晋阳古城西城墙防雨蚀研究

晋阳古城西城墙防雨蚀研究晋阳古城西城墙土遗址是十一五期间国家确立的重点文物保护工程，经过1000多年的风化破坏，城墙已经不复昔日的雄伟。

城墙顶部植被密布，边缘冲沟发育，墙体雨蚀剥离病害和酥碱病害严重，雨蚀是这些病害的主要成因。

研究人员经过大量的现场试验和室内试验，最终确定了表面封护最佳加固材料为原土+石灰（10：0.7）+3%丙烯酸，并且通过室内试验求出了该改性土的力学指标，进一步验证了该方案的可行性。

关键词：土遗址，雨蚀，丙烯酸第一章绪论1.1 晋阳古城遗址概况晋阳古城遗址（公元前5世纪~公元10世纪）位于山西省太原市晋源镇，地理位置：东经112°27'39"~31'23"，北纬37°42'29"~45'13"；海拔高度815~763米。

是我国中原地区历史悠久、价值突出的大型城市遗址之一，曾为战国时期赵国的都城（早期）、北齐的陪都、北汉的别都、唐代的北都，在春秋至宋代的1450余年间，特别是隋唐五代时期一直是我国北方的军事、政治、经济重镇。

现存古城遗址东西长约4700～4780余米，南北宽约3700～3750米,面积约20平方公里，较完整地保存了唐、五代时期的城市规模，2001年被国务院公布为第五批全国重点文物保护单位。

1.2 历史沿革晋阳，古称并州，因“城在晋水之阳，故曰晋阳矣” 。

晋阳建于距今2500余年的春秋中晚期(前497年)，曾经是战国时期赵国的都城、南北朝时期北齐的别都、隋唐五代时期的“北京”，并与东京洛阳、西京长安并为盛唐三大都城。

历史上一系列重大事件、如三家分晋、西汉戍边、东魏霸府、北齐别都、盛唐肇基、五代战乱等，都和晋阳古城有着直接的关联。

1.3 晋阳古城西城墙概况西城墙遗址北端位于大运高速罗城收费站南侧，南端位于晋源区南城角村，原有完整长度3750m，走向NE18°。

目前地面遗存仅有三处，分别位于罗城收费站东侧、古城营村西和南城角村，残长共计约800m，其余部分均被毁坏，被道路、村庄和农田侵占，通过考古仍可以发现地下掩埋的遗迹。

西城墙遗址与大运高速公路罗城段近于平行，西侧护城河遗迹已有一部分被高速公路叠压，而城墙东侧多为农田和林地。

西城墙目前残存的墙体，底部平均宽度15m，顶面宽度4~10m，高3~8m，断面呈不等腰梯形。

城墙顶面和西侧杂草丛生，并且有很多灌木植物，东侧墙体近于直立，表面植被较少，裸露出的夯土层清晰。

图1-1 西城墙遗址现状1.4 研究意义山西省太原市晋阳古城遗址保护项目是十一五期间国家确立的重点文物保护工程，其中西城墙的保护修复尤为重要。

晋阳古城已有1500多年的历史，主要为夯土墙，焚毁于北宋太平兴国七年，毁坏至今已有1000多年。

西城墙遗址分为五段，共506.7米长。

经过千年的自然演化和人为破坏，晋阳古城西城墙已不复原貌，其上覆盖有近30厘米厚的腐殖质层，植被密集，杂草丛生。

古城墙长期受到植被、雨蚀和人为等破坏，作为古城遗址的重要组成部分，对古城墙的保护已经刻不容缓。

雨蚀作为夯土城墙的主要病害之一，对其进行研究并作出防范措施无疑对古城墙的保护工作有巨大贡献。

1.5 研究目的晋阳古城西城墙遗址的主要雨蚀病害为雨蚀剥离，初步确定的防止方案为改性泥浆墙体表面封护法，所以本次研究的重点在于确定表面防雨蚀化学加固法所需要的加固剂。

本次研究的目的为查明阳古城西城墙遗址的雨蚀病害类型；分析病害成因和破坏机理；针对病害提出切实可行的治理方案；通过室内试验确定表面防雨蚀化学加固法所需要的加固剂并验证防治方案的可行性。

1.6 土遗址保护研究现状土遗址的保护虽然开展较早，如回填保护、博物馆式和覆盖式保护与展示，但是真正科学意义上的土遗址保护技术的研究相对较晚。

科学的土遗址保护技术研究是在20世纪60年代以后，国内开展更晚，20世纪80年代末才开始在少数几个地方进行土遗址保护技术研究试验[1]。

土遗址保护研究的重点和热点一直是土遗址表面防风化材料的研制。

文物工作者已经尝试了多种材料，如无机材料：石灰水、氢氧化钡溶液和钾水玻璃等[2]；有机高分子材料：有机硅材料、丙烯酸树脂[3]和聚氨酯等[4]；无机-有机复合材料：聚有机硅-聚丙烯酸酯等[5]。

这些材料虽然取得了很大的效果，但对土遗址而言都有一些缺点，不符合土遗址的保护原则，限制了它们的应用和推广。

近年来高模数硅酸钾溶液（PS）材料[6]在西北地区的土遗址加固保护中被广泛应用，对PS材料的研究已经深入到PS对土的作用机理的研究[7]。

第二章西城墙遗址现状2.1 遗址区自然环境土遗址的风化过程实质上就是环境对土遗址的作用过程[8]。

所以了解遗址的赋存环境对研究遗址的病害类型、病害成因；针对病害研制防治对策都是有重要意义的。

太原地处内陆，在全国气候区划中，属于暖温带大陆性季风气候类型。

冬无严寒，夏无酷暑，昼夜温差较大，无霜期较长，日照充足。

平川地区（海拔900m 以下）年均气温10~12℃；丘陵地区（海拔900~1200m）年平均气温8~10℃；山区（海拔1200~1500m）年平均气温6~8℃。

一月份最冷，月平均气温约为－6.4℃；七月份最热，月平均气温在23℃左右。

太原多年平均降雨量464mm，但变化较大。

年降雨量时间分布极不均匀，主要集中在夏季，降雨量可达280mm，占全年降雨量的60%。

2.2 遗址区地质环境2.2.1 地形地貌太原位于山西省境中央，太原盆地的北端，于华北地区黄河流域中部。

海拔最高点为2670m，最低点为760m，平均海拔约800m，地理坐标为东经111°30′~113°09′，北纬37°27′~38°25′。

区域轮廓呈蝙蝠形，东西横距约144km，南北纵约107km。

太原古为地域名即大平原之意，历史悠久，东、西、北三面环山，中南部为河谷平原，依山傍水，地形险要，自古以来就为军政要地。

西部山地名蒙山，主峰石千峰，海拔标高1775m，人们统称西山，是吕梁山东翼云中山的延伸部分。

晋阳古城遗址所在地即位于西山风峪沙河出山口前的冲积扇上，属山前冲积平原，地形西高东低，地势平缓，海拔高度815~763m。

2.2.2 地层岩性西山地区出露地层较为古老，有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、上第三系和第四系。

晋阳古城遗址所在地基岩为第四系全新统汾河组亚砂土、亚粘土地层，新生界底板深度大于1200m。

2.3 水文地质条件黄河的第二大支流——汾河，自北向南横贯太原市全境，流经境内约100公里。

市区东有太行山阻隔，西有吕梁山作屏障，坐落在两大山脉间的河谷平原上。

晋阳古城遗址就坐落在汾河西岸，西山风峪沙河出山口前的冲积平原之上，受河流冲刷作用明显。

晋阳古城遗址周边地下水深度在12m左右，其主要补给源为大气降水与人工灌溉水下渗。

由于地下水埋深深度较大，不对场地建筑物构成威胁。

2.4 西城墙遗址雨蚀病害2.4.1 顶面冲沟山西境内的降雨主要集中在夏季，并且以集中式降雨为主，一旦具有一定的汇水面积，便会在遗址表面沿裂隙入渗，裂隙进一步扩展形成规模不一的冲沟，降雨产生的地表径流沿汇水地形流动，对土遗址表面造成的侵蚀破坏。

这种病害主要发育在西城墙遗址墙体的东立面，以结构裂隙为基础，冲沟深1~3m不等，宽度4~6m，冲沟两壁多为植被覆盖。

2.4.2 剥蚀剥蚀是指土遗址的表面在外营力或内营力的作用下表面疏松起壳，在外力或重力作用下成片状或小块状脱落。

西城墙遗址墙体上植被生长茂盛，剥蚀病害主要发育在城墙东西两侧中上部墙体裸露、无植被覆盖的区域，且较为严重，基本上都是大段的墙体整体发育，形成墙体表面较为松散的风化层，一般影响深度在3～10cm之间。

特点为风化疏松的土体在雨水或雪水浸泡下，含水量增大，土体强度降低，在重力作用下成小块状脱落，造成城墙土层的逐层剥离。

2.5 遗址建筑材料的物理化学及力学性质2.5.1 物理力学性质西城墙遗址完全由人工夯筑建成，这样的遗址土其物理力学性质具有一定的不确定性和变化较大的特性。

通过取样试验，西城墙遗址的建筑材料主要为粉土质砂和粉土，含水率一般在2%~5%之间。

土样比重在2.60~2.73之间，变化较大；液限在22.57~24.36之间，塑限在12.87~15.3之间，塑性指数8.2~11.49之间；干密度1.67g/cm3~1.99g/cm3；孔隙比0.31~0.56；土颗粒不均匀系数界于2.73~5.67之间，曲率系数0.38~0.62，属匀粒土，级配不良。

土体测试力学性质为黏聚力91.69Kpa，内摩擦角16.65°。

2.5.2 扫描电镜分析在现场还选取西城墙和西南城角的部分土样进行了扫描电镜分析，通过对对所有土样的电镜分析和扫描探针分析结果表明，土体为石英、钾钠长石、方解石、白云石以及含铁质矿物的碎屑堆积结构。

散粒状碎屑有片状、圆形及六方体状，大小不一，无取向。

结构疏松，在微米尺度上为物理堆积。

散体颗粒表面为片状和扁平状颗粒形成的层状结构。

孔隙分布不均匀，在微米尺度上，仍存在许多空隙。

在外力及风雨侵蚀作用下，该结构容易被破坏。

2.5.3 工程特性通过对晋阳古城遗址西城墙遗址建筑材料的物理力学指标的综合分析，城墙土体主要以粉土质砂和粉土为主，土体密实坚硬，孔隙率较小，但孔隙分布不均匀，含水量少。

古人为改良土颗粒级配，在夯筑过程中人工掺杂一些直径2~6cm 的砾石和碎砖石，甚至含有大于20cm的漂砾，这样也增加了土体的抗压强度和抗剪强度。

但通过扫描电镜分析，西城墙土体中盐分尤其是可溶盐，由于毛细作用和雨水的淋滤作用，盐分在城墙表面及地基部位富集，随着气候及温湿度的变化，会出现重结晶的现象，盐分富集的部位也是破坏严重、抵抗各种营力侵蚀能力最弱的部位，这种潜移默化的作用对土遗址有着明显的影响。

通过现场调查可以看出，在城墙顶面和地基部位的表层夯土已呈无粘接力的粉末状。

同时地球物理勘探结果也显示西城墙表面0~1m范围内含水量在5%~14%之间，1m以下深度含水量在3%以下，但部分地段深部含水量出现异常，推测可能由于存在裂隙导致雨水渗入。

护城河断面显示回填土厚度5~7m，孔隙率较大，导致雨水渗入较深。

第三章遗址病害土遗址的自然破坏因素较多，很少有单个因素作用的病害，往往是多种因素综合作用的结果，也可能是多种因素交替作用的结果[9]。

晋阳古城西城墙遗址病害形式包括了墙体裂隙、顶面冲沟、表面剥蚀酥碱、植物破坏以及人为影响等多种。

按照这些病害形式对文物遗址的稳定性、耐久性和历史真实性的影响，我们可以将这些病害分类归纳为结构病害、水致病害、雨蚀剥离、赋存环境问题。

下面就水致病害和雨蚀剥离病害进行成因与原理分析，并作出病害防治对策。