肇庆古城墙修缮工程中的防、排水做法探索与检验分析研究

王 帅，陈竹茵，张 荣，雷 娴，安 程

（1.北京国文琰文化遗产保护中心有限公司，北京 100192；2.中国文化遗产研究院，北京 100029）

肇庆古城墙位于广东省肇庆市端州区老城区。始建于宋，距今已有1 000多年的历史。城墙保存较为完整，平面呈长方形，周长约2 800 m。城墙内外两侧皆包砖，内芯填土。包砖自下而上逐层向内收分，上部厚0.5～0.6 m，下部厚1.3～1.5 m。经过历代修缮，城墙上留存由宋至今不同时期的城砖，相互混杂（图1）。

图1 保护工程实施后的肇庆古城墙俯瞰（来源：刁峥摄）

肇庆在历史上长期是两广地区的政治中心，其古城墙是肇庆古城最重要的历史见证，位置和格局基本保留宋代始建以来的原始形态，是研究我国古代边城规制的重要例证。经过明清等历代修缮，城墙上保留了不同时期、不同规格的城砖及铭文砖（图2），见证了肇庆古城自宋代以来发展变迁。此外，肇庆古城墙还是中国宋代以来筑城及修缮技艺、城墙防洪体系发展水平的重要实证。

图2 城墙上的铭文砖（来源：作者自摄）

肇庆古城墙保护工程从材料的分析、研发、构造的优化解决城墙保护中最为棘手的防排水问题以及从检测分析方面进行探索，提升了文化遗产保护的科学性研究与管理。本文期冀通过对材料的检测和构造做法的研究探索，为同类项目实践提供一些修缮保护方面的借鉴。

1 城墙建造特点

图3 南城门月城隔墙示意图（来源：作者自绘）

城墙平面大致呈矩形，据记载，城垣周八百七十一丈（1丈≈3.333 m），高二丈，厚一丈，但由于城墙实际随地势进行适应性调整，且历史上经多次重修加高增厚，城墙高宽并不统一。现状城墙各段高度为6.5～10.0 m不等，城墙竖向坡度角绝大部分在16°～19°之内[1]（图4），基本符合边城规制②南宋梁克家《淳熙三山志 卷四 地理四》载：“诸司以元丰法，边城高二丈，广加四分之一，杀其半为之上。”据此数据可知，边城竖向坡度介于17°～18°之间。，与北方官式城墙相比，坡度较大。大坡度的做法通过包砖“露龈造”（图5）实现，城墙内外包砖皆逐层向上收分，每层内收1.0～1.5 cm，形成上窄下宽的坚固防护层。

图4 南段城墙坡度（来源：作者自摄）

图5 城墙“露龈造”（来源：作者自摄）

以城墙断面形成的梯形对城墙的抗滑移稳定安全系数进行计算，与现今堤防建筑所要求的抗滑移稳定安全系数相趋近[2]，说明城墙的建造宜于防洪防灾。另外，为防止洪水灾害，城墙在建造形态上也进行了局部调整，“在城东南河道水网交汇处，为避免洪流冲击，将城墙及东门月城向内凹入，做以90°弧形折角形式，以顺应从东南绕城而来的洪水流势”[3]（图6）。

现场踏勘及结构检测发现，肇庆古城墙采用的是内筑土墙、两侧包砖的结构形式，与北方城墙夯土版筑、单侧包砖的做法有很大差别。肇庆所处地区雨水充沛，土体受雨水冲刷不易保存，城墙两侧皆包城砖可能出于此考虑。

历代的城市建造活动使城墙周边地坪升高，城墙底部排水系统不存，民国时期为避免城墙底部受雨水侵蚀，在城墙南段外侧增设三合土护脚（图7），对城墙起到了很好的保护作用。

2 城墙保存状况与病因分析

保护工程开始前，项目组对肇庆古城墙进行全面的现场勘察，城墙整体保存较为完整，但城墙各段落存在不同程度的残损，较为突出的病害类型为：灰浆缺失、鼓闪、开裂、坍塌与生物侵害（图8）。

通过现场实地勘察发现，城墙存在的残损问题，按成因可分为2类。

第一类是来源于自然因素的威胁。城墙受自然风化、风雨侵蚀，使得外包砖勾缝灰浆逐渐剥落，城砖较为松散；加上顶部海墁缺失，排水不畅，水分侵入城墙内部，内部土芯鼓胀、沉降，导致城墙产生鼓闪、开裂、坍塌等残损问题。

第二类是人为干预对城墙的保存状况产生不利影响。由于年久失修，城墙顶面铺砖损毁、缺失。1996年，为保护城墙不受雨水侵蚀，于城墙顶部铺设现浇混凝土防渗层，短时间内改善了城墙顶部的排水问题。但后期混凝土防渗层开裂，且顶面与两侧墙体交接处存在缝隙，不仅无法起到防渗的作用，反而导致雨水灌入城墙内且水分不易排出。

城墙整体保存状况较差（图9），部分段落存在较大的安全隐患，每遇雨季都会出现局部段落坍塌的现象，当地文物保护部门的一项重点工作即为对城墙坍塌段落进行抢险加固。

图9 结构稳定性分析（来源：作者自绘）

抢险加固只能临时性地维持城墙结构稳定和人身安全，无法从根本上解决城墙的结构稳定性问题。根据勘察研究发现，城墙产生的多种病害，都源于水分的侵蚀。因此解决城墙的防、排水问题是排除城墙安全隐患的重点内容，采用合适的材料与构造，是解决防、排水问题的关键所在。

由此，项目组对肇庆古城墙现有材料进行检测分析，在城墙不同部位对城砖、内部土芯、勾缝灰浆、城墙护脚等材料进行取样，分析各材料的物理性能、主要成分及配比，用以判断现状所用材料能否满足防、排水要求或足以维持城墙的稳定性，同时对材料的检测还可以用以指导修缮设计材料的选取。

3 城墙材料的检测

3.1 材料检测

3.1.1 城砖

城墙经过历代修缮，保留不同时代、不同尺寸的城砖多达数十种，现场勘察时对城墙包砖的尺寸进行统计，表1列举了较为典型的尺寸。根据测量选取适当的尺寸烧制城砖，用于城墙的补砌。

表1 现状城墙包砖砌筑方式

我们还在现场使用测砖回弹仪（型号：ZC4型）对肇庆古城墙砌筑用砖强度进行抽样检测。

抽样检测对象为干燥、平整的条面且是宋代、明代、民国时期城墙砌筑用砖，每个年代砌筑用砖各抽检10块，所测宋代砌筑用砖回弹平均值约59，最大值为65，最小值为44；所测明代砌筑用砖回弹平均值约45，最大值为54，最小值为40；所测民国时期砌筑用砖回弹平均值约43，最大值为50，最小值为36③检测结果中的回弹值为该砌筑用砖侧面的硬度代表值，并非该砌筑用砖的抗压强度值。。

以明代砌筑用砖回弹平均值45为例，按《砌体工程现场检测技术标准》（GB/T 50315—2011）第14节烧结砖回弹法及第15节强度推定中烧结普通砖测强公式换算，抗压强度约为21.8 MPa。由于宋代城砖回弹值超出该公式范围，此强度值仅作为强度数量级的参考，用以比较城墙用砖强度以及修缮工程中新烧制城砖的强度参考。

从检测结果可以看出：肇庆古城墙的城砖具有较高的强度，除了砖的烧制工艺外，气候条件是城砖历经百年甚至千年仍保持高强度的关键因素。肇庆所处地区气候温暖，城砖不易发生热胀冷缩及冻融现象，继而引发城砖酥碱，这与北方城墙下部城砖存在大面积酥碱有明显的差异。

3.1.2 内部土芯

项目组对城墙土芯取样后进行了土样的物理性质（表2）、填土成分的定性定量分析。实验表明：城墙没有使用真正意义上的夯土，用土主要以杂填土为主，用灰量较低，均不超过15%，大部分小于10%。墙内土体的塑限为21.8%，夏季多雨时，城墙填土含水率已经逼近塑限，导致城墙强度下降。这便是城墙鼓闪现象严重、在雨季易发生坍塌的主要原因，为保证城墙的稳定性，修缮中需特别注意防、排水系统的建立，避免水分渗入土芯内部，致使土芯鼓胀引发城墙坍塌。

表2 填土取样试验结果

3.1.3 灰浆

灰浆的定性分析、固化情况检测、用灰量检测等实验（表3）结论为：城墙各部位砖缝所用灰浆材料配比差异较大，是城墙不同时期多次维修所致。肇庆城墙内填土用灰量很低，耐水性较差，密实的勾缝灰浆能阻止流水大量渗入内部填土，故勾缝灰浆在实际使用中一定程度上起到了城墙防水的作用。但多雨气候导致勾缝灰浆大量流失，进一步加剧了水分对城墙的侵蚀。因此勾缝灰浆的有效性对城墙内部填土的保护有重要意义，在修缮中需特别关注勾缝灰浆配比和使用。

表3 石灰XRD分析数据表

3.1.4 三合土

我们使用卡斯腾瓶法对城门三合土进行吸水率检测，平均值为0.002 8 g·cm-2·s-0.5。根据德国工业标准DIN52617[4]，可按照毛细吸水系数将矿物材料分为4级：不透水、憎水、厌水和透水，参考标准如表4。实验结果根据德国标准换算，城门三合土毛细吸水系数为1.68 kg·m-2·h-0.5，符合厌水标准，说明城门三合土具有很好的防渗性能，可作为防水层使用。

表4 德标毛细吸水系数分级 单位：（kg·m-2·h-0.5）

另外，通过X射线衍射分析可知：南城门月城护脚与护坡三合土均添加了较高含量的石灰，其中三合土护脚用灰量明显高于护坡，达到38%，从保存状况来看，护脚开裂、粉化和溶蚀破坏都比较少，抗风化能力及物理性能都比较优越，故城墙保护材料可沿用传统的三合土做法。

3.2 小结

材料的检测分析，与宏观勘察结论相印证，由于水分侵蚀使勾缝灰浆缺失、城墙内部填土含水率较高，对城墙的稳定性造成较大影响。实验结论说明：防、排水系统的建立对于城墙的安全和稳定具有至关重要的意义，为后续的修缮设计指明了方向，同时为修缮工程提供了科学定量的基础数据，通过实验数据来调整灰浆、三合土的成分和配比，可充分提高修缮工程的有效性。

4 防、排水的做法探索

保护工程以现场勘察和实验检测分析为依据，以“不改变文物原状”“最小干预”为原则，尽可能真实完整地保存肇庆古城墙的历史信息，修缮设计的主要策略是对修缮材料进行优化，同时调整城墙的防、排水系统。

4.1 材料的优化

根据对材料的实验分析，我们在修缮设计时对灰浆、三合土等材料的成分和配比进行研究，以提高材料的有效性。

4.1.1 灰浆

现场勘察时发现：城墙勾缝灰浆流失现象较为普遍，且城墙内部土芯用灰量较低，耐水性较差。为改善这种情况，根据使用功能的差异，分别对2种灰浆提出性能要求。

为确保勾缝灰浆不易流失、开裂，需要勾缝灰浆具有一定的抗压强度，且抗拉强度要求稍高，施工收缩性小，表面不易干裂；与城砖具有较好的粘结性，吸水后膨胀率小，且在干湿循环下具有较好的性能。砌筑灰浆同时作为灌缝修补材料，要求干缩率低、具有良好的和易性和透气性。

方案设计中，我们以上述要求为原则对灰浆材料进行改进，选用水硬性石灰作为勾缝灰浆和砌筑灰浆的主要材料。水硬性石灰孔隙率大、收缩变形性小，且具有良好的透水性及透气性，以及较强的水稳定性、耐温湿度循环变化的影响。因此项目组以水硬性石灰作为主材，并通过实验室实验确定材料配比（图10），以满足2种灰浆的使用要求。

图10 实验室材料研发（来源：肇庆古城墙修缮项目组）

根据实验得出宜选用的灰浆配比（表5、表6）。

表5 勾缝灰浆配比

表6 砌筑灰浆配比

然而，在工程开展前的技术交底环节，施工方建议通过改进传统灰浆的配比以满足设计要求，在灰浆中添加草纸、糯米、粗盐、黄糖等改性材料，同时提高石灰的配比，来提升灰浆的性能。

草纸、糯米、粗盐、黄糖均为传统灰浆发制常用改性材料：草纸为灰浆引入纤维，利用纤维降低灰浆收缩性[5]；已有研究证据证明：诸如糯米、糖类、蛋白等生物材料能够一定程度上对石灰产生减水、加气等作用，同时通过有机分子调控作用诱导灰浆结晶过程，达到改善灰浆性能的作用[6-7]；粗盐的添加有助于提高灰浆的抗压强度、表面硬度和耐水性[8]。

经多方协商，决定由施工方在现场进行灰浆材料的试配，根据结果再确定使用哪种灰浆材料。施工方首先以当地传统工艺做法初步确定沙、石灰和水的配比，然后对各类改性材料的种类与添加量进行调整，通过制作多种比例的试块对比，选取能够满足勾缝、砌筑等不同功能需求的灰浆配比。现场确定的勾缝灰浆配比为：沙:石灰:水:草纸:糯米:粗盐:黄 糖=30%:50%:10%:6%:2%:1%:1%；砌 筑灰浆配比为：沙:石灰:水:草纸:糯米:粗盐:黄糖=40%:40%:10%:6%:2%:1%:1%。

对改进后的传统灰浆试块进行吸水率、抗压强度及抗折强度检测，与实验室研发材料进行性能比较，发现改进之后的传统灰浆强度低于实验室研发灰浆，但能够基本满足设计中提出的性能要求。以尊重传统、保持地方风格为原则，项目组放弃了实验室研发的水硬性石灰作为灰浆主材料的方案，采用传统改性灰浆作为城墙的勾缝和砌筑材料，此方式既可延续传统工艺做法，同时还节省了施工成本。

4.1.2 三合土

鉴于三合土优良的抗风化性能和抗渗性能，在方案设计中，除用于城墙护脚的修补（图11）和砌筑外，护脚外的散水也沿用三合土铺设（图12）。另外，还将三合土用于城墙顶面的铺设中，作为补强和防渗垫层对城墙顶面进行加固。以实验检测结果为基础，将三合土中石灰的配比适当提高，以提高三合土的强度和抗风化性能。

图11 城墙内侧三合土护脚（来源：作者自摄）

施工准备阶段的三合土试打表明：除配比之外，其夯筑工艺也对三合土的性能产生很大影响。于是在施工中使用传统工艺夯筑三合土的同时，根据夯筑部位的不同，对工序和夯筑工艺进行调整。

海墁下三合土垫层的夯筑方式为：将黄泥、石灰、沙3种材料按比例拌和后，摊铺于城墙顶面进行初打，每次摊铺厚度不超过10 cm，且每次夯实长度不超过3 m。由于夯打时土体会向两侧挤压，因此夯打时由两侧向中间进行，有利于土体更好的结合；另外，分层及交接口注意交叉错缝，以避免形成通缝造成水分下渗。

三合土护脚的夯筑方式为（图13）：三合土经过拌和、摊铺后，使用木锤初打至内部土层夯实、表面平整，再使用木耙反复拍打至表面起胶不见裂痕；夯打至一定阶段后，对护脚形状进行修整；然后用布遮盖护脚，每天适量淋水养护，继续拍打，直至不再出现裂痕为止。为保证三合土具有高强度、不开裂，养护的时间应长达半年甚至更久。

图13 三合土护脚夯筑（来源：河南东方文物建筑监理有限公司、罗定市第四建筑工程公司）

4.2 防、排水构造做法设计

为了更好地解决城墙防水问题，除对材料优化之外，我们还对肇庆古城墙顶面及底部构造做法进行研究调整。

4.2.1 城墙顶面做法

城墙顶面的海墁层缺失，现状为无组织排水，为保证城墙排水顺畅，文物本体不被水患侵扰，城墙顶面的排水设计十分必要。肇庆气候温暖湿润，降雨量大，缺失海墁的土芯顶面无法抵御雨水的侵蚀，顶面海墁层的铺设是防、排水的第一步。

这点与北方城墙修缮中顶面的处理方式有较大差别，首先北方城墙土芯为夯土版筑，强度和耐水性高于杂填土；另外，北方的降雨量相对较小，修缮时在顶面补夯灰土的做法基本就可以满足城墙顶面的防水的需要，故无须过多干预对缺失海墁的顶面进行大规模铺墁。

顶面做法根据现存南城门月城海墁铺装方式（图14），恢复城墙顶部城砖海墁，采用侧砖立铺，并由中间向两侧放坡。

图14 南城门月城海墁（来源：作者自摄）

然而肇庆市累年月平均降水量均高于30 mm，最高月平均超过280 mm，在此气候条件下城墙顶面铺砖的做法无法保持城墙顶面及内部完全干燥。结合当地的气候条件，因地制宜的解决方式是：在海墁下设灰浆层、三合土垫层，以提高海墁的防水性能。3层的顶面构造保证城墙内部土体能够将湿度维持在一定范围内，避免因含水率过高导致强度下降，或含水率过低土体干缩开裂。

降水时，铺砖海墁将雨水快速导向两侧，同时适当的吸收部分降水，灰浆层通过海墁灰缝吸收部分水分储存在高砂含量的灰浆中，三合土通过灰浆层吸收一定水分产生微膨胀，阻挡水分进一步下渗；无降水时，灰浆层将吸收储留的水分缓慢释放，保证三合土层维持一定湿度，避免干裂导致隔水功能丧失。

另外，由于城墙海墁以上部分皆已缺失，排水沟和排水口做法参考周边地区其他城墙进行设计。在城墙顶面两侧设排水边沟，雉堞宇墙下设排水口，保证顶面雨水顺畅排出。排水边沟底两侧使用石灰浆抹角，避免水分通过砖缝下渗。同时，排水边沟铺砖应搭接于城墙包砖之上，这样可以防止在城砖与土体交接处形成通缝，雨水沿缝隙直接下渗（图15）。

图15 城墙顶面排水沟 （来源：李松波绘）

关于排水口的设置，周边城墙现状和肇庆古城墙历史照片中皆无向外挑出的排水口，故修缮中未对排水口设置挑出构件。雨水对城砖的冲刷是此类城墙普遍存在的问题，如何解决这一问题值得我们思考。

4.2.2 城墙底部构造做法

由于地坪升高，城墙基础被掩埋；民国时期为防止水分渗入城墙底部，在城墙南段外侧增设三合土护脚，高出地坪80 cm左右。而目前民国时期的三合土护脚也有部分低于城市地坪。

为保证城墙底部排水顺畅，修缮中首先清理城墙底部及周边的杂草和垃圾，适当降低城墙外侧地坪，根据道路实际状况露出三合土护角50～80 cm。除此之外，在城墙护角外做三合土散水，便于城墙底部排水的同时留出安全距离；城墙周边城市地坪较高处，在散水外设排水沟，与市政排水管网相接，以免雨水倒灌至城墙底部（图16）。

图16 城墙底部排水做法（来源：李松波绘）

城墙护脚、散水、排水沟三者结合设计，将雨水排向城墙两侧，有效解除了城墙底部的水患。

5 实施效果的检测分析

工程实施完成后，为考察城墙顶面海墁的防、排水性能，项目组在城墙上选取实验点对工程实施效果进行检测（图17）。选取的实验点为工程实施完成1年以上和6个月以上的2个部位。

图17 海墁防、排水效果的检测（来源：李松波摄）

检测方式是：第一步将城墙海墁进行局部分层揭露，首先对各层进行观感探察：城砖、灰浆层、三合土各层无裂缝及渗漏现象，且铺设的各层达到了设计的厚度要求。

第二步现场分层检测，使用卡斯滕瓶法对城砖、灰浆层、三合土进行表面毛细吸水率检测。实验数据见表7。

表7 城墙海墁各层毛细吸水率检测数据 单位：（g·cm-2·s-0.5）

检测结果表明：海墁灰浆层完全透水且孔隙率较高，有一定蓄水能力；城墙砖吸水率中等；三合土层吸水率较低。肇庆城墙的砖—灰浆—三合土3层结构构成了有一定水分调节能力的顶面保护层—砖吸收部分水分，灰浆层吸水储湿，三合土隔水。降水时，通过3层构造阻挡水分进一步下渗；无降水时，构造层水分逐渐蒸发，维持一定的湿度，避免干裂导致隔水功能丧失。

第三步三合土吸水率的实验室检测。将养护后的三合土取样进行实验室表面吸水性（单面吸水率）检测，以实验室吸水率检测作为对原位吸水实验的验证。三合土烘干后进行测定，实验结果见表8。

表8 三合土吸水率

实验表明：养护后的三合土烘干在单面吸水60 min后平均线性膨胀率约1.35%，同时，实验中发现，20 min后吸水速率逐渐降低，说明三合土在潮湿情况下出现微膨胀，吸水速率降低，起到了一定阻水作用。

通过3步实验检测结果可知：修缮方案中的防排水构造设计和材料运用能保证雨水有效排出城墙，工程实施后的海墁层能够达到比较好的防、排水效果。

6 保护实践的收获与思考

肇庆古城墙修缮保护工程以改善城墙防、排水为主要策略，从材料的分析研究和防排水构造做法入手解决城墙安全性问题。从古城墙的修缮效果来看，修缮方式是行之有效的。古城墙的保护实践给我们带来一些收获与思考。

（1）选取合适的修缮材料。方案设计阶段，根据现场勘察和材料分析检测结果，项目组对灰浆材料进行改进，采用水硬性石灰作为灰浆主材进行研发。但施工方建议，可对传统材料进行改进，以满足设计和使用要求。通过实验和检测，最终确定将改进后的传统材料作为修缮中加固和砌筑材料，既满足了设计要求，延续了传统工艺，同时节省了施工成本。新材料的研发虽然能够更好地实现防水、不易开裂等性能，但对于文物保护工作来说，尊重地方传统、使用传统材料具有更重要的意义。

（2）不改变文物原状与构造调整。项目中对于构造的调整是“最小干预”原则和城墙防、排水系统建立两者平衡的结果。为保证城墙的安全和稳定，防、排水系统必不可少。同时，以不改变文物原状为原则，构造的调整方式以城门遗址保留的遗存为参考依据，恢复其海墁以及护脚外的散水做法。

（3）实验检测在项目中扮演了重要角色。修缮工程中实验的检测为保护项目提供了精确的数据支撑。勘察阶段的材料检测分析通过对城墙所用材料进行取样检测，以数据的形式较为精确地阐述了各种材料的特性，与宏观勘察结论相互印证，明确城墙残损形成的内外因素，为修缮设计提供了基础数据。

项目完成后通过实验检测实施效果是修缮工程中的一次尝试。修缮完工后，城墙顶面防、排水构造是否真正有效，一度遭到专家和管理者的质疑，为回应这些疑问，项目组对城墙顶面进行局部分层揭取检测，这种方式不仅验证了设计方案的可行性，也对工程质量是否满足工程目标、符合设计要求进行检测，起到了材料验证以及对施工质量的监督作用。此次尝试给我们一定的启发，实施后的效果检测可以根据不同修缮项目自身的特点而开展，作为竣工验收前的自检，通过检测发现问题、总结经验，进而对工程进行整改，通过此方式可以更为有效地提高设计及施工水平。

贯穿于肇庆古城墙保护修缮工程全过程中对材料与构造的分析、优化与质检，是整个保护工程质量的保证，为修缮材料的选择提供了科学定量的依据，对构造做法能否满足使用要求提供了尝试性的检测手段，提升了文化遗产保护的科学性研究与管理，是文化遗产保护工程科学化控制的实践与探索。