的较大冲蚀能力使冲沟规模不断扩大，加速了墙体夯土体土质的流失。

4 保养维护技术措施

按《长城保护维修工作指导意见》①中的基本原则，结合现场勘查情况，本次保养维护以消除安全隐患为主，主要采取裂隙加固、掏蚀区和坍塌区加固、表面冲沟整治、防排水处置等技术措施，以确保保养维护效果的可识别性和可逆性，为下一步开展保护修缮工作奠定基础。

4.1 裂隙加固

根据现场勘查和试验分析，大红泉堡墙体发育的裂隙具有不同的特征，對遗址的稳定性影响程度也不相同，因此，为避免对本体的过大干扰，采用灌浆的技术措施加固，灌浆材料依据现场试验结果选定。较小的裂隙直接采用无压力灌浆加固;对于墙体上发育裂隙宽度大于2厘米的深大裂隙，仅仅通过注浆无法达到裂隙加固的效果，必须充填与土性质相近的土块后注浆达到裂隙密实的效果。注浆加固技术措施如下：

①埋设注浆管。在砌补过程中按照不小于300毫米的间距，顺着裂隙的走势方向埋设注浆管。注浆管采用直径10毫米的塑胶注浆管。贯通裂隙注浆管的埋设要求在墙体两侧的不同高度同时埋设，两侧相邻两根注浆管的距离不得大于200毫米，且墙体两侧两根注浆管的末端的搭接长度不小于100毫米。①

②裂隙注浆前，清理裂隙壁表面的沙和虚土，并渗透加固裂隙中充填的土块填充物和裂缝两壁，注浆浆液采用C+F（黏土加粉煤灰）浆液，按自下而上的顺序依次向上通过注浆管注浆。

③注浆时，严格控制注浆量，当发现相邻的上方注浆管中浆液溢出时，应停止注浆并堵塞该注浆孔，再依次从上方的其他注浆管中注浆。注浆时注意做好封堵工作，防止冒浆，出现喷浆现象污染墙体。

④对于较窄小的裂隙，应采用适当增大水灰比的方式以减小浆液黏度，增大浆液可灌性进行注浆。

⑤注浆完成后，浆液达到胶凝固化状态后，切除露出墙面外面的塑胶注浆管，并用泥填堵注浆孔，抹平做旧。

4.2 掏蚀区、坍塌区加固

在长城的保养维护时要确保“最小干预和不改变文物原状”的保护维修原则，必须遵循“原形制、原结构、原材料、原工艺”的文物修缮原则进行。大红泉堡墙体为黄土夯筑，如进行保护维修，则需选用与之相同的材料和工艺进行。但此次为日常保养维护，工作的重点是排除危及本体安全的险情，阻止各类病害的继续发育，因此，本次采取土坯补砌支护加固措施。该措施既能解决目前出现的病害险情，阻止病害蔓延，还具有可逆性，便于今后采用更为科学合理的材料配比和技术措施进行保护维修。

对于体积较大、掏蚀和坍塌深度大于30厘米的部位的支护加固措施：首先，根据墙体安全危险性的实际情况，使用木支撑做临时安全支护措施，确保施工过程中施工人员的人身安全和堡墙文物本体的安全。并采用与堡墙本体基本相近，且可溶盐含量低于0.3%的土经人工加工制成土坯。土坯制作时选用当地可溶盐含量低于0.3%的黏土，土色与堡墙土质颜色相近，按照水灰比0.2～0.3∶1拌制，放入模具夯实而成，压实度不低于95%。土坯砌筑泥浆采用相同材料配制，水灰比应为0.5～0.6∶1。砌筑时底部做一层20厘米厚的三七灰土垫层，并将垫层沿掏蚀两侧各延伸20厘米，且沿墙体向外延伸60厘米，注意保持遗址形制。

其次，采用压槎搭接的方式砌筑土坯，砖缝黏结宽度为10毫米。砌筑时将拉筋麻绳布设压埋至相对应的泥浆层中，使砌筑土坯与墙体形成网状锚固连接，以提高砌补土坯与堡墙本体的整体性。与此同时，在砌补的过程中按照0.5米*0.5米间隔设置埋设4.5毫米的注浆管，用于砌筑体沉降稳定后沉降缝注浆修补。

再次，注浆填充。砌补土坯达到一定强度后，采用水灰比为0.6∶1的泥浆填补砌补过程中的沉降缝和砌补体与原墙体间形成的不规则空洞，增强砌补层与原墙体的结合力。

最后，根据病害轻重程度进行砌补后外形的修正，通过对遗址本体外部结构、线条、形状、色彩等的理解、分析、试验进行最后细节修正措施，对砌补部位进行修正、伪装，使其外形结构细部线条和色彩等与其遗址本体整体相协调。

4.3 冲沟整治

对于规模较大的冲沟且局部发生塌陷的地方，找到合适的持力层进行土坯砌补，砌补不宜过量，保持与遗址的原貌相协调，然后进行汇水区的表面平整形成一定的坡度，以利于排水。对规模不大的冲沟进行适当平整。汇水区表面整治，形成一定的排水坡度。

4.4 墙基防排水

在各段墙体底部做宽度为60厘米的散水，散水坡度为5%。散水材料采用三七灰土人工夯实，压实度不低于95%。

5 保养维护前后效果

保养维护前后效果对比如图1～图8所示。

6 结语

对长城而言，任何保护维修措施都是有损的，都是对文物原状的干预，对真实历史信息的减损。长城的日常保养维护是一种行之有效的预防性保护措施，尤其对于极其脆弱的嘉峪关土质长城来说，西北地区恶劣的气候环境对长城保存状况的直接影响较大，日常保养维护显得尤为重要。

日常保养维护措施要严格遵守不改变文物原状和最小干预的原则，严格控制各类干预措施的实施范围和工程量，妥善保护长城遗存的真实性、完整性和沧桑古朴的历史风貌。通过详细的长城本体病害勘查和科学试验，掌握长城本体病害的成因和发育机理，量身制定的合理有效且具有可逆性的技术措施，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，调控干预，抑制各种环境因素对长城本体的危害作用，既可以阻止或延缓长城本体的最终劣化，还可以减少保护工程对长城本体的干预，减少灾害发生的可能和灾害对长城造成损害以及损坏后需要采取的修复措施的强度。使长城处于一个“稳定、洁净”安全生存环境，达到长久保存。