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1、干旱区土遗址城墙差异性风蚀的形成机制及其防治天祝县位于河西走廊东端，属青藏高原东北边缘，处于青藏高原、黄土高原 以及内蒙古高原的交汇地带。天祝县境内气候以乌鞘岭为界，岭南属大陆性高原 季风气候，岭北属温带大陆性半干旱气候。年均气温-8-4C,气温垂直分布明显， 小区域气侯复杂多变，常有干旱、冰雹、洪涝、霜冻、风雪等自然灾害发生。该 地土遗址有乌鞘岭长城、石洞沟梁长城以及松山古城等，由于西北地区典型气候 类型，土遗址得以保存。目前文物保护研究体系不够完善，资料分散。土遗址保 护仍然处于探索阶段，土遗址的保护是文物保护的重要组成部分，是一项世界性 难题.天祝县长城，从时代上来看，有汉长城和明长城，
2、墙体为夯土版筑形式， 汉长城基本毁坏，明长城保存较好。夯实墙体风化程度低，具有一定的强度和稳 定性。在垂直夯层方向上，墙体能够承受较大的荷载和振动作用。平行夯层方向 力学强度相对较低。该地土遗址各类病害发育，差异性风蚀现象普遍分布。近年 来对风蚀的研究日益重视，形成了较为完整的风蚀理论体系，加上计算机软件的 协助，将风蚀理论应用在工程实践中，使其具有实际意义，是未来风蚀研究的重 要目标。针对此区域普遍存在的差异性风蚀现象作了观察、描述，在查阅相关 文献资料基础上，结合前人试验方法以及量化分析，来分析墙体差异性风蚀的过 程，判断墙体的稳定性，预测差异性风蚀未来的发展趋势。从差异性风蚀过程和 内部
3、作用机制上给出长城墙体保护上的建议。关键词：土遗址，长城，夯层，差异性风蚀，磨蚀作用第一章绪论土遗址是指以土作为主要建筑材料的人类历史上生产、生活等各种活动遗 留下来的遗迹是重要的文化资源之一。土遗址保护是文物保护的重要组成部分， 目前还没有比较完善的科学体系。某些土遗址的保护仍处于探索阶段，是一个世 界性的难题。然而随着科学技术的不断发展，人们对土遗址保护的理解加深，土 遗址保护也受到人们的重视，对土遗址的保护正在不断加深田。在我国西北地区，由于干旱的气候环境，使许多土遗址得以保存下来。包 括长城、烽燧、古城等等。由于其自身强度低，水稳定性弱，加上生物（植被、 鼠洞）破坏，相当一部分土遗址的
4、亟待保护。现阶段，虽然对土遗址做了一些病-1 -害分析，但是缺乏系统性的研究，且资料分散，目前尚未颁布关于土遗址保护的 相关规范。因此，我们需要能对文物保护做更进一步的努力。在对天祝县乌鞘岭 长城、石洞沟梁长城、松山古城分别作了工程地质勘查，了解了遗址土的工程特 性；进行了土遗址病害的描述和分析；针对此区域普遍存在的差异性风蚀现象作 了观察、描述。从该病害形成的两大物质条件来分析差异性风蚀的形成机制，将 其整理成为论文形式进行分析，希望能对此类病害的研究和防治上起到现实意 义。受学生所学知识的限制，论文中内容出现错误的地方还请老师批评指正。天祝藏族自治县地处河西走廊东端，属青藏高原东北边缘。地
5、理位置在东 经102 07 103 46，北纬36 31 37 55之间。南接永登县，东靠景泰 县，北邻武威市和古浪县，西北与肃南县接壤，西与青海省的门源、互助、乐都 县毗邻。东西宽142.6km，南北长158.4km，总面积7149 km2。312国道、兰新铁 路自南而北穿过，连霍高速公路自东经过。东南距兰州市145km，西北距离武威 市132km，距中川机场80km，区位优势独特，地理位置优越。天祝县长城，从时代上来看，有汉长城和明长城。汉长城为夯土形式，因 时代原因，遭到长期风化而基本毁坏，烽燧则大部分呈馒头状，明长城保存较好， 大部分墙体完整，墙体亦为夯土版筑形式，墙体宽2-3米，高大
6、都在2米以上，是 中华民族珍贵的文化遗产。1.1长城风蚀现状历经数百年乃至上千年的长城亟待保护，古长城城墙墙体在风力、温度、 水以及生物等因素作用下，墙体以及墙基受到不同程度的侵蚀和破坏。土遗址的 病害分为自然破坏和人为破坏。自然破坏包括片状剥蚀：雨蚀剥离病害、风蚀剥 离病害和裂隙剥离病害；淘蚀：酥碱、风力淘蚀和流水淘蚀；裂隙（缝）：卸荷裂 隙、构造缝、变形裂隙、建筑工艺裂缝；冲沟：裂隙型冲沟和径流型冲沟；生物 破坏：动物病害和植物病害。人为破坏分为历史破坏和近现代破坏履。这些病 害在天祝县长城段不同程度的分布。风蚀是指风力侵蚀作用在土壤及土壤母质， 造成土壤颗粒位置变化，进而造成土壤结构破坏
7、。在环境工程中，风蚀是发生在 干旱半干旱地区及部分半湿润地区沙漠化的首要环节。在国内外对于风蚀的研究 上，风蚀的研究经历了由一个不太重要的地质过程到引起科学界的广泛关注的过 程。从定性到定量，从野外观测到室内试验分析，再加上风蚀作用理论体系的建 立，对我们对土遗址风蚀的研究具有重要意义。在岩石风化中，由于岩石成分、结构对风化作用的影响深刻，在相同的风 化条件下，由于岩石中含有不同的成分层或不同的成分集合，可表现出不同的风 化结果，从而造成地貌上凹凸不平的现象，即形成差异性风化。而土遗址风蚀现 象相当普遍，加之西北地区特殊气候，墙体的差异性风蚀就尤为严重。西北地区土遗址分布范围广，种类多，在丝绸
8、之路沿线上土遗址分布集中。 由于西北地区独特的干旱气候和地处戈壁荒漠的环境，才使夯土层保持在一定的 湿度下，减小了黄土湿陷破坏（夯土层主要成分为黄土）的可能性，保证墙体维 持稳定性所必要的力学强度，才使得长城土遗址的广泛分布团。在土遗址病害中，受到赋存环境和土遗址本身的特性两方面的控制囱。外 力作用对长城影响最为严重的即风力作用和降水作用，在这些病害中分布范围最 广的为风蚀破坏。目前对于风蚀的研究，应从两方面入手，一是从气候方面， 通过气候的侵蚀模型来分析风蚀过程，另一方面，要从土体的可蚀性入手，在这 一方面，土体的可蚀性因子复杂且相互作用，因此，针对不同的土体在得到其工 程地质性质的基础上，
9、分析土体在风蚀作用下的力学性质回。以天祝县长城为例，结合当地地理环境、气候状况，以及差异性风蚀的分 布范围。结合所学知识和相关文献资料分析古长城墙体的差异性风蚀情况。参考 相关文献资料，尝试给出相应的防治措施。天祝县气候属大陆性高原季风气候。天祝降雨量稀少，对于天祝境内长城 破坏最为普遍，也最为明显的应为风力破坏，在山岭地区的长城，以及在平原区 的松山古城的墙体上，以夯层为界城墙墙体受到不同程度的风的侵蚀作用，向城 墙内部凹进，从而形成规模不等，分布密集，沿夯层层面走向密集分布的风蚀凹 槽现象。因天祝县地区处于季风盛行性气候，因此，在季节性优势风向上差异性 风蚀现象更为严重。1.2天祝长城的价
10、值评估1.2.1历史价值（1）军事意义：这是长城存在的根本意义，长城是世界古代史上最伟大的 军事防御工程，它并非简单孤立的一线城墙，而是由点到线、由线到面，把长城 沿线的隘口、军堡、关城和军事重镇连接成一张严密的网，形成一个完整的防御 体系。军堡、关城和军事重镇这个体系具有战斗、指挥、观察、通讯、隐蔽等多 种功能，并配置有长驻军队的点线结合防御工程整体。而修筑长城，是针对西北 边地实情所采取的积极措施，是化被动为主动。（2）民族关系的纽带：天祝藏族自治县区段长城周边，是汉藏民族聚居地 带。随着历史的发展，无论是民族间政治、经济、文化上的联合与交流，还是民 族间军事、政治上的斗争，都沿长城一线展
11、开。一定程度上讲，促进了当地政治、 经济、文化的多样性。（3）分隔线的作用：长城作为重要的分隔线，长城两侧构成中国大陆古代 农、牧两大经济、文化类型。天祝县长城的修筑主要是为了防御凉州以外的蒙古 民族再度入侵的作用。带包含了整个旱作农业经济发展带和畜牧业经济发展带的 大部，构成一个完整独立的经济体系。经济上以农业经济为基础，畜牧业是农业 的重要补充，两种经济相互依存，互相补充。文化上以农耕文化为主导，农、牧 两种文化相互渗透和吸收，不断汇聚与辐射。在历史发展过程中，长城两侧文化 相互交融，相互影响。1.2.2科学价值天祝县长城遗址虽局部缺失，但其夯层仍然明显，平均厚度约在十公分， 中间加油碎石
12、、圆木作为加筋材料。这些不仅是长城作为坚固屏障的前提，也是 能保证长城保留到现在屹立不倒的重要保证。该区域内局段长城取河流阶地上卵 砾石作为持力层，保证了其修筑时的高度和强度。1.2.3艺术价值无论是石洞沟梁长城还是其他长城，都代表着中国先民的智慧文化的结晶。 宏伟壮观的长城是蜿蜒在华夏大地的一条巨龙，诉说着华夏文明的过去、现在和 未来。无愧于世界奇迹之一。第二章形成条件根据岩石风化作用的理论分析可得，差异性风蚀的形成需具备两个条件： 一方面，应有充足的风力条件；另一方面，应有相应的物质条件。换句话说，分 析乌鞘岭段长城的差异性风蚀，重点在于分析遗址本身工程特性和风的作用方式 及强度。2.1墙
13、体成分和砌筑方式2.1.1物质成分西北地区土遗址建筑原料多为就地取材，天祝县长城墙体主要为夯筑墙， 长城城墙墙体的修筑是以黄土为主并夹有部分砾石为主要材料分段、逐层夯实而 成。此段长城位于河西戈壁地区，墙体的主要成分为附近的黄土，局部夯层层理 清晰处，内部可见夹杂的砾石块。夯层厚度一般在10-15cm左右，局部分段的长 城墙体在风蚀作用下已基本丧失原有的建筑形制。其余区段存在不同程度的破 坏。在长城墙体上部沿夯层层面走向上形成的风蚀凹槽。选取石洞沟梁长城某段剖面出露较好的一段，绘制墙基的柱状图2-1：图2-1石洞沟梁墙基典型柱状图（单位：mm）2.1.2建筑形制：此段长城采用的古代土建筑中常见
14、的夯土版主的方法，该方法也是长城的 主要修筑方法。城墙土体主要为粉质黏土，虽然松散，但是有一定的粘聚力和可 塑性，因此需要一定的人为加工，才能砌成坚固的墙体7。查阅相关资料，得到 天祝县松山新城的夯筑过程如下：夯筑之前，先在墙基边缘栽立四根高大结实的 柱子，深入地下3050cm，两边平行，长宽距离相等。古代谓之“桢”，是筑墙 工事中的支柱，它的基本作用是限定墙基的方位和墙体的长度、宽度及厚度。将 制作好的木板或圆木放在平行的立柱内侧，四根高大结实的柱子牢固地挡住墙体 两旁打夯的压力，选用河道底部及流水沉积层粘性很大的土质，再用水灌溉浸泡， 使之具有一定湿度，具备重新粘接的条件后挖掘填入加筑的木
15、版之内，整平，分 布均匀，双人抬夯夯筑，边夯边填土。立柱及墙两边的木板压力开始加大，四根 高大结实的柱子牢固地挡住墙体两旁打夯的压力，土层越来越紧密。夯层厚度为 1012cm. 一层又一层，分层捣实。此种方法叫版筑，或曰舂墙。当夯土层 达到底层木版或圆木高度时，两边再加一层木版或圆木，再继续填土打夯。第二 层填满后，取掉第一层木版与立柱之间的楦楔，放到第三层，填土打夯，这样反 复不断，直至筑到所须高度。墙体延伸时，与原来的夯墙相连接，一段又一段， 随需要灵活夯筑，直至筑就整个城池。有时再在墙内有序地增加初木，以防滑墙 塌陷。2.2遗址土的工程特性2.2.1遗址土的物理性质对天祝县长城遗址土体取
16、原状土样和扰动土做土的物理性质测试。土样描 述如2-1：表2-1天祝县松山新城遗址土样土样编号取样位置土样描述备注SSXC外城西北角坍塌处夯土，土黄色，粉质粘土，块状，土质均一， 局部发育有孔洞，结构较为致密，风化程度低。原状样SSXC N(x)崩塌，掏蚀，风 蚀破坏典型区域夯土风化物，土黄色，粉质粘土，土质较为 均一，结构松散，风化破坏严重。扰动样原状土样取长城坍塌处，夯土块，结构较为致密，风化程度低。物理特征如表2-2:表2-2原状样物理性质土样含水天然密度颗粒干密度孔隙含水率塑限17mm 液限塑性编号量g/cm3密度率3 (%)3 p (%)3l (%)指数SSXC1.531.8672.721.86168.53
