姚 雪

（1. 四川博物院，四川 成都 610071；2. 西北大学文化遗产学院，陕西 西安 710068）

夯土建筑是一种古老且分布范围极广的建筑形式，具有取材便利、工艺简单、物理性能良好的特点。在对陕北地区明长城进行调查的过程中发现，当地90%以上的长城遗址均为夯土建筑，受自然和人为因素的双重影响，夯土长城目前保存状况堪忧。在对陕北榆阳区54座明长城夯土建筑的现状调查中发现，雨蚀是该地区明长城破坏的主要病害类型之一[1-5]。大多数夯土遗址表面风化严重，部分遗址冲沟和裂隙发育，少数遗址底部有淘蚀凹槽，这些均为降雨直接或者间接破坏的结果[2]。文章着眼于降雨对夯土遗址的破坏过程，是对半干旱环境下土遗址雨蚀破坏极值的探索性研究。

目前，一般通过野外实地勘察研究夯土遗址的雨蚀病害[6-7]，对不同雨蚀病害间的发育过程研究尚显不足，对不同病害模式间的关系研究较少。作者曾采用小比尺模型，在室内可控条件下研究降雨、夯土性质和雨蚀量间的单因素量化关系，取得初步成果[4-5]。但室内模拟试验受条件限制，不能完全反映出夯土雨蚀破坏的发育过程。本次研究采用现场模拟试验的方法，在陕北榆林榆阳区采用长城原始夯筑工艺建造夯土墙体，采用人工模拟降雨设备对夯土墙体进行模拟雨蚀，探究天然赋存环境下夯土建筑的雨蚀破坏发育过程。病害发育过程是机理研究的重要组成部分，以现场试验为手段探究夯土遗址不同雨蚀病害的发育过程是科学评估、预测其生存态势的重要依据。

1 榆阳区明长城遗址土的工程特性

该地区建筑材料为低塑性粉质黏土，天然含水率低，夯土密度较大，但土颗粒级配大多数不良，易水解，抗雨蚀能力较弱，抗剪强度低，土中易溶盐主要为硫酸盐，易发生溶解结晶。总体上看，土的工程性质较差，抗风化能力弱。

2 榆阳区明长城雨蚀破坏模式分析

根据现场调查，综合考虑水土作用方式和破坏程度，榆阳区明长城夯土雨蚀病害分为干湿破坏、冲刷破坏和降雨导致的重力侵蚀。

第一种破坏模式是干湿破坏，干湿破坏包括片状剥蚀和干缩开裂，是降雨和其他因素协同作用产生的结果，基本作用是逐渐降低土体强度，增加表面风化层厚度。调查过程中发现，片状剥蚀和表面收缩开裂广泛分布于长城遗址中，是分布范围最广的雨蚀病害。

第二种破坏模式是冲刷作用导致的破坏，表现为冲沟和极少量基底淘蚀，是降雨对土遗址的直接破坏。现场调查中，基底淘蚀数量较少，冲沟多出现于顶面有良好汇水面的遗址，分布范围较广。

第三种破坏模式是降雨导致的重力侵蚀，包括局部小范围掉块和大面积失稳坍塌，调查中发现，部分长城遗址有大型贯穿性裂隙发育，已经形成危险块体，在降雨和振动的作用下发生坍塌的可能性极大。坍塌受遗址本体结构和降雨、振动等外界因素的共同影响，是雨蚀破坏的偶然结果，在调查中较少见，但一旦发生破坏性极大。

3 雨蚀发育过程的试验研究

3.1 试验方法

试验采用人工模拟降雨的方式加速夯土雨蚀破坏进程。本次试验为破坏性试验，不适宜在长城墙体上进行，在榆阳区长城周边一处地势平坦的场地人工夯筑2座墙体作为试验对象，按照明长城夯筑工艺夯筑，采用人工降雨的方法模拟天然降雨对夯土建筑的破坏。

降雨参数综合考虑当地降雨概率、降水贡献率和破坏性，根据1964—2012年榆阳区天然降雨资料统计分析得出[2]56（表1）。试验目的是重现降雨对夯土遗址的破坏过程，试验时观察并记录3种雨蚀破坏模式的产生、发育过程，记录3种破坏模式的发育顺序及伴生关系，原则上以土体开始出现小范围掉块作为试验结束标志，不出现大范围坍塌。

表1 降雨设计值

3.2 试验对象

在长城真实赋存环境下夯筑2座长3 m、宽1.5 m，高2 m的夯土墙体，2座试验台相互垂直但不相接。试验台为当地原生黄土按照原始工艺夯筑，控制密度和含水率与长城遗址一致（图1）。图2为模拟墙体剖面图，具体参数表2。

本次试验设计夯层厚度0.15 m，干密度1.7 g/cm3，最优含水率17.5%。分层夯筑，夯筑结束阴干10 d后，脱模避雨通风养护≥28 d（图3、图4），养护期间为防止墙体表面迅速脱水开裂，在墙体表面覆盖植物纤维，保证避雨通风。

表2 模拟墙体设计参数

图1 模拟墙体方位示意图

图2 模拟墙体剖面图

图3 叠加模板

图4 脱模

3.3 降雨设备

本次研究借鉴水土保持学领域关于人工模拟降雨的相关知识理论，采用便携式野外人工模拟降雨装置进行试验。雨滴发生器喷嘴直径9 mm，喷洒角度45°，降雨系统分为供水系统、降雨系统和支架3个部分，见图5。

为保证人工降雨精度，对模拟降雨器参数进行室内率定和现场校正[12]。结果显示，模拟降雨器在设计降雨条件下均匀系数大于0.7，达到规定精度标准，满足试验需求。

图5 便携式人工模拟降雨系统现场图

3.4 试验结果

3.4.1 干湿破坏发育过程

干湿破坏指土体中水分的干湿作用导致的土的性质逐渐削弱、破坏的过程。结果显示，试验条件下夯土墙体均会出现干湿破坏，表现形式为片状剥蚀和干缩开裂。

(1)片状剥蚀。片状剥蚀是多次降雨后反复干湿作用的结果。具体形成过程为，表层土颗粒湿润后发生位移形成疏松团聚体，在雨滴的击实作用下形成细密结皮层（图6），降雨结束后，结皮层失水干燥与原土体分离，在外力作用下呈片状脱落（图7）。片状剥蚀发育过程见图8、图9，结皮层实际强度较差，剥落后露出内部新鲜土体，呈蜂窝状强度较差。

图6 初步形成结皮

图7 结皮层剥离

图8 片状剥蚀发育初步形成

图9 片状剥蚀成片脱落

(2)干缩开裂。干缩裂隙通常在土体表部形成。降雨结束后，土颗粒间基质吸力增强逐渐大于土体内部黏聚力，土体表面产生裂隙，多次反复裂隙发育扩大。图10至图13为3场降雨后试验台体表面干缩开裂发育情况，结果显示，随着干湿次数增加，顶部裂隙发育方向延伸并扩张，裂隙张开度明显增大，纵向切深增大。

图10 Ⅰ号墙体顶部原始形貌

图11 顶部初步产生干缩裂隙

图12 顶部干缩裂隙形成

图13 顶部干缩裂隙进一步发育

综上，干湿破坏包括土体吸水湿化—失水收缩两个过程，降雨过程中的干湿破坏处于土体湿化发育阶段，一般来讲，土体湿化程度越大，干湿破坏越明显，干湿破坏作用贯穿于整个降雨及雨后失水的过程。

3.4.2 冲刷破坏发育过程

冲刷破坏实质上是由于水力侵蚀造成的土颗粒脱离本体或离开原有位置形成的破坏，最常见的表现形式为冲沟。

夯土墙体顶部轻微的不平整为冲沟发育提供条件。冲沟的形成包括饱和、径流形成、泥浆流淌和冲沟发育4个阶段。试验时，表层土体含水率逐渐升高，当渗透系数小于降雨强度时，表层土体饱和，产生积水，积水沿下洼处流淌形成径流，径流带走顶部饱和土体形成泥浆流淌，形成泄水通道。随着降雨继续，大量挟沙水流沿泄水通道流失，最终形成具有一定纵深的冲沟。

降雨引发的重力侵蚀是由于土体吸水饱和后重力增加，土体内部C、Φ值减小，抗剪强度降低，当抗剪强度小于饱和土体重力时发生坍塌。一般发生于遗址本身存在结构性问题的情况下，例如大型裂隙发育、底部出现悬空区等。本次模拟试验以现代夯筑墙体作为对象，墙体表面完整、无裂隙发育，不存在结构性问题，不存在发生坍塌破坏的内在条件，因此在试验中历史最大降雨条件下仅出现局部掉块现象，属于由冲刷破坏向坍塌破坏过渡阶段，关于降雨对夯土遗址坍塌破坏的影响将采用数值模拟的方法进行研究。

4 结束语

(1)榆阳区明代夯土长城雨蚀破坏模式分为干湿破坏、冲刷破坏和降雨导致的重力侵蚀，试验结果与现场调查结果一致。

(2)夯土雨蚀破坏发育的一般过程分为3个阶段。降雨初期雨蚀破坏以干湿破坏的湿化作用为主；雨蚀破坏发育中期，以表层土体开始饱和为标志雨蚀破坏以冲刷破坏为主；雨蚀破坏发育后期，遗址表面土体局部饱和发生变形，降雨对土体的破坏作用以坍塌破坏为主。3种破坏模式可以并存，破坏程度逐渐递增。