某土质遗址包气带水分布特征及其对遗址保存的影响

张晓周,云智汉*,袁 伟,李 毅,赵 凡

(1.四川省地质工程勘察院集团有限公司,四川 成都 610072;2.四川省文物考古研究院,四川 成都 610042)

土质遗址是以土为主要载体或建筑材料的具有独一无二的历史、文化、社会和科学价值的古遗址。中国土质遗址从石器时期绵延至近代,历经了数千年自然(风沙、温度、日照)、人为等因素的破坏,大都存在严重的结构隐患等病害[1],即使新发掘的土质遗址也面临着土体干缩开裂、盐碱化等水害侵扰[2]。

一般认为,土体开裂与内部失水、应力变化和收缩特性有关[3-4]。土体在失水收缩过程中,受到边界约束的作用而在内部产生拉应力[5-6]。当拉应力超过土体本身的抗拉强度时,导致土壤中土颗粒、团聚体重新排列和孔隙体积变化,形成裂缝[7-8]。干缩裂缝往往会破坏土壤黏结结构,改变水分、溶质运移通道,且具有较强随机性,发育趋势预测难度较大。学者们常用收缩特征曲线、断裂力学理论和裂隙网络随机法3种方法进行裂隙的模拟[9]。其中Vogel等[10]通过简化土壤间黏聚力提出了基于胡克定律的裂隙延展模型。Chertkov[11]在细观尺度对土壤颗粒的收缩特征进行模拟,总结了裂隙发育与土壤含水率之间的关系。也有学者[12-16]尝试采用LEFM、离散元和有限元的方法对裂隙动态演化规律进行研究。

针对土遗址保护,王旭东[17]认为水是主要问题,通过水环境控制措施,可将潮湿环境土遗址保护问题转变为干燥环境土遗址保护的问题。张虎元等[18]、朱世彬[19]尝试用直流电场抑制潮湿土遗址毛细水的上升,为潮湿土遗址保护提供了新的方法。张明泉等[20-21]对潮湿环境黏性土地区考古现场地下水进行控制试验,运用人工填砂排水沟对黏性土层中的地下水进行疏导排泄,且能阻隔土层中毛细水的运动,提出采用填砂排水沟与集水井相结合的方法控制地下水水位,并进行了试验论证该方法的科学性与有效性。周双林等[22]对国内7处有名的遗址博物馆的隔水防潮技术进行了对比研究,发现主要有挡墙法、隔水廊道法、抽水法、拱券法等,认为这几种方法中拱券法是效果最好的。

随着监测技术的发展,对文物馆藏环境监测手段不断普及,但针对文物赋存环境监测较少,且多为单点环境监测,不能揭示地下水环境与文物灾害之间的关系,各点间的数据往往不具备综合分析的条件[23-25]。另外,有关土遗址开裂机理的研究多集中于干旱区遗迹重塑土室内试验研究,聚焦于产生裂缝的一小块区域,未考虑场区水文地质的影响,导致防治效果不佳。鉴于遗址环境不同,土质不同,潮湿地区土遗址表面裂缝的开裂扩展特性与干旱地区存在较大差异,有必要从机理和防治措施上对土质遗址进行细致研究。

1 研究区概况

1.1 自然地理

遗址处于广汉市,面积约为12 km2,分布在沱江支流湔江(鸭子河)南岸,马牧河(现今为浆砌条石灌渠)从遗址中间穿流而过,距祭祀区最短距离仅为200余米,渠深0.7～3.1 m,渗漏渠水可少量补给地下水。区域所属四川盆地中亚热带湿润气候区,气候温和,干湿明显,四季分明,多年平均气温为16.3℃,最热为8月的25.5℃左右,最冷为1月的5.4℃。降雨丰富,多年平均降水量为890.8 mm[2]。

1.2 地质概况

由综合水文地质钻孔揭露地层可知,祭祀区内地层与区域内基本保持一致,粉质黏土厚约1.55～4.33 m,其下为4.5～5.4 m厚的全新统黄色、灰褐色卵石,强风化花岗岩、砂岩,卵石之间充填砂,再下为上更系统灰褐色、黄褐色砂砾卵石。有所区别的是祭祀区内最上层覆盖有0.5～0.6 m的灰褐色、深褐色耕植土,含植物根系及腐殖质,部分耕植土下覆0.50～0.75 m厚的土黄色人工填土,夹杂部分次圆形卵石,粒径为2.4～7.0 cm。

1.3 遗址水害现状

遗址祭祀区发掘坑深度在0～2 m,处于粉质黏土内。该段粉质黏土膨胀系数为43.0,具有弱膨胀性。发掘过程中土体原有湿度环境被打破,高含水率的土层持续蒸发,盐分在表层堆积,致使表土酥化、粉化病害的产生。同样由于水分的流失,土壤含水率减小,降低了颗粒间的拉应力,出现了土体干缩开裂的现象,并且除横向裂缝外,发掘现场保留的标志柱和发掘坑壁上也产生许多纵向裂缝。不仅破坏了遗址表面的完整性,还降低了结构的稳定性,不稳定的坑壁对发掘坑内考古人员和文物造成威胁。文保人员针对部分裂缝进行灌浆修复处理(图2),但裂缝由于地下水波动引起的表土含水率变化,导致裂缝的动态变化使得土体修复效果不尽人意。

2 试验方法及场地布设

2.1 试验方法

地处成都平原的遗址祭祀区面积虽小,但由于早期作为村砖窑取土场,对部分地表改造较大,且场地周边河流、灌渠、水田环绕,水文地质条件相对复杂。在精细化的水文地质调查中发现该区域地下水位埋深为3.2～5.6 m,土壤含水率较高,常年维持在24%左右,地表存在持续蒸发条件,但是无法解答考古大棚小区域内的地下水动态特征。为此,本文借助Solinst Levelogger地下水记录仪、MW307GD-M4型无线梯度土壤三参数监测终端对地下水流场、潜水水位、毛细上升高度动态变化进行连续监测,结合室外环境多参数采集终端、室外型蒸发量在线监测终端采集的气象监测数据,利用统计分析工具对数据进行相关性分析,确定黏性土干缩开裂影响因素。

2.2 场地布设

结合场地条件,在祭祀区边缘布设了4口监测井,并在发掘大棚外补充渗水试验,另外还对考古大棚内环境指标进行监测:首先沿大棚纵向布置了1-1、1-2、1-3、2-3共4个8梯度三参数监测终端(各监测点监测梯度大致保持同一深度);沿大棚横向布置了2-1、1-4共2个8梯度的监测终端,且与1-3在一条直线上;在大棚西南角布设1个8梯度监测终端(2-2)和大气监测仪,2-2与1-3、3-3、3-2、3-1沿对角线分布。监测设备具体布设位置见图3。

2021年4—5月各监测设备陆续安设完毕,随后对场区地下水位按照6 h/次,对大气降雨量以及棚内含水率、温度按照15 min/次的频率展开长时序的连续监测。

3 结果与分析

3.1 包气带水垂向动态变化

包气带水受气象因素影响极为显著,并随季节性气候变化而变化。土体渗透性好,包气带水对气象相应及时,反之则迟缓。图4显示,大棚外各层土壤含水率在降雨后几乎同步升高(Pearson相关系数均在0.87以上),且均滞后于降雨1～2 d。但根据抽水试验斯卡巴拉诺维奇公式(式1、2)及现场双环渗水试验计算结果(式3)可知,祭祀区范围内粉质黏土渗透系数为(2.07～3.41)×10-5cm/s,1～2 d内雨水很难入渗至2.5 m的深度。

图4 棚外监测仪2-1各层含水率与降雨量关系

(1)

(2)

式中Q——抽水井涌水量,m3/d;Sw——抽水孔水位降深值,m;K——含水层渗透系数,m/d;H——含水层厚度,m;R——影响半径,m;rw——抽水孔半径,m。

(3)

式中Q′——稳定渗入水量,cm3/min;F——渗水内环面积,cm2;Z——渗水内环中水层厚度,cm;HC——毛细上升高度,cm;L——湿润带深度,cm。

据实地踏勘,遗址祭祀区曾组织过大规模的探方工作,沿长宽间距均为1 m布孔,深度均大于2 m,且后续未进行统一封堵,由于水分持续蒸发,探方孔内存在竖向干缩裂隙,为雨水快速入渗提供了优势通道,导致监测深度范围内土壤含水率与降雨同步变化。

尽管棚外高程较大棚内高约0.5 m,但棚内监测点距棚边缘约19.6 m,且棚外设置挡水措施,杜绝了场地积水向棚内倒灌的发生,因此降雨很难直接通过径流作用于棚内表层土壤。不过,图5显示,棚内监测仪1-3处除0.8 m以下含水率与季节同步变化外,0.1、0.2、0.6 m位置与降雨变化高度拟合,尤其表层土壤含水率可迅速响应降雨过程。而土工试验测试结果显示祭祀区0.1～2.5 m范围内颗粒成分除0.4 m处粉粒含量略少之外并没有明显的变化趋势,在颗粒组成大致一致的情况下,0.1、0.2、0.6 m处含水率与0.6～2.0 m处含水率变化趋势差异明显,说明棚内土壤含水率可能与颗粒成分有关外,主要受降雨导致棚内空气湿度增大的影响。同时,由含水率变化幅度可判断,棚内空气湿度对表层土壤含水率的影响深度一般不超过0.6。而0.8 m以下的深部土壤含水率在雨季稳步上升,主要受到棚外地下水的水平向补给,但补给强度较小,因此,含水率呈季节性波动特点。

图5 棚内监测仪1-3各层含水率与降雨量关系

3.2 包气带水水平向动态变化

包气带水除垂向入渗外,在毛管势、土水势等驱动力下也会产生水平向上的运移。比较同一布设线上各监测设备相同深度含水率的关系(例如2-1监测仪2.0 m处、1-3监测仪1.5 m处、1-4监测仪1.5 m处)可以明确包气带水水平运移特征(图6)。

图6 各监测仪相同层位土壤含水率关系

由图6可知,1-3监测仪1.5 m处含水率持续升高,似乎与棚外2-1监测仪处包气带水有密切联系,但在整个监测时间段内其含水率仅由24.5%升至25.12%,并且在7月3日之前1-3监测仪处含水率均大于2-1监测仪处含水率,不符合包气带水运移规律。因而,祭祀区范围内基本不存在包气带水水平向的运移,但由于棚外大量洛阳铲孔的存在,加之孔内分布竖向裂隙,可为棚外包气带水在水平向上的运移提供驱动力,向棚内存在微弱的水平向运移,但该补给是微弱的可忽略的。由此可推测,主导棚内深部土壤含水率变化的为潜水面以上的支持毛细水带。

3.3 潜水动态变化

祭祀区周围地势平坦,人口密集,农耕发达,地下水动态类型为入渗-蒸发-开采排泄型,受气候影响明显。选取距离发掘坑较近的两口监测井(监测井1、监测井2)的监测数据与同时段降雨量做分析:由图7可知,两口监测井水位变化步调与降雨基本一致。在无降雨时,潜水位在波动中逐渐下降,单日平均水位下降速率约0.04～0.07 m/d,该下降速率在降雨相对集中的时间段内会进一步减小。降雨后潜水位迅速抬升,在短时间内超过未降雨时间段内的常水位,水位抬升与降雨几乎同时发生,且一般在降雨后1～2 d内达到短时段内的最高水位,而后缓慢下降,例如,2021年9月12日降雨量累计达到10.3 mm后,潜水位上升了1.07 cm,在之后连续2 d超过28 mm降雨后,水位埋深由3.041 m陡升至2.736 m,并于9月15日达到最高水位埋深2.516 m。现场渗透试验测得祭祀区内渗透系数较小,而场区内松散砂粒卵石层较厚,上游渗入潜水的雨水可通过侧向径流的方式快速对下游潜水进行补给,这也是祭祀区潜水位响应速度快的主要原因。

图7 监测孔水位埋深与降雨量关系

为明确潜水位波动对发掘坑的影响,借助遗址祭祀区4口监测井一个水文年内不同时期的实测值对大棚中心点(高程为448.20 m)水位进行空间插值。插值结果显示该处水位埋深常年在4.18～4.78 m波动,地下水位距发掘坑底约为2.18～2.60 m,潜水不会直接作用于祭祀坑底,但在极端降雨条件下,上升的毛细水仍有抵达发掘界面的可能,可进一步加剧土壤病害。

4 讨论

遗址祭祀区内地势较为平坦,降雨积水不易排泄,多汇聚于场区内通过探方孔洞纵向裂隙向下入渗。重力水在经过包气带时增加了棚外土壤水势,在水势梯度的作用下,包气带水由水势高的棚外向水势低的棚内流动,少量补给棚内表层土壤水分,但由于粉质黏土水平向渗透系数较小,考古大棚外积水仅可少量补给棚内边缘地带,不能对棚内表土形成有效补给。棚内水害的产生还是由于表土水分快速蒸发导致的,水分散失导致的含水率下降则引起土体干缩开裂,裂缝一旦形成,局部的应变能得以释放,裂隙在水平和竖向上继续延伸,逐渐变宽加深,对土体进一步破坏。另外,潜水位变化主导下的支持毛细水也影响着裂缝的发育。场区内松散砂砾卵石层较厚,可快速响应上游降雨入渗,致使棚内毛细水迅速上升,增大表层土壤含水率,相应的干缩裂缝有所回缩,但雨后潜水位的回落则会导致裂缝的再次扩大,从而使裂缝始终维持在动态变化中。

由此可见,稳定的含水率可能是防止遗址祭祀区土体开裂或扩展的前提。因此,防治水害的首要任务是控制土质遗址的含水率。借鉴工程地质措施,在地下水径流方向上游进行拦截,可将考古大棚下方潜水位有效降低,但是随着潜水位的波动,含水率仍会动态变化,因此在上游拦截的同时对下游实施抽水排泄,并且对土遗址本体建立气象、温湿度、潜水位、土壤含水率的综合监测体系,实现含水率的精细化调控,进而达到对土遗址水害防治的目的。

5 结论

a)现场试验表明,祭祀区内土壤渗透系数小,但在早期探方影响下,降雨可快速向下入渗,不过水平向运移仍然有限,考古棚外雨水对棚内的直接影响可忽略不计。

b)祭祀区棚内地下水位插值结果表明,潜水位的波动虽不会直接作用于棚内文化层,但极端降雨条件下,受其影响的支持毛细水最大上升高度可直接影响发掘界面,加剧土壤病害的产生。

c)棚内水分持续蒸发以及支持毛细水的波动是裂缝动态发育的内在机理,控制含水率的稳定是实现土质裂缝有效治理的科学内涵。

d)在地下水、气象监测数据基础上,借鉴上游拦截、下游排泄的工程治理手段,对土体含水率进行精细化调控,可为祭祀区遗址提供新的思路。