仉文崗 王碩 劉漢龍 林思成 楊陽(yáng) 王魯琦 張艷梅

DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2022.127

收稿日期：2022?08?30

基金項(xiàng)目：重慶市自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2022NSCQ-LZX0001）；大足石刻研究院橫向項(xiàng)目（DZ-CG-20220325-1）；重慶市技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展應(yīng)用專項(xiàng)（JG2021072）；重慶市科研機(jī)構(gòu)績(jī)效激勵(lì)引導(dǎo)專項(xiàng)（cstc2021jxj00028）

作者簡(jiǎn)介：仉文崗（1983- ），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程研究，E-mail：zhangwg@cqu.edu.cn。

Received： 2022?08?30

Foundation items： Natural Science Foundation of Chongqing Joint Key Project （No. 2022NSCQ-LZX0001）; Funding of Dazu Rock Carvings Research Institute （No. DZ-CG-20220325-1）; Chongqing Technical Innovation and Development and Application Special Key Project （No. JG2021072）; Performance Incentive and Guidance Special Project of Chongqing Scientific Research Institutions （No. cstc2021jxj00028）

Author brief： ZHANG Wengang （1983- ）， professor， doctorial supervisor， main research interest： geotechnical engineering， E-mail： zhangwg@cqu.edu.cn.

摘要：為研究飽水作用下石質(zhì)遺址的力學(xué)強(qiáng)度劣化特征，掌握地下水的滲流遷移路徑，多尺度聯(lián)合開(kāi)展室內(nèi)微觀試驗(yàn)、宏觀試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)滲水檢測(cè)。微觀試驗(yàn)包括偏光顯微鏡、X射線衍射分析和孔隙度測(cè)試，宏觀試驗(yàn)包括吸水試驗(yàn)和單軸抗壓強(qiáng)度軟化試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要采用高密度電阻法對(duì)含水巖層成像分析。巖相鑒定結(jié)果表明：整體巖性為砂質(zhì)泥巖，礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石；黏土礦物以伊利石為主，則此類巖石抗干濕循環(huán)能力差；砂質(zhì)泥巖飽和系數(shù)在0.84～1.00之間，軟化系數(shù)在0.55～0.65之間，屬于工程地質(zhì)軟巖，高軟化性是地層結(jié)構(gòu)變形的主要原因；地表水作用下泥巖裸露并產(chǎn)生構(gòu)造裂隙，部分巖石表面出現(xiàn)鹽析病害，滲流-應(yīng)力耦合作用下坡體失穩(wěn)變形；高密度電阻率法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，地下水滲漏導(dǎo)致城墻遺址下呈現(xiàn)低阻帶，電阻率在20 Ω·m以下，主要為水渠滲水所致。建議對(duì)遺址地上和地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行排水和防滲處理。

關(guān)鍵詞：石質(zhì)遺址；強(qiáng)度軟化；滲水病害；電阻法

中圖分類號(hào)：TU458 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：2096-6717（2023）05-0026-11

Strength deterioration pattern and anti-seepage measures of the Old Drum Tower Yamen site in Chongqing

ZHANG Wenganga， WANG Shuoa， LIU Hanlonga， LIN Sichenga， YANG Yanga， WANG Luqi a， ZHANG Yanmei b

（a. Scholl of Civil Engineering； b. College of Aerospace Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， P. R. China）

Abstract： In order to study the mechanical strength deterioration characteristics of the stone site under the effect of water saturation and to determinethe seepage and migration path of groundwater， lab micro-tests， macro-tests and field seepage tests are comprehensively conducted on multiple scales. The microscopic tests include polarized light microscope （PM）， X-Ray diffraction （XRD） and porosity test， the macroscopic tests include water absorption test and uniaxial compressive strength softening test， and the on-site testing mainly adopts high-density resistance method to image and analyze the water-bearing rock layer. The petrographic identification results show that 1） the overall lithology is sandy mudstone， and the mineral composition is mainly of quartz and feldspar. Illite is the main clay mineral. This kind of rock has poor resistance to wetting and drying cycle. The saturation coefficient of sandy mudstone is between 0.84～1.00， and the softening coefficient is between 0.55～0.65， indicating a soft rock， and its high softening is the main reason for the deformation of formation structure. 2） Under the action of surface water， the mudstone is exposed and tectonic fissures are formed， some rock surfaces are sabjected to salt precipitation problem， and the slope is unstable and deformed under the coupling action of seepage and stress. The field detection of high-density resistivity method shows that the groundwater leakage leads to a low resistance zonebelow， and the resistivity is below 20 Ω·m， which is mainly caused by seepage of the canal.

Keywords： stone site； strength softening； seepage disease； resistivity method

在石質(zhì)文物保護(hù)過(guò)程中，水的存在往往會(huì)導(dǎo)致巖石的內(nèi)部性質(zhì)發(fā)生變化[1]，造成力學(xué)強(qiáng)度普遍降低，因此，關(guān)于水巖作用下的力學(xué)強(qiáng)度劣化問(wèn)題不容忽視。石質(zhì)文物的本體和載體多為較堅(jiān)硬完整的巖石，遇水反應(yīng)后極易造成巖石脹裂、崩解和軟化，力學(xué)特性具有明顯劣化特點(diǎn)[2]。高效準(zhǔn)確地認(rèn)知水巖作用下力學(xué)強(qiáng)度軟化特性，掌握水的滲流遷移路徑，對(duì)于石質(zhì)文物保護(hù)具有重要意義。

針對(duì)巖石吸水軟化問(wèn)題，學(xué)者們已經(jīng)取得了較多研究成果。郭軍等[3]開(kāi)展了室內(nèi)吸水軟化試驗(yàn)，研究了煌斑巖在不同飽水時(shí)間下的單軸抗壓強(qiáng)度軟化特征。趙立財(cái)[4]、熊德國(guó)等[5]開(kāi)展了不同圍壓下的飽水三軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂巖飽水劣化效應(yīng)明顯，力學(xué)性能隨飽水時(shí)間延長(zhǎng)而降低。譚濤等[6]、王鵬等[7]對(duì)比了干燥砂巖和飽水砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)飽水作用降低了砂巖的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和峰值強(qiáng)度。陳旭等[8]在干燥和飽和條件下開(kāi)展了3種巖石的聲波縱波透射試驗(yàn)，結(jié)果表明，巖石吸水后聲波信號(hào)由高頻區(qū)向低頻區(qū)靠近。李佳偉等[9]、宋勇軍等[10]通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)研究了水巖作用下板巖的力學(xué)軟化特性。除試驗(yàn)手段之外，較多學(xué)者還建立了巖石吸水力學(xué)強(qiáng)度軟化本構(gòu)模型，王軍保等[11]建立了改進(jìn)的Duncan-Chang模型，描述了砂巖應(yīng)變軟化特性。金俊超等[12]基于Hoek-Brown（H-B）準(zhǔn)則，結(jié)合硬巖與軟巖的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出一種普適的非線性演化模型，驗(yàn)證了GSI（地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)）作為軟化參數(shù)的準(zhǔn)確性。張超等[13]基于Weibull分布建立了巖石損傷模型，有效模擬了巖石峰值強(qiáng)度之后的變形過(guò)程。在石質(zhì)文物的保護(hù)過(guò)程中，不但要掌握巖石吸水力學(xué)軟化特性，還要對(duì)水的滲流特征進(jìn)行勘探研究，從而制定合理的水害防治對(duì)策。

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方面，中國(guó)的石質(zhì)文物檢測(cè)技術(shù)取得了一定發(fā)展，由于文物的易損性和不可替代性，大量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到應(yīng)用[14]。常用的檢測(cè)設(shè)備包括水準(zhǔn)儀[15]、全站儀[16]、紅外熱成像儀[17]、近景攝影機(jī)[18]、高密度電法儀[19]、三維激光掃描儀[20]、超聲波檢測(cè)儀[21]、探地雷達(dá)[22]。其中，關(guān)于文物含水量和滲水檢測(cè)方面的設(shè)備有紅外熱成像儀和高密度電法儀。張慧慧等[23]采用紅外熱成像儀對(duì)不同滲水程度的巖體進(jìn)行了探測(cè)，測(cè)定了巖石滲水量的高低。肖寬懷等[24]采用高密度電阻法對(duì)龍門石窟潛溪寺進(jìn)行了探測(cè)，發(fā)現(xiàn)山坡地下水沿著裂隙入滲，導(dǎo)致潛溪寺地下部分出現(xiàn)高滲區(qū)域。Sass等[25]利用高密度電阻法研究了石質(zhì)墻中水的遷移規(guī)律，證明了該技術(shù)的可應(yīng)用性。申喜旺等[26]采用高密度電阻率法和自然電場(chǎng)法對(duì)清水宋墓進(jìn)行了水害勘測(cè)，發(fā)現(xiàn)土層中的水主要為雨水入滲累積所致?，F(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)極大提高了文物遺址中滲水檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

筆者以重慶老鼓樓衙署遺址為研究對(duì)象，研究試樣的礦物組成和孔隙特征，開(kāi)展石質(zhì)試樣的力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)高密度電阻法勘探滲水范圍及基礎(chǔ)可能的深度。

1 遺址區(qū)介紹

老鼓樓衙署遺址位于重慶市渝中區(qū)，東至西四街，西至文化街，北接人民公園，南側(cè)臨白象街，解放東路呈東西向、巴縣衙門街呈南北向穿過(guò)遺址（圖1）。老鼓樓衙署歷經(jīng)多個(gè)朝代修建，其中宋元的遺跡包括高臺(tái)建筑、建筑臺(tái)基、凸字形建筑和三合院，明清兩代遺跡多為房址、水溝、墻基、灰坑和水井。除此之外，還保存了清代的大型建筑基址，平面呈長(zhǎng)方形，坐北朝南，面闊23 m，進(jìn)深17.75 m，柱網(wǎng)排列整齊，排水設(shè)施完整。

老鼓樓遺址所在的渝中區(qū)地貌以剝蝕構(gòu)造地貌為主，巖性和地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜。嘉陵江流經(jīng)砂巖、泥巖等巖層組成褶皺地區(qū)，沖刷、侵蝕河床嚴(yán)重，岸坡易形成高岸陡坡并堆積大量沖積物。

石質(zhì)遺址的巖相多為砂巖和泥巖，砂巖發(fā)育平行層理，泥巖多包含細(xì)砂。遺址區(qū)域地基基本水平，略呈逆向坡。遺址所在區(qū)四季分明，降雨量充足，年平均降雨量為1 088.8 mm，主要集中在春季末、夏季和秋季初，多為大雨或者暴雨。年平均氣溫17.6 ℃，極端最高氣溫42.2 ℃，極端最低氣溫-1.8 ℃。城墻遺址和場(chǎng)地有多種巖石，場(chǎng)地上層為人工填土層，結(jié)構(gòu)松散，多為粉質(zhì)黏土，碎石以砂巖為主，分選性較差。中層為砂質(zhì)泥巖層，層理較為發(fā)育，風(fēng)化巖層結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，原巖結(jié)構(gòu)破壞。下層為砂巖，呈現(xiàn)灰綠、灰黃色，主要礦物成分為巖屑、長(zhǎng)石、石英等，多為泥質(zhì)膠結(jié)和鈣質(zhì)膠結(jié)，吸水風(fēng)干多出現(xiàn)裂紋。

2 室內(nèi)試驗(yàn)研究

試驗(yàn)巖石試樣取自遺址現(xiàn)場(chǎng)8個(gè)鉆探點(diǎn)，其中，在遺址西北區(qū)域共布置5個(gè)鉆孔點(diǎn)，分別編號(hào)為ZK01、ZK02、ZK03、ZK04和ZK05，鉆孔深度為18 m。遺址東南區(qū)域共3個(gè)鉆孔點(diǎn)，分別編號(hào)為ZK06、ZK07和ZK08，鉆孔深度為15 m。由于遺址上方多為覆蓋土體，較為碎散，無(wú)法取出完整試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究，因此，試驗(yàn)對(duì)象主要為砂巖和砂質(zhì)泥巖。

2.1 礦物組成

遺址區(qū)的場(chǎng)地上層覆蓋土體主要礦物成分為石英、斜長(zhǎng)石，約占礦物成分60%以上（圖2）。黏土礦物主要為伊利石，另有少量的云母類，土體遇水膨脹性能中等，阻水性一般。砂質(zhì)泥巖層顆粒主要為石英，含少量斜長(zhǎng)石。膠結(jié)物主要為伊利石和綠泥石，另有發(fā)育云母片等礦物。黏土礦物風(fēng)化更為徹底，另鐵元素含量相對(duì)更高。砂巖中以石英為主，還具有較多堿性長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石，黏土礦物以蒙脫石為主，鈣質(zhì)膠結(jié)物含量少。這類巖石抗干濕循環(huán)能力較差，軟化系數(shù)較高。

城墻磚主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石，黏土礦物基本轉(zhuǎn)化為非晶體成分，另外測(cè)出少量尖晶石和鈣浮石，未見(jiàn)莫來(lái)石等礦物，磚的燒制溫度應(yīng)該在900 ℃以下。墻體勾縫砌筑材料主要成分為方解石、少量石英和長(zhǎng)石?；皫r的顆粒成分主要為石英和斜長(zhǎng)石。黏土礦物含量較低，鈣質(zhì)膠結(jié)物較多，基礎(chǔ)砂巖抗風(fēng)化能力明顯強(qiáng)于原址基巖。

薄片制作時(shí)，選取了泥質(zhì)含量較低的部分，整體巖性為砂質(zhì)泥巖。薄片成像顯示（圖3），該巖石為細(xì)砂結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。碎屑顆粒分選較好，磨圓中等，大部分顆粒呈次棱角狀-次圓狀。支撐方式為顆粒支撐，膠結(jié)方式為孔隙式膠結(jié)。巖石組分包括石英、巖屑、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、白云母及鋯石。雜基含量較少，主要為泥質(zhì)，以黏土為主。膠結(jié)物主要為硅質(zhì)、鈣質(zhì)和鐵質(zhì)。硅質(zhì)膠結(jié)物呈團(tuán)塊狀分布，單偏光下無(wú)色透明，正交偏光下全消光，部分顆粒發(fā)生脫?；纬闪６葮O小的次生石英，占總體的8%左右，鈣質(zhì)膠結(jié)物主要為方解石，正交鏡下最高干涉色為高級(jí)白，占總體的5%左右。鐵質(zhì)物呈團(tuán)塊狀或粒狀分布，單偏光下呈黑色或褐色，正交偏光下全消光，占總體的2%左右。

遺址墻磚具有細(xì)砂結(jié)構(gòu)，呈塊狀構(gòu)造（圖4）。碎屑顆粒分選較好，磨圓較差，大部分顆粒呈棱角狀-次棱角狀。支撐方式為顆粒支撐，膠結(jié)方式為孔隙式膠結(jié)。巖石組分包括石英、巖屑和鋯石。雜基含量較少，主要為泥質(zhì)，以黏土為主。

2.2 孔隙特征

孔隙度大小代表了巖石孔隙吸水程度，一般情況下，孔隙度越大，吸水量越大。遺址載體上層土體由于質(zhì)地松軟，難以取樣進(jìn)行孔隙率測(cè)試。因此，只對(duì)砂質(zhì)泥巖和砂巖進(jìn)行了孔隙率測(cè)定。試驗(yàn)主要采用氦氣測(cè)試法，巖石試樣需要加工處理成標(biāo)準(zhǔn)試樣（長(zhǎng)度50 cm，直徑25 cm）。試驗(yàn)主要依據(jù)波爾義定律，將試樣放入巖心室，與標(biāo)準(zhǔn)室連通，記錄大氣壓力、初始?jí)毫推胶鈮毫?，繪制體積與平衡壓力的標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算出巖石固相體積，得到巖樣孔隙度。

如圖5所示，砂質(zhì)泥巖的孔隙率在6.4%～17.52%之間，砂巖的孔隙率在6.4%～12.02%之間，砂質(zhì)泥巖平均孔隙率大于砂巖，砂質(zhì)泥巖的孔隙空間相對(duì)較大，同一條件下吸水量較高。泥質(zhì)膠結(jié)物多為伊利石，伊利石屬于親水性礦物，遇水極易水化膨脹，促進(jìn)孔隙發(fā)育。砂巖的礦物主要以石英和長(zhǎng)石為主，石英具有良好的改善巖石孔隙結(jié)構(gòu)的特性，有利于保護(hù)孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙在原始地層環(huán)境或者滲水環(huán)境下不易發(fā)育，因而孔隙空間較小。

2.3 吸水軟化特性

巖石的吸水率為巖石在常溫常壓條件下吸入水的質(zhì)量與巖石干重的比值，飽和吸水率為巖石在恢復(fù)原始地層高壓條件或者真空條件下的吸水質(zhì)量與巖石干重的比值。干燥巖石浸水一般會(huì)進(jìn)入大孔隙，對(duì)于小孔隙和封閉孔隙來(lái)說(shuō)，需要計(jì)算吸水率與飽和吸水率的關(guān)系，才能確定其小孔隙的吸水占比。因此，通常定義了飽和系數(shù)σ，計(jì)算公式為

σ=W_a/W_p ×100% （1）

式中：σ為飽和系數(shù)，飽和系數(shù)越大，說(shuō)明吸水率與飽和吸水率越接近，大孔隙的占比較高，常溫常壓下吸水后殘余孔隙越少[27]，巖石的抗凍融破壞能力越差；Wa為吸水率；Wp為飽和吸水率。

如圖6所示，砂質(zhì)泥巖的吸水率介于2.38%～7.73%之間，平均吸水率為4.48%。砂巖的吸水率介于2.4%～4.92%之間，平均吸水率為3.84%。砂質(zhì)泥巖層的吸水性較強(qiáng)，砂巖的吸水性相對(duì)較差。兩種巖石的吸水率和飽和吸水率相差較小，在同一坐標(biāo)系下，以y=x建立評(píng)價(jià)指標(biāo)線，砂質(zhì)泥巖地層的飽和系數(shù)變化范圍較大，介于0.84～1.00之間，砂巖地層的飽和系數(shù)變化范圍小，介于0.9～0.98之間。砂質(zhì)泥巖飽和系數(shù)相對(duì)較大，說(shuō)明泥巖中大孔隙開(kāi)放程度較高，遺址砂質(zhì)泥巖地層易受地下水滲透作用，且抗凍融能力較差。

通常情況下，巖石吸水會(huì)導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度降低，呈現(xiàn)出力學(xué)強(qiáng)度軟化的特點(diǎn)。軟化性指的是巖石浸泡后力學(xué)強(qiáng)度降低。軟化系數(shù)計(jì)算公式為

k=σ_cw/σ_c （2）

式中：k為軟化系數(shù)；σcw為飽和狀態(tài)下巖石單軸抗壓強(qiáng)度；σc為干燥狀態(tài)下巖石單軸抗壓強(qiáng)度。軟化性取決于礦物成分和孔隙大小，親水性和可溶性礦物較多時(shí)，其軟化性較強(qiáng)，軟化系數(shù)較小。當(dāng)孔隙較多且開(kāi)放程度較高時(shí)，易吸水導(dǎo)致結(jié)構(gòu)軟化，軟化性增強(qiáng)，軟化系數(shù)減小[28]。吸水軟化試驗(yàn)試樣取自同一鉆孔，保證同一深度取樣，目的是使同一組試樣的水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)相近。其中，同一組試樣中的試樣1干燥處理后進(jìn)行單軸試驗(yàn)，性質(zhì)相近的試樣2在飽和處理后同樣進(jìn)行單軸試驗(yàn)，將同一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，單軸試驗(yàn)共完成5組次。

在完全飽水條件下，3組砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度均有不同程度的下降（圖7），軟化系數(shù)在0.55～0.65之間，根據(jù)軟化系數(shù)分類，軟化系數(shù)小于0.75的巖石軟化性較強(qiáng)，屬于工程地質(zhì)軟巖[29]，高強(qiáng)軟化性易導(dǎo)致地層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。兩組墻磚的軟化系數(shù)在0.79～0.88之間，平均軟化系數(shù)為0.84。遺址城墻的軟化性弱于泥巖，城墻磚體含有大量的石英和長(zhǎng)石，剛性顆粒充足，抗壓性能更為優(yōu)越。

3 現(xiàn)場(chǎng)電法勘探

3.1 探測(cè)原理

高密度電法原理利用了地層巖土體的電性差異，可對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效勘探，在地層構(gòu)造、巖溶、礦山采空區(qū)、滑坡和土石壩等方面均有大量應(yīng)用[30]。物探工作區(qū)主要位于遺址內(nèi)，通過(guò)高密度電阻率方法測(cè)量，可以分析解釋并推斷滲水位置、范圍以及基礎(chǔ)可能的深度等。

電阻儀由三電位電極系的溫納裝置（α排列裝置）和偶極裝置（β排列裝置）構(gòu)成，基本原理是將電極按供電正極—測(cè)量正極—測(cè)量負(fù)極—供電負(fù)極的布置方式在剖面進(jìn)行等距排列，通過(guò)供電正極和供電負(fù)極可以獲取電流信息，測(cè)量正極和測(cè)量負(fù)極可以獲取電位差信息[31]，如圖8（a）所示。由于電極等間距排列，可以獲取中心點(diǎn)某一深度的視電阻率ρs，計(jì)算公式為

ρ_s=K ΔV/I （3）

K=2π/（1/d_AM -1/d_AN -1/d_BM +1/d_BN ） （4）

式中：ρs為視電阻率；K為電極裝置系數(shù)；ΔV為測(cè)探的電位差；I為供電電流；dAM為電極A和M之間的間距；dAN為電極A和N之間的間距；dBM為電極B和M之間的間距；dBN為電極B和N之間的間距，間距單位為m。

通過(guò)鋪設(shè)多個(gè)電極，逐次改變電極之間的計(jì)算間距，可以得到二維剖面不同深度點(diǎn)的視電阻率值。假設(shè)開(kāi)始測(cè)量時(shí)電極間距為a，隨著電極不斷向右移動(dòng)，可得到第1層的剖面信息，隨著電極間距增大為2a，電極不斷向右移動(dòng)，可得到第2層的剖面信息。依次類推，不斷增大電極間距，最終探測(cè)剖面呈倒梯形（圖8（b））。高密度電法采用計(jì)算機(jī)硬軟件進(jìn)行控制，可布置多個(gè)電極，自動(dòng)組成垂直測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)、記錄、計(jì)算和成像均為自動(dòng)化操作。儲(chǔ)存的大量數(shù)據(jù)可提高成像準(zhǔn)確性。

3.2 試驗(yàn)裝置及步驟

根據(jù)巖石的物性特征分析（見(jiàn)表1），干燥的黏土電阻率為100～200 Ω·m，含水黏土電阻率在10 Ω·m以下，下部泥巖粉砂巖的電阻率為10～100 Ω·m，而作為城墻基礎(chǔ)的砂巖電阻率在100～1 000 Ω·m之間[30]。因此，理論上可以通過(guò)電法探測(cè)城墻砂巖條石基礎(chǔ)，也可以探測(cè)相對(duì)含水高的覆蓋層和泥巖，但覆蓋層和泥巖之間的基巖面探測(cè)效果受限。

探測(cè)微電極高密度電阻率剖面共計(jì)5條，其中在遺址西部布置了3條測(cè)線，遺址東側(cè)布置2條測(cè)線（圖9），總共完成測(cè)點(diǎn)190個(gè)，點(diǎn)距均為1 m（見(jiàn)表2）。在水渠和城墻基礎(chǔ)中間，西部測(cè)線WT01沿著南北方向穿過(guò)，西部測(cè)線WT02沿著西北-東南方向穿過(guò)。西部測(cè)線WT03沿著西北-東南方向進(jìn)行布置，東南區(qū)域緊鄰城墻基礎(chǔ)。在遺址東部區(qū)域，東部測(cè)線WT04沿著西南-東北方向布置。測(cè)線WT05沿著西北-東南方向布置。

3.3 地下水測(cè)探結(jié)果

如圖10所示，WT01整個(gè)測(cè)線剖面視電阻率在90 Ω·m以下，尤其是在現(xiàn)排水渠位置形成明顯低阻帶，視電阻率在20 Ω·m以下，推測(cè)原因是由于水渠漏水下滲造成大面積低阻。在城墻拐角處外圍形成淺部高阻帶，高阻帶為地下2.0 m以上，視電阻率在35～65 Ω·m之間，城墻基礎(chǔ)采用了力學(xué)強(qiáng)度較高、抗風(fēng)化能力較好的砂巖條石，因此電阻較小。

WT02整個(gè)測(cè)線剖面視電阻率在110 Ω·m以下，地表2 m以上普遍阻值較高，地下2～7 m普遍阻值較低，排水渠位置形成了明顯低阻帶，視電阻率在20 Ω·m以下，地下水的滲透造成大面積低阻（圖11）。水渠的水沿著城墻外圍滲透，導(dǎo)致城墻拐角處外圍形成淺部高阻帶。城墻的高阻帶為地下2.0 m以上，視電阻率在75～95 Ω·m之間，主要是因?yàn)槌菈Φ幕A(chǔ)為砂巖條石。

由于受場(chǎng)地限制，測(cè)線WT03僅布設(shè)30個(gè)測(cè)點(diǎn)，且全部位于覆蓋層較厚的低洼位置，異常不明顯，整個(gè)測(cè)線剖面視電阻率在50 Ω·m以下，整體導(dǎo)電性較好，無(wú)明顯高阻區(qū)域（圖12）。

測(cè)線WT04僅布設(shè)20個(gè)測(cè)點(diǎn)，左側(cè)高阻為90～185 Ω·m，主要是因?yàn)閳?chǎng)地存在建筑碎渣（圖13）。右側(cè)初露粉砂巖，電阻率為20～65 Ω·m。由于受場(chǎng)地限制，測(cè)線WT05僅布設(shè)20個(gè)測(cè)點(diǎn)，異常不明顯，整個(gè)測(cè)線剖面視電阻率在70 Ω·m以下，整體導(dǎo)電性較好，僅在局部表面形成高阻，主要是因?yàn)榫植看嬖诨炷粒▓D14）。

對(duì)野外采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，高密度電法對(duì)該地區(qū)局部含水以及條石基礎(chǔ)均能夠有所反應(yīng)，在測(cè)線WT01和WT02中水渠位置具有明顯的低阻異常，視電阻率在30 Ω·m以下，異常范圍較大。測(cè)線跨過(guò)城墻拐角處形成明顯表面高阻，異常范圍在地表2 m以上，主要是城墻基礎(chǔ)，存在一定深度的砂巖條石。

4 病害及防治對(duì)策

4.1 結(jié)構(gòu)表面鹽析

松散堆積成的填土覆蓋層滲水性較強(qiáng)，大氣降雨可快速滲透，土體結(jié)構(gòu)較為松軟，孔隙系統(tǒng)滲透性較強(qiáng)。由于長(zhǎng)期風(fēng)化及水土流失，部分遺址基巖裸露，并發(fā)育構(gòu)造裂隙，角度接近65°～70°，裂縫開(kāi)度在2～4 mm之間，裂隙較為平整，表面存在少量泥質(zhì)。裸露基巖屬于砂質(zhì)泥巖，孔隙率非常大，且伊利石含量較高，地表水滲入導(dǎo)致礦物水化膨脹，孔隙貫穿已形成裂縫，裂縫成為滲水的重要通道（圖15）。同時(shí)，地下水滲透進(jìn)來(lái)，在巖土分界面滲透性差異較大，導(dǎo)致水在巖土分界面滯留時(shí)間較長(zhǎng)，長(zhǎng)期浸水導(dǎo)致基巖軟化性增強(qiáng)，工程地質(zhì)性質(zhì)變差。

為了探究水質(zhì)區(qū)別，分別對(duì)地上水質(zhì)和地下水質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)（表3）。地表水呈HCO3-SO4-Cl-Ca-Na型（重碳酸硫酸氯化鈣鈉型水），總?cè)芙夤腆w達(dá)到了658 mg/g。水體呈中性，與天然地表水相比，其硫酸根離子、氯離子及鈉離子含量明顯超標(biāo)。地下水為Cl-SO4-HCO3-Na-Ca型（氯硫酸重碳酸鈉鈣型水），氯離子含量超過(guò)350 mg/L，總的溶解固體為1 173 mg/g，呈微咸水特征。與地表水相比，地下水的硫酸根離子、氯離子及鈉離子含量更高。遺址場(chǎng)地含鹽量極高，特別是基巖裸露后，在毛細(xì)水作用下，大量鹽分運(yùn)移析出，巖體表層覆蓋較多結(jié)晶體，鹽分類型主要為石膏、芒硝和石鹽。

4.2 邊坡失穩(wěn)變形

如圖16所示，兩段邊坡位于遺址西側(cè)，坡頂上部存在圍墻，墻外為某段公路的路面，在公路動(dòng)荷載作用下，公路路面結(jié)構(gòu)層開(kāi)裂并向坡頂變形。坡面為角度約30°的含植物根系的覆蓋層，坡體主要為第四系填土（碎石質(zhì)黏土），坡面長(zhǎng)期受雨水沖刷，坡體覆蓋層長(zhǎng)期處于濕潤(rùn)狀態(tài)，坡腳一直處于飽水軟化狀態(tài)。在長(zhǎng)期的暴雨條件下，坡體極易飽水，導(dǎo)致坡體失穩(wěn)出現(xiàn)變形，坡體失穩(wěn)的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致遺址墻體結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊，出現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)的垮塌和墻體開(kāi)裂。

4.3 地層軟化

高密度電法物探結(jié)果顯示，城墻遺址地下基礎(chǔ)存在低阻帶，主要原因是地下水滲漏。地下水的主要來(lái)源有兩部分：一部分來(lái)自地表水入滲，由于人工填土的結(jié)構(gòu)較為疏松，且多處已經(jīng)裸露基巖，并且形成構(gòu)造裂隙，地表水沿著裂隙垂直滲入到地下；另一部分來(lái)自附近水渠的地下水滲漏，水渠常年積水，底部水沿著地層水平滲入到遺址地下基礎(chǔ)。地表水軟化了遺址內(nèi)部巖土層，使文物喪失本來(lái)面貌。地下水軟化受力地層巖體，使得遺址城墻基礎(chǔ)持力層承載力降低，增加了失穩(wěn)的可能性。由于滲水侵蝕和風(fēng)化，上部城墻本體磚體結(jié)構(gòu)錯(cuò)斷，基礎(chǔ)條石出現(xiàn)斷裂（圖17）。

4.4 病害防治對(duì)策

1）對(duì)深度較淺的淺表裂隙進(jìn)行修補(bǔ)，對(duì)于深度較深、可能影響到文物結(jié)構(gòu)安全的裂隙進(jìn)行灌漿試驗(yàn)。地下水土污染將對(duì)遺址的保護(hù)造成持續(xù)性破壞，作為重點(diǎn)予以洗鹽、脫鹽處理。

2）對(duì)于邊坡變形問(wèn)題，可布設(shè)監(jiān)測(cè)裝置對(duì)坡面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)坡體進(jìn)行錨固。也可采取西側(cè)遺址西北角處的條石砂巖或同種材質(zhì)的砂巖對(duì)變形部位較大的邊坡采用干條石擋墻予以加固邊坡。

3）由于遺址地勢(shì)較低，且遺址周圍存在水渠，滲水病害嚴(yán)重。因此，有3個(gè)方面的治理措施：建立保護(hù)性遮護(hù)建筑，防止遇水沖刷；地勢(shì)較低的地方需要合理調(diào)整周邊地勢(shì)標(biāo)高，補(bǔ)砌和加固防滲的排水溝；對(duì)于地下滲水問(wèn)題，需人工開(kāi)挖至基巖后設(shè)置地下疏排、截堵相結(jié)合的永久性地下排水暗溝，將遺址區(qū)地下水導(dǎo)出。

5 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)勘探對(duì)遺址地上結(jié)構(gòu)和地下基礎(chǔ)進(jìn)行了全方位研究，從礦物學(xué)和巖石力學(xué)角度揭示了石質(zhì)試樣的劣化機(jī)理，并采用高密度電阻法掌握了地下水的滲流范圍和路徑，為遺址水害問(wèn)題分析提供了依據(jù)。

1）砂質(zhì)泥巖黏土礦物風(fēng)化徹底，以伊利石為主，吸水易膨脹，抗干濕循環(huán)能力較差。平均吸水率為4.48%，砂質(zhì)泥巖層吸水性強(qiáng)且力學(xué)軟化特征明顯，軟化系數(shù)在0.55～0.65之間，高軟化性降低了遺址地層巖石載體的力學(xué)強(qiáng)度。

2）現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，雨水沖刷導(dǎo)致基巖裸露，長(zhǎng)期滲透造成地層產(chǎn)生裂縫，增加了地下水的滲流路徑。地下水為Cl-SO4-HCO3-Na-Ca型（氯硫酸重碳酸鈉鈣型水），氯離子含量超過(guò)350 mg/L，總的溶解固體為1 173 mg/g，硫酸根離子、氯離子及鈉離子含量多。毛細(xì)水作用下，大量鹽分運(yùn)移，出現(xiàn)鹽析病害。

3）現(xiàn)場(chǎng)高密度電法結(jié)果表明，城墻遺址地下出現(xiàn)低阻區(qū)，視電阻率在20 Ω·m以下。遺址地下基礎(chǔ)可產(chǎn)生滲水病害，導(dǎo)致地層軟化，墻磚的軟化可導(dǎo)致城墻結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂。建議從地上和地下兩個(gè)方面采取防水措施，對(duì)滲流通道進(jìn)行封堵。

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（編輯 ?胡玲）