陸繼財，趙海英

(1. 新疆維吾爾自治區(qū)博物館，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊 830000； 2. 蘭州工業(yè)學院，甘肅蘭州 730000)

0 引 言

近年來，隨著土遺址保護工程的大力開展，土遺址病害和保護措施的研究已成為巖土工程領域內(nèi)關鍵的發(fā)展方向之一[1-2]。目前，土遺址病害的現(xiàn)狀研究主要著眼于遺址載體穩(wěn)定性和本體發(fā)育各種病害的評估兩個方面[1，3]，后者又可分為影響遺址穩(wěn)定性的病害現(xiàn)狀和遺址表面風化程度的現(xiàn)狀評估兩個方面[1，3-5]。隨著認識和研究的不斷深入，對土遺址病害發(fā)育類型由初期認識和粗分[3，6]，逐漸深化至目前可以根據(jù)形成原因分為自然破壞和人為破壞兩個大類，再根據(jù)不同病害的表現(xiàn)形式分為七個次級類別，最后根據(jù)病害形成的機理細分19個亞類[2，5，7]。在病害形成機理、環(huán)境影響因素方面，對于干旱區(qū)土遺址而言，主要病害的自然因素一般有干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、強降雨、風蝕以及生物活動的作用等[7-10]。眾多研究表明對于土遺址的保護和研究首先應當準確描述和分析或盡可能量化遺址病害現(xiàn)狀和發(fā)展，方可通過采取有效的措施進行根除或者預防病害，以達到保護遺址的目的。土遺址病害發(fā)育特征量化分析是文物保護工作的難點之一，目前關于這方面的研究很少。本工作以克孜爾尕哈烽燧遺址為例，對其進行病害綜合監(jiān)測，監(jiān)測土遺址一周期內(nèi)病害形變量，通過形變量定量分析遺址目前發(fā)育病害特征及規(guī)律，確定病害是否危及遺址穩(wěn)定，為保護工作提供有效數(shù)據(jù)支持，為土遺址保護研究提供可借鑒經(jīng)驗。

1 遺址概況

克孜爾尕哈烽燧位于庫車縣城西北約12 km處，是西域絲路古道上幸存下來的極為罕見的漢代實物遺存，為研究古代烽燧選址、分布、結構形式、建造技術特點等提供了珍貴的歷史實物，對于研究古代絲路交通史、軍事史、建筑史等具有較高的科學價值，2001年被國務院公布為第五批全國重點文物保護單位。在多哈舉行的第38屆世界遺產(chǎn)大會上，中國與哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦聯(lián)合提交的“絲綢之路：長安和天山廊道的路網(wǎng)”，成功被列入聯(lián)合國教科文組織世界文化遺產(chǎn)名錄，成為中國首例跨國合作申遺的典范，線路跨度近5 000 km，沿線包括中心城鎮(zhèn)遺跡、商貿(mào)城市、交通遺跡、宗教遺跡和關聯(lián)遺跡等5類代表性遺跡共33處，克孜爾尕哈烽燧就在其中。

克孜爾尕哈烽燧的保存基本完整，見圖1。其殘高約13 m，底部東西長6.5 m，南北寬4.5 m，平面呈長方形，由基底向上逐漸收縮呈四棱臺狀。其頂部已殘缺，木構件殘跡尚存；其南立面呈自上而下的凹面；北側尚保存有附屬建筑坍塌后的堆積體。

圖1 克孜爾尕哈烽燧Fig.1 Kizilgaha Beacon Tower

在氣候環(huán)境因素(雨、雪、溫度和風等)、構造環(huán)境(地震和內(nèi)外地質(zhì)應力)以及人類和生物活動的共同作用下，克孜爾尕哈烽燧本體受到了嚴重的破壞。經(jīng)現(xiàn)場實地調(diào)研和查勘，烽燧本體發(fā)育主要病害如下。

裂隙：本體出現(xiàn)張開度小于10 mm的裂隙8條。

掏蝕：掏蝕區(qū)5處。

片狀剝蝕：南、西立面出現(xiàn)發(fā)育程度嚴重的片狀剝蝕，剝蝕面積占總面積70%以上；東立面發(fā)育程度中等，占總面積50%左右。

坍塌：東立面發(fā)育2處，南立面與西立面交界處發(fā)育1處(其中南立面與西立面交界處的坍塌體積較大，體積約6.4 m×1.1 m×0.9 m)；

沖溝：由于多年雨水沖刷，南立面發(fā)育有長度約8.2 m，沖蝕深度約為0.6 m的沖溝1條。

2 本體病害監(jiān)測方法

針對烽燧本體存在的上述病害，為了獲取其在監(jiān)測周期內(nèi)詳細的形變數(shù)據(jù)，對烽燧本體進行風化監(jiān)測、裂隙變形監(jiān)測、沖溝監(jiān)測和掏蝕監(jiān)測。本體的病害綜合監(jiān)測8次，從第一年6月開始至第二年9月結束，歷時16個月，監(jiān)測周期見表1。

表1 本體病害監(jiān)測周期Table 1 Disease monitoring cycle

2.1 儀器設備

本體病害監(jiān)測選用天遠OKIO-Ⅱ光柵式三維掃描系統(tǒng)進行。天遠三維光柵式掃描系統(tǒng)是北京天元三維科技有限公司與清華大學聯(lián)合開發(fā)的具有國際先進水平的光柵式掃描系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用照相式原理，通過對物體的快速掃描，得到物體表面的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后得到監(jiān)測目標的CAD三維數(shù)據(jù)模型(并通過前后期次模型數(shù)據(jù)的分析比對獲取監(jiān)測目標的形變信息)。

考慮到監(jiān)測目標系重要歷史遺存的特殊性，擬選用微型標志，最大程度地減少監(jiān)測過程對文物的不良影響。微型標志頂部為5 mm×5 mm的正方形標準頭(光柵掃描系統(tǒng)默認識別的標志頭)，長約50 mm、截面約1 mm2的鐵質(zhì)針形部件，鐵質(zhì)表面涂有防蝕漆。

2.2 監(jiān)測單元

風化監(jiān)測沿烽燧各立面自上而下布置兩道測線單元，測點的垂直間距為1 m。測線單元布置如圖2所示。其中，在東立面設置23個監(jiān)測單元，南立面設置22個監(jiān)測單元，西立面設置24個監(jiān)測單元，北立面設置12個監(jiān)測單元，共計81個監(jiān)測單元。圖3為遺址東立面風化監(jiān)測點布置，其他立面監(jiān)測點布置與東立面相同。

圖2 風化監(jiān)測單元構成Fig.2 Composition of the weathering monitoring unit

裂隙監(jiān)測單元分布在烽燧邊緣的卸荷裂隙處，測線單元布置如圖3所示。其中，東立面設置3個監(jiān)測單元，南立面設置6個監(jiān)測單元，西立面設置3個監(jiān)測單元，如圖4所示。

圖3 東立面風化監(jiān)測單元分布Fig.3 Distribution of weathering monitoring units on the eastern elevation

圖4 裂隙監(jiān)測單元構成Fig.4 Composition of the fracture monitoring unit

沖溝監(jiān)測點分布在烽燧南立面沖溝中心線及兩側邊緣，測線單元布置如圖5所示。其中，沖溝中心線4個監(jiān)測單元，沖溝兩側邊緣各2個監(jiān)測單元。

圖5 沖溝監(jiān)測單元構成Fig.5 Composition of the gully monitoring unit

掏蝕監(jiān)測點分布在烽燧底部，測線單元布置如圖6所示。其中，在東立面設置3個監(jiān)測單元，南立面設置3個監(jiān)測單元，西立面設置2個監(jiān)測點單元。

圖6 掏蝕監(jiān)測單元構成Fig.6 Composition of the undercutting monitoring unit

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

在按照設計要求完成監(jiān)測點區(qū)域布置后，采用光柵式掃描法(0.01 mm掃描精度)對每個監(jiān)測點區(qū)域進行高精度掃描，獲得監(jiān)測標記點的三維坐標和監(jiān)測點區(qū)域的點云數(shù)據(jù)。在專業(yè)軟件中，將不同期次監(jiān)測點區(qū)域的點云數(shù)據(jù)和標記點坐標數(shù)據(jù)進行處理，得到各監(jiān)測點區(qū)域形變量及其發(fā)展規(guī)律。

3 本體病害發(fā)育特征

本體病害監(jiān)測(由風化、沖溝、掏蝕、裂隙4項監(jiān)測組成)實施了8期數(shù)據(jù)采集，本工作首次運用高精度激光結構光掃描技術進行土遺址病害監(jiān)測，為方便數(shù)據(jù)歸納分析，特地以監(jiān)測單元組成的測線為分析對象，即按照監(jiān)測單元的類型及所在位置，對109處監(jiān)測單元劃分測線。

3.1 風化病害特征

將81處風化監(jiān)測單元劃分為8條測線，東、南、西、北4個立面各有兩條自上而下的測線，其中，左測線命名為1，右測線命名為2；8條風化測線根據(jù)自身所在立面方位依次命名為E1(含12處監(jiān)測單元)，E2(含11處監(jiān)測單元)，S1(含12處監(jiān)測單元)，S2(含12處監(jiān)測單元)，W1(含11處監(jiān)測單元)，W2(含11處監(jiān)測單元)，N1(含6處監(jiān)測單元)，N2(含6處監(jiān)測單元)。

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)主要對烽燧各立面的風化程度進行對比。圖7、8為8條測線風化縮進量，總體而言烽燧體表面的風化程度比較嚴重。8條風化測線中，N2測線風化縮進量最大，其值約為3.853 mm，S2測線風化縮進量最小，其值約為1.289 mm，各風化測線的平均風化縮進量約為2.533 mm。對4個立面而言，每個立面兩條側線縮近量相近、風化程度一致；北立面風化縮進量最大、風化最嚴重，西立面次之，南立面最?。荒?、北立面風化縮進量最大差值2.664 mm，平均差值2.448 mm。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析烽燧4個立面的風化差異，各立面風化嚴重程度與遺址區(qū)風向保持高度一致，初步評價風蝕作用是造成遺址表面風化縮進量的主導因素。

圖7 風化縮進量變化曲線Fig.7 Weathering retraction curve

圖8 烽燧各立面風化縮進量大小變化柱狀圖Fig.8 Column chart of variation of weathering retraction amount on different facades of beacon

3.2 沖溝病害變化規(guī)律

沖溝監(jiān)測單元位于烽燧南側，其縱深縮進量主要受水流沖蝕和風化作用的影響，沖溝中心和兩邊各布置四處監(jiān)測單元。沖溝中心線上四個監(jiān)測單元沿中線等矩布置，自上而下依次為S3-1、S3-2、S3-3、S3-4。兩邊在沖溝頂部和底部各布置兩個，頂部S3-5、S3-6，底部S3-7、S3-8。

對8個沖溝監(jiān)測單元的8期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行歸納，結果見圖9、10。圖9繪制的水流作用縱深變化量折線圖是基于總體縱深縮進量減去南側平均風化縮進量所得，南立面平均風化縮進量為1.306 mm。得到以下結果：8個監(jiān)測單元中，因水流沖蝕造成的沖蝕量平均值僅為0.379 mm，最大值約為0.995 mm，均小于1 mm。沖溝的縱深縮進量受水流作用的影響小于風化作用的影響，主要原因是流水沖蝕作用有對溝頭的侵蝕，也有坡面流的堆積作用。

圖9 沖溝水流作用縱向變化曲線Fig.9 Longitudinal variation curve of gully

從圖10可以看出，中心線對應的縱深縮進量平均值為2.009 mm，兩邊對應的縮進量平均值為1.341 mm，中心線與兩邊縱深縮進量前后相差0.668 mm，呈現(xiàn)“中心大，兩邊小”的特征。

沖溝監(jiān)測區(qū)域自上而下，可分為4個高度段，其中，S3-1、S3-5、S3-6位于第一高度段，S3-2位于第二高度段，S3-3位于第三高度段，S3-4、S3-7、S3-8位于第四高度段。由圖10可得4個高度段均值分別為0.827 mm、0.928 mm、0.648 mm、0.421 mm，縮進量呈“頂部大，底部小”的特征規(guī)律，這一結果與烽燧遺址立面形成的徑流流通規(guī)律一致。

圖10 沖溝累積縮進量變化曲線Fig.10 Cumulative indentation curve of gully

3.3 掏蝕病害變化規(guī)律

掏蝕區(qū)發(fā)育于烽燧底部接近地面位置，東、南、西三立面均有不同程度的掏蝕區(qū)域，其中，又以東南角、西南角最為嚴重?，F(xiàn)場共布設8處監(jiān)測單元，東、南立面各布設3處，西立面布設2處，監(jiān)測次數(shù)為8次。為方便監(jiān)測結果表述，測線命名為E4，S4，W4(字母E表示東側，S表示南側，W表示西側，阿拉伯數(shù)字4區(qū)別于風化測線1、2和沖溝測線3)，相應的監(jiān)測單元按照所在測線及測線上自左向右的順序可命名為E4-1，E4-2，E4-3，S4-1，S4-2，S4-3，W4-1，W4-2。

圖11為掏蝕監(jiān)測單元的監(jiān)測結果，掏蝕的縱深縮進量相對其他病害類型較大。8處監(jiān)測單元中，E4-1縱深縮進量最大，其值為4.667 mm，S4-2縱深縮進量最小，其值為2.3 mm，縮進量平均值約為3.501 mm。

圖11 掏蝕監(jiān)測單元縱向變化曲線Fig.11 Longitudinal change curve of undercutting

從圖11按照空間角度歸納得出，東立面掏蝕區(qū)變化最為嚴重，平均縮進量約為4.407 mm，西立面次之，平均縮進量為3.203 mm，南立面相對輕微，其平均縮進量為2.739 mm。E4-1，E4-3監(jiān)測單元位于東立面底部的兩端，其縱深縮進量大于中間的E4-2監(jiān)測單元，掏蝕的兩端通常變化較大，中間變化較小。南立面兩端的掏蝕監(jiān)測單元S4-1，S4-3的縱深縮進量大于位于兩者之間的S4-2監(jiān)測單元。

3.4 裂隙病害變形規(guī)律

裂隙監(jiān)測在方法上有別于其他三種病害監(jiān)測，主要通過分布于裂隙兩側的控制點來確定裂隙張開度是否發(fā)生變化以及相應的變化量。共布設12處裂隙監(jiān)測單元，共采集8期監(jiān)測數(shù)據(jù)。裂隙測線命名為E5，S5，S6，W5(字母E表示東側，S表示南側，W表示西側)，相應的監(jiān)測單元按照所在測線及測線上自上而下的順序可命名為E5-1，E5-2，E5-3；S5-1，S5-2，S5-3；S6-1，S6-2，S6-3；W5-1，W5-2，W5-3。

圖12為對上述12處裂隙監(jiān)測單元的8期監(jiān)測結果，得到如下結論：

圖12 裂隙監(jiān)測單元累計擴收量曲線Fig.12 Cumulative expansion curve of fracture

1) 總體而言，裂隙的張開度不大，12處監(jiān)測單元中，累計張開度最大的為W5-1，其值為0.256 mm，累計張開度最小的為S6-3，其值為-0.061 mm，張開度均值為0.092 mm。

分析其原因，克孜爾尕哈烽燧始建至今已逾2000余年，雖然烽燧體表層發(fā)育有幾條明顯的裂隙，但其內(nèi)部結構尚且穩(wěn)定，有些裂隙隨溫度等影響因子的影響，還出現(xiàn)裂隙累積擴張量略微回收現(xiàn)象。

2) 按空間角度歸納得出，絕大部分裂隙監(jiān)測單元是橫向擴張的(E5、S5、W5測線)，少數(shù)呈現(xiàn)橫向收縮現(xiàn)象(S6測線上的2、3監(jiān)測單元)；收張量變化趨勢不盡相同，存在正負之別。結果出現(xiàn)多處擴張，少數(shù)收縮，表明裂隙的整體趨勢是擴張的，但是少數(shù)幾處擴張得不明顯，隨溫度等因子，其整體擴張進程存在回收現(xiàn)象。

4 結 論

1) 遺址本體風化年縮進量比較大，年平均值為2.049 mm。四個立面的風化程度各不相同，北立面風化縮進量最大、風化最嚴重，西立面次之，南立面最小。風化縮進量的變化趨勢與該地區(qū)風向、風速主要趨勢一致。風蝕是風化縮進的主導因素。

2) 沖溝侵蝕縮進量病害特征為：沿中心線侵蝕量大，沖溝兩側??；頂部侵蝕量大，底部小。沖溝侵蝕對溝頭的沖溝量大，在溝底主要表現(xiàn)為堆積受水流作用的影響小于風化作用的影響。

3) 烽燧遺址本體發(fā)育的4種主要病害中，以掏蝕病害發(fā)展速率居首。東立面掏蝕區(qū)變化最為嚴重，西立面次之，南立面相對輕微。掏蝕區(qū)縱深縮進量兩端變化較大，中間變化較小。

4) 裂隙病害變化趨勢較?。航^大部分橫向擴張，少數(shù)呈現(xiàn)橫向收縮現(xiàn)象，表明裂隙的整體趨勢是擴張的，擴張幅度較小。

5) 通過對目前遺址發(fā)育的主要病害的發(fā)育特征分析可知，遺址病害目前不影響遺址的整體穩(wěn)定性，為遺址保護措施的選擇提供了有效的數(shù)據(jù)支持。