松山新城墙体裂隙演化及分布特征研究

松山新城墙体裂隙演化及分布特征研究土遗址遍布我国的西北地区，有着十分重要的历史、艺术、科学、社会价值，是我国重要的文化遗产，然而经历数百年乃至数千年的地质营力，自然环境如温湿的反复变化、雨水的侵蚀，人类等各种因素的综合，有些土遗址已经大面积破坏。通过对松山新城遗址的现场调查工作，发现松山新城裂隙多以数条一组的形式小间距出现，是影响其稳定性的主要灾害之一。本文主要根据地质学理论，结合其赋存环境的气候环境、地形地貌、地层岩性、结构构造、水文地质条件、不良地质现象等工程地质条件，通过实地调查研究和统计分析，发现松山新城裂隙分布特征如下：（1）松山新城裂隙主要包括卸荷裂隙、构造裂隙、版筑缝。（2）裂隙主要分布在高大墙体上，共发育有850条各种类型的裂隙，大致呈现四组优势产状。 单条裂隙的最大可见迹长达17.50m，平均可见迹长2.59m，其中可见迹长大于1.50m的裂隙条数占裂隙总的72.00%；单条裂隙的最大张开度达88.00cm，平均张开度为5.87cm，其中张开度大于3.00cm的的裂隙条数占裂隙总条数的61.88%。（3）版筑缝本身对城墙稳定性影响不大,但裂缝的存在为雨水渗流提供了途径,加快了土体的软化,也会对城墙产生不利的影响。（4）卸荷裂隙常发生在遗址的临空面，且常伴有一些次生裂隙，呈折线、直线形态分布。（5）构造裂隙延伸长,分布广,多见于墙体之上,张开度不一,部分切穿墙体与生土、夯土连通。1.1 地理位置天祝县位于甘肃省武威市东南方向，距武威市区132km，地处祁连山东端，东接景泰县，西与青海门源县、互助县、乐都县毗邻，南邻永登县，北靠武威市、古浪县。地理坐标为东经10207-10346之间，北纬3631-3755之间，东西宽142.6km，南北长158.4km，总面积共7149km21。县内312国道、兰新铁路自南而北穿过，连霍高速公路自东经过，距兰州中川机场80km，地理位置优越（图1-1）。境内乌鞘岭地势高耸，自古以来就有河西走廊门户之称，是古代丝绸之路的要道，亦为军事要地。松山新城位于天祝县松山镇松山村西北侧，坐北朝南，分内外二垣，平面呈“回”字形，城垣基本完整1。图1-1 天祝藏族自治县行政区划图1.2 价值评估1.2.1 历史价值松山新城是万里长城的重要组成部分，是研究明朝边塞军事防御工事的珍贵实物资料2。同时也是四百年前的松山战役的遗迹，“桓桓虎队出车期，漠漠龙沙奏凯时。鲁灭全收唐土地，兵迴争拥汉旌旗。葡萄酒冷征人醉，苜蓿花深戎马迟。听取琵琶弹夜月，短箫长笛咽凉圻。”1.2.3 艺术价值巍然屹立在中国大地上的长城是中华民族的伟大象征，是炎黄子孙的骄傲。松山新城的建筑形制、施工工艺彰显了明朝建筑的高超技艺，如今依然高耸的墙体显示了中华儿女的勤劳团结，回字形的构造反映了我国传统的对称美，这些艺术价值值得我们学习瞻仰。1.2.4 科学价值（1）明长城是中国历史上最为宏大完善的军事防御工程2。通过对松山新城的研究，分析其军事地位，能够完善明长城的整体性研究，同时对于研究我国古代军事防御科学具有重要的意义。（2）明长城的修筑吸取了战国以来各朝各代军事防御建筑建造技法之精华，展现了中国长城防御工程技术发展的最高水平3。松山新城作为重要组成部分对研究明朝时期的军事防御建筑建造技法具有重大科学价值4。绵延数千里的长城其价值就在于数千里，若只保护其中几个大型关堡而忽略残墙，其价值也就基本丧失，所以我们在进行保护修缮工作的时候要注重全方位的保护，不仅要注重整体还要注重局部。1.2.5 社会价值（1）松山新城遗址是天祝县境内重要的文化遗产，它所拥有的文化遗产价值具有突出的教育意义，可充分发挥文物见证历史、弘扬传统的独特功能5。（2）松山新城遗址在促进天祝县乃至甘肃省的文化传播与经济发展以及带动当地文化遗产保护事业中将起到重要作用6。（3）松山新城遗址在促进当地民族团结及和谐社会建设方面具有重要意义。18第二章 赋存环境2.1 气候环境天祝县属大陆性高原季风气候区，年温差小而日温差较大，松山新城平均日温差为12.46。乌鞘岭高耸使境内南北气候各异，成为半干旱气候与高原季风气候的过渡地带，小气候现象明显。乌鞘岭南为大陆性高原季风气候，夏季盛行东南风，较温和湿润，冬季盛行偏北风，寒冷干燥；乌鞘岭北为温带大陆性半干旱气候，偏北风作为主要风向，气温变化大，日照强烈，夏季干旱，冬季寒冷干燥，多风沙。因地形高低起伏关系，县内各地气温差异较大，海拔每降低100m，温度升高0.5。气温年变化具有显著的大陆性气候特点，四季不很分明，冬季较长，春天和秋天短暂，几乎无夏天。天祝县年降水量呈现由西北向东南减少的变化趋势，县内的哈溪一带为多雨区，年降水量为500600mm，松山为少雨区，降水量仅为265.5mm。而一年之内降雨量的分配随季节多寡悬殊，8月份为降水高峰期，降水量为一年降水总量的20%，12月份降水量最少，大部分不足3mm。值得一提的是，天祝为雷电冰雹多发区，通常情况下，雷电天气伴随强降雨的发生。一般发生在410月份，集中在68月份。2.2 地形地貌天祝的地貌以山地为主，山脉纵横交错，构成了地貌格局的骨架，同时也形成了重要的地质界线（图2-1）。以类型而论，县域内大致可分成四个类型：金强河上游以北的冷龙岭、卡洼掌、磨脐山、响水顶、代乾山、雷公山一带为西北部高山高原区，海拔多在4000m以上，是青藏高原的东北边缘；金强河（包括金强河谷）以南的马牙雪山、五台岭、桌子山、三宝山一带为西南部高山峡谷区，海拔在3000m以上，高山与峡谷高低悬殊，山坡陡峭；金强河以北呈东西走向的乌鞘岭、毛毛山一带为中部中山地区，这是一条长约60km、宽约30Km的狭长山地，海拔在3000m上下，是我国的黄土高原地区和内蒙古高原地区的分界线；其余地区多为低山丘陵区，海拔在2600m以下，包括金强河谷地、安远盆地、西大滩盆地、哈溪盆地、寨子滩盆地、松山盆地及其周围的丘陵地区。图2-1 天祝县地形地貌图2.3 地层岩性天祝属于祁连山系的一部分，古生代时期为海漫地带，在此处沉积了大量的中奥陶纪、志留纪的灰色和绿色岩系。加里东运动和海西运动时期形成祁连山的雏形，后经石炭纪和二叠纪的褶皱断层作用，山地突起，形成了各种盆地如松山盆地、寨子滩盆地等，中生代的煤系地层在山前的坳陷带形成，燕山运动时期，祁连山成为高大山脉。在各期的造山运动中，由于岩浆的侵入喷溢，变质现象极为普通。其侵入岩有花岗岩、闪长岩、石英岩等，毛毛山轴部就是由花岗岩、闪长岩构成的。变质岩有片麻岩、石英岩、石英砂岩、片岩、千枚岩等。总体来说，天祝县地层发育比较齐全，前震旦系、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二迭系、三迭系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系、第四系均有分布。2.4 结构构造在地质构造单元上，天祝属祁连褶皱系，由西向转向东西向的折转带上。其构造体系的划分上主要有东西向构造体系、祁连多字行构造体系、陇西走状构造体系和河西系。其中，东西向构造体系生成较早，而祁连多字构造体系生成较强，由于后者的顺时针扭动对前者的影响，以前者处于后者的包容中的方式复合。而祁连多字构造体系则以整体上呈交接的方式与陇西走状构造体系复合。四种构造体系相互干扰、影响、改造，是天祝地带的复合带的地质构造异常复杂，形成了矿产富集带（图2-2）。2.5 水文地质条件天祝境内地表径流总量为10.24*108m3，以乌鞘岭作为界限分为外流河和内陆河两类。外流河有金强河、大通河和石门河，而内流河有毛藏河、南岔河、响水河、大水河、哈溪河、大滩河。地下水补给量4.2*108m3，水量丰富，包括基岩裂隙孔隙水、碎屑岩裂隙孔隙水和松散岩类孔隙水三大类。由于地下水埋藏较深，而在松山新城开挖的探坑相对浅，尚未探到地下水（图2-2）。图2-2 天祝县区域地质图图2-3 天祝县水文地质图2.6 不良地质现象天祝是个地震多发区，其境内地质构造复杂，地震活动频繁，冷龙岭毛毛山断裂带横跨天祝中西部，河西走廊地震带、祁连山地震带纵贯其境。从1950年天祝建县以来到2001年先后共发生中强烈地震15次，其中天祝松山6.2级地震和天祝安远5.4级地震，给当地百姓造成了很大的经济损失。第三章 古城墙体裂隙分布墙体是以地面上修筑的夯土墙、垒砌的石墙防地，或斩山设防，或以险要的山险阻敌4。松山新城城址位于天祝县松山镇内，坐北朝南，分为内外二垣，平面上呈“回”字形构造，城墙保存基本完整（图3-1）。外城南北宽320m，东西长350m，墙体高度为8.59.5m，顶部宽度为23m，底部宽度为5.56.5m，四角建有角墩，墩长9m，宽8m，残高6.5m，四周有护城河，宽8m，南墙接近消失，只有少数的墙基存在，东墙有一处断口，断口宽度为6m，西墙西立面部分墙体被用作羊圈，外城西北角处发育一处大型坍塌，形成贯通的洞穴，洞径达2.5m。南北墙正中筑马面，马面长约17m。东、南方设门，东门内侧置马道。内城南北宽140m，东西长170m，墙体高度为8.59.5m，顶部宽度为23m，底部宽度为5.56.5m，夯层厚度为0.150.25m，内城南墙和北墙处各有一处大型断口，南墙断口宽度为6m，北墙断口宽度为10m，内城东墙和北墙的墙体坍塌较为严重。亦筑角墩，向南方设门。外城东北角台墙体高度为7.7m，东立面宽度为6.5m，北立面宽度为5.9m，南立面宽度为3.9m，南立面底部掏蚀严重。内城东北角台墙体高度为9.3m，西北面宽度为13.3m，东南面宽度为7.6m，东北面宽度为7.1m，东南面底部坍塌较为严重。内城东南角台墙体高度为7.1m，东北面宽度为8.3m，西南面宽度为10.9m，东南面宽度为5.0m。城墙系黄土板筑，体现了“因地制宜、就地取材”的建筑原则18夯土层的厚度大约为1520cm，墙内壁有木椽印迹，椽径约12cm。现保存有内城、外城、外城南瓮城、外城西瓮城、内城南瓮城、外城东北角台、内城东北角台和内城东南角台8处。图3-1 天祝县松山古城平面图3.1 裂隙统计分析通过对甘肃省天祝县境内的明长城遗址进行了现场病害调查工作，调查发现由于受特殊的自然地理环境的影响和历史进程中人类活动的破坏，遗址保存程度表3-1 天祝松山新城裂隙分布情况表外城东墙共134处，其中单条裂隙的最大可见迹长达5.101m，平均可见迹长2.607m；单条裂隙的最大张开度达10.0cm，平均张开度为2.9cm。外城南墙共27处，其中单条裂隙的最大可见迹长达5.640m，平均可见迹长2.369m；单条裂隙的最大张开度达12.0cm，平均张开度为4.11cm。外城西墙共96处，其中单条裂隙的最大可见迹长达7.103m，平均可见迹长2.321m；单条裂隙的最大张开度达52.3cm，平均张开度为15.7cm。外城北墙共141处，其中单条裂隙的最大可见迹长达7.150m，平均可见迹长2.407m；单条裂隙的最大张开度达15.0cm，平均张开度为3.2cm。外城东北角台共2处，其中单条裂隙的最大可见迹长达2.810m，平均可见迹长2.291m；单条裂隙的最大张开度达3.0cm，平均张开度为2.5cm。外城南瓮城共22处，其中单条裂隙的最大可见迹长达3.500m，平均可见迹长2.099m；单条裂隙的最大张开度达34.0cm，平均张开度为6.00cm外城西瓮城共12处，其中单条裂隙的最大可见迹长达5.400m，平均可见迹长2.839m；单条裂隙的最大张开度达6.0cm，平均张开度为3.33cm。内城东墙共58处，其中单条裂隙的最大可见迹长达6.015m，平均可见迹长3.502m；单条裂隙的最大张开度达20.0cm，平均张开度为5.5cm。内城南墙共147处，其中单条裂隙的最大可见迹长达11.800m，平均可见迹长2.370m；单条裂隙的最大张开度达20.0cm，平均张开度为3.4cm。内城西墙共81处，其中单条裂隙的最大可见迹长达9.069m，平均可见迹长3.616m；单条裂隙的最大张开度达26.0cm，平均张开度为4.7cm。内城北墙共54处，其中单条裂隙的最大可见迹长达4.472m，平均可见迹长2.025m；单条裂隙的最大张开度达20.0cm，平均张开度为4.4cm。内城东北角台共30处，其中单条裂隙的最大可见迹长达5.700m，平均可见迹长1.605m；单条裂隙的最大张开度达41.4cm，平均张开度为10.3cm。内城东南角台共1处，其中单条裂隙的最大可见迹长达3.372m，平均可见迹长3.372m；单条裂隙的最大张开度达36.9cm，平均张开度为36.9cm。外城南瓮城共22处，其中单条裂隙的最大可见迹长达3.500m，平均可见迹长2.099m；单条裂隙的最大张开度达34.0cm，平均张开度为6.00cm。差，破坏十分严重。其中外城北墙裂隙发育最为严重：松山新城外城北墙保存较差，裂隙发育最为强烈，顶部裂隙宽度较大且发育，密度较大。同时由于土遗址裂隙发育，降低了抵御自然灾害的能力，增大了遗址发育其它病害的概率。由于裂隙导致墙体开裂、坍塌的残迹随处可见。因此，对遗址裂隙演化规律及分布特征的研究就显得尤为重要。裂隙分布情况如上(表3-1)：3.2 裂隙发育类型从调查结果可知，天祝县明长城（松山新城）夯土遗址发育的裂隙主要有三种类型：第一是版筑缝裂隙（图3-2），即在夯筑过程由建筑工艺形成的裂隙，一版的长度通常为35m之间，若建筑长度较大，则由多版衔接构筑，版与版之间自然中形成裂隙；第二是由遗址应力重分布而产生的裂隙，如卸荷裂隙（图3-3）等；第三是构造裂隙（图3-4），由于构造运动或地震作用而产生的裂隙，如节理814。图3-2 卸荷裂隙图3-3 构造裂隙图3-4 版筑缝裂隙3.3 裂隙发育程度天祝县明长城（松山新城）夯土遗址裂隙发育情况如下表所示：裂隙共850条，迹长最大为17.5m，张开度集中分布在10-20cm。表3-1 天祝松山新城裂隙分布情况表裂隙总数（条）迹长最大（m）平均迹长（m）迹长大于1.5数（条）迹长大于1.5占总数百分比（%）单条裂隙最大张开度（cm）裂隙平均张开度（cm）裂隙张开度大于3cm的总条数（%）裂隙张开度大于3cm的占总数百分比（%）85017.52.5886120.72885.8655260.618824迹长0-2m总数（条）迹长2-4m总数（条）迹长4-6m总数（条）迹长6-8m总数（条）迹长8-10m总数（条）迹长10-12m总数（条）迹长12-14m总数（条）迹长14-16m总数（条）迹长16-18m总数（条）3443641211811001张开度0-10cm总数（条）张开度10-20cm总素（条）张开度20-30cm总数（条）张开度30-40cm总素（条）张开度4-50cm总数（条）张开度50-60cm总素（条）张开度60-70cm总数（条）张开度70-80cm总素（条）张开度80-90cm总数（条）709104191142001天祝县明长城（松山新城）夯土遗址裂隙发育呈现如下特征（见图3-5、图3-6、图3-7、图3-8）：共发育有850条各种类型的裂隙，大致呈现四组优势产状：西墙：3558090；1758090。南墙：828189；2628090。东墙：1737590；3537090；北墙：848390；2648190（见图3-9、图3-10、图3-11、图3-12）。图3-5 裂隙倾向玫瑰花图图3-6 裂隙产状等密度图图3-7 裂隙迹长统计直方图图3-8 裂隙张开度统计直方图图3-9 外城东墙裂隙产状等密度图图3-10 外城西墙裂隙产状等密度图图3-11 外城南墙裂隙产状等密度图图3-12 外城北墙裂隙产状等密度图第四章 裂隙演化分析4.1 城墙结构特征“夯土版筑”是古建筑最普通的建造技法，明代长城的“夯土版筑”技艺集历代之大成，从结构工艺、用料、修筑质量及防范措施都有了较大的改进和提高。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杒木，以防滑墙塌陷。4.2 裂隙演化过程4.2.1建筑工艺裂缝建筑工艺裂缝是指由于建筑工艺的原因,沿建筑工艺的接槎缝、结构缝、施工缝等产生的裂缝。施工时大多为分段夯筑，段与段之间连接不紧密，本身就存在裂缝。在每一段内部，每一版的厚度是均匀的，但版与版之间略有差异，每一版的厚度1020cm，以15cm的厚度多见，每版长35m，堆砌时版与版之间的施工缝分明，由于施工缝在风蚀和雨蚀的长期作用下，裂缝不断加宽，部分已经贯通，同时由于接触缝之间材料性能的差异，胶结作用明显减少，形成水平方向的裂缝。由于土体是一种松散材料,自身在重力作用下不断的发生压缩沉降,较早夯筑的土体的压缩沉降已基本完成,较早达到了稳定,而后夯筑土体的压缩沉降还在进行,新旧土体之间的摩擦力将阻止后夯土的沉降,于是在摩擦力与重力的共同作用下可能在后夯土产生竖向拉应力而产生水平裂缝，此类裂缝发生一般发育在土体内部。建筑工艺裂缝对城墙稳定性影响不大,但裂缝的存在为雨水渗流提供了途径,加快了土体的软化,会对城墙产生不利的影响。4.2.2卸荷裂隙卸荷裂隙是指土遗址由于应力重分布向临空面方向释放应力引起土体变形而形成的裂隙,常伴有一些次生裂隙，呈折线、直线形态分布，包括两种裂隙：原生闭合裂隙的张开和新生裂隙的形成，如临空面墙体的卸荷裂隙。城墙在其赋存历史中必然受过多次不同作用特征和作用方式的地质构造作用,随之而形成各种大小不等且方向各异的结构面。变形裂隙因为应力的重分布作用、局部应力的集中作用或者产生张应力,当应力超过了土体的变形强度时,土体必然发生变形,从而引起了土遗址的开裂,产生裂隙，尤其在未扰动土上建筑时，城墙部分继承了上述各种结构面，在外界或重力作用下产生变形。4.2.3构造裂隙构造缝