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0 引言
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近年来,随着土遗址保护工程的大力开展,土遗址病害和保护措施的研究已成为岩土工程领域内关键的发展方向之一[1-2]。目前,土遗址病害的现状研究主要着眼于遗址载体稳定性和本体发育各种病害的评估两个方面[1,3],后者又可分为影响遗址稳定性的病害现状和遗址表面风化程度的现状评估两个方面[1,3-5]。随着认识和研究的不断深入,对土遗址病害发育类型由初期认识和粗分[3,6],逐渐深化至目前可以根据形成原因分为自然破坏和人为破坏两个大类,再根据不同病害的表现形式分为七个次级类别,最后根据病害形成的机理细分19个亚类[2,5,7]。在病害形成机理、环境影响因素方面,对于干旱区土遗址而言,主要病害的自然因素一般有干湿循环、冻融循环、强降雨、风蚀以及生物活动的作用等[7-10]。众多研究表明对于土遗址的保护和研究首先应当准确描述和分析或尽可能量化遗址病害现状和发展,方可通过采取有效的措施进行根除或者预防病害,以达到保护遗址的目的。土遗址病害发育特征量化分析是文物保护工作的难点之一,目前关于这方面的研究很少。本工作以克孜尔尕哈烽燧遗址为例,对其进行病害综合监测,监测土遗址一周期内病害形变量,通过形变量定量分析遗址目前发育病害特征及规律,确定病害是否危及遗址稳定,为保护工作提供有效数据支持,为土遗址保护研究提供可借鉴经验。
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1 遗址概况
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克孜尔尕哈烽燧位于库车县城西北约12 km处,是西域丝路古道上幸存下来的极为罕见的汉代实物遗存,为研究古代烽燧选址、分布、结构形式、建造技术特点等提供了珍贵的历史实物,对于研究古代丝路交通史、军事史、建筑史等具有较高的科学价值,2001年被国务院公布为第五批全国重点文物保护单位。在多哈举行的第38届世界遗产大会上,中国与哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦联合提交的“丝绸之路:长安和天山廊道的路网”,成功被列入联合国教科文组织世界文化遗产名录,成为中国首例跨国合作申遗的典范,线路跨度近5 000 km,沿线包括中心城镇遗迹、商贸城市、交通遗迹、宗教遗迹和关联遗迹等5类代表性遗迹共33处,克孜尔尕哈烽燧就在其中。
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克孜尔尕哈烽燧的保存基本完整,见图1。其残高约13 m,底部东西长6.5 m,南北宽4.5 m,平面呈长方形,由基底向上逐渐收缩呈四棱台状。其顶部已残缺,木构件残迹尚存;其南立面呈自上而下的凹面;北侧尚保存有附属建筑坍塌后的堆积体。
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图1 克孜尔尕哈烽燧
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Fig.1 Kizilgaha Beacon Tower
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在气候环境因素(雨、雪、温度和风等)、构造环境(地震和内外地质应力)以及人类和生物活动的共同作用下,克孜尔尕哈烽燧本体受到了严重的破坏。经现场实地调研和查勘,烽燧本体发育主要病害如下。
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裂隙:本体出现张开度小于10 mm的裂隙8条。
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掏蚀:掏蚀区5处。
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片状剥蚀:南、西立面出现发育程度严重的片状剥蚀,剥蚀面积占总面积70%以上;东立面发育程度中等,占总面积50%左右。
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坍塌:东立面发育2处,南立面与西立面交界处发育1处(其中南立面与西立面交界处的坍塌体积较大,体积约6.4 m×1.1 m×0.9 m);
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冲沟:由于多年雨水冲刷,南立面发育有长度约8.2 m,冲蚀深度约为0.6 m的冲沟1条。
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2 本体病害监测方法
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针对烽燧本体存在的上述病害,为了获取其在监测周期内详细的形变数据,对烽燧本体进行风化监测、裂隙变形监测、冲沟监测和掏蚀监测。本体的病害综合监测8次,从第一年6月开始至第二年9月结束,历时16个月,监测周期见表1。
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2.1 仪器设备
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本体病害监测选用天远OKIO-Ⅱ光栅式三维扫描系统进行。天远三维光栅式扫描系统是北京天元三维科技有限公司与清华大学联合开发的具有国际先进水平的光栅式扫描系统。
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该系统采用照相式原理,通过对物体的快速扫描,得到物体表面的点云数据,经处理后得到监测目标的CAD三维数据模型(并通过前后期次模型数据的分析比对获取监测目标的形变信息)。
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考虑到监测目标系重要历史遗存的特殊性,拟选用微型标志,最大程度地减少监测过程对文物的不良影响。微型标志顶部为5 mm×5 mm的正方形标准头(光栅扫描系统默认识别的标志头),长约50 mm、截面约1 mm2的铁质针形部件,铁质表面涂有防蚀漆。
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2.2 监测单元
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风化监测沿烽燧各立面自上而下布置两道测线单元,测点的垂直间距为1 m。测线单元布置如图2所示。其中,在东立面设置23个监测单元,南立面设置22个监测单元,西立面设置24个监测单元,北立面设置12个监测单元,共计81个监测单元。图3为遗址东立面风化监测点布置,其他立面监测点布置与东立面相同。
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图2 风化监测单元构成
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Fig.2 Composition of the weathering monitoring unit
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裂隙监测单元分布在烽燧边缘的卸荷裂隙处,测线单元布置如图3所示。其中,东立面设置3个监测单元,南立面设置6个监测单元,西立面设置3个监测单元,如图4所示。
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图3 东立面风化监测单元分布
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Fig.3 Distribution of weathering monitoring units on the eastern elevation
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图4 裂隙监测单元构成
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Fig.4 Composition of the fracture monitoring unit
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冲沟监测点分布在烽燧南立面冲沟中心线及两侧边缘,测线单元布置如图5所示。其中,冲沟中心线4个监测单元,冲沟两侧边缘各2个监测单元。
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掏蚀监测点分布在烽燧底部,测线单元布置如图6所示。其中,在东立面设置3个监测单元,南立面设置3个监测单元,西立面设置2个监测点单元。
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图5 冲沟监测单元构成
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Fig.5 Composition of the gully monitoring unit
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图6 掏蚀监测单元构成
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Fig.6 Composition of the undercutting monitoring unit
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2.3 监测数据处理
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在按照设计要求完成监测点区域布置后,采用光栅式扫描法(0.01 mm扫描精度)对每个监测点区域进行高精度扫描,获得监测标记点的三维坐标和监测点区域的点云数据。在专业软件中,将不同期次监测点区域的点云数据和标记点坐标数据进行处理,得到各监测点区域形变量及其发展规律。
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3 本体病害发育特征
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本体病害监测(由风化、冲沟、掏蚀、裂隙4项监测组成)实施了8期数据采集,本工作首次运用高精度激光结构光扫描技术进行土遗址病害监测,为方便数据归纳分析,特地以监测单元组成的测线为分析对象,即按照监测单元的类型及所在位置,对109处监测单元划分测线。
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3.1 风化病害特征
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将81处风化监测单元划分为8条测线,东、南、西、北4个立面各有两条自上而下的测线,其中,左测线命名为1,右测线命名为2;8条风化测线根据自身所在立面方位依次命名为E1(含12处监测单元),E2(含11处监测单元),S1(含12处监测单元),S2(含12处监测单元),W1(含11处监测单元),W2(含11处监测单元),N1(含6处监测单元),N2(含6处监测单元)。
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通过监测数据主要对烽燧各立面的风化程度进行对比。图7、8为8条测线风化缩进量,总体而言烽燧体表面的风化程度比较严重。8条风化测线中,N2测线风化缩进量最大,其值约为3.853 mm,S2测线风化缩进量最小,其值约为1.289 mm,各风化测线的平均风化缩进量约为2.533 mm。对4个立面而言,每个立面两条侧线缩近量相近、风化程度一致;北立面风化缩进量最大、风化最严重,西立面次之,南立面最小;南、北立面风化缩进量最大差值2.664 mm,平均差值2.448 mm。通过监测数据对比分析烽燧4个立面的风化差异,各立面风化严重程度与遗址区风向保持高度一致,初步评价风蚀作用是造成遗址表面风化缩进量的主导因素。
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图7 风化缩进量变化曲线
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Fig.7 Weathering retraction curve
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图8 烽燧各立面风化缩进量大小变化柱状图
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Fig.8 Column chart of variation of weathering retraction amount on different facades of beacon
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3.2 冲沟病害变化规律
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冲沟监测单元位于烽燧南侧,其纵深缩进量主要受水流冲蚀和风化作用的影响,冲沟中心和两边各布置四处监测单元。冲沟中心线上四个监测单元沿中线等矩布置,自上而下依次为S3-1、S3-2、S3-3、S3-4。两边在冲沟顶部和底部各布置两个,顶部S3-5、S3-6,底部S3-7、S3-8。
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对8个冲沟监测单元的8期监测数据进行归纳,结果见图9、10。图9绘制的水流作用纵深变化量折线图是基于总体纵深缩进量减去南侧平均风化缩进量所得,南立面平均风化缩进量为1.306 mm。得到以下结果:8个监测单元中,因水流冲蚀造成的冲蚀量平均值仅为0.379 mm,最大值约为0.995 mm,均小于1 mm。冲沟的纵深缩进量受水流作用的影响小于风化作用的影响,主要原因是流水冲蚀作用有对沟头的侵蚀,也有坡面流的堆积作用。
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图9 冲沟水流作用纵向变化曲线
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Fig.9 Longitudinal variation curve of gully
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从图10可以看出,中心线对应的纵深缩进量平均值为2.009 mm,两边对应的缩进量平均值为1.341 mm,中心线与两边纵深缩进量前后相差0.668 mm,呈现“中心大,两边小”的特征。
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冲沟监测区域自上而下,可分为4个高度段,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。由图10可得4个高度段均值分别为0.827 mm、0.928 mm、0.648 mm、0.421 mm,缩进量呈“顶部大,底部小”的特征规律,这一结果与烽燧遗址立面形成的径流流通规律一致。
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图10 冲沟累积缩进量变化曲线
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Fig.10 Cumulative indentation curve of gully
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3.3 掏蚀病害变化规律
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掏蚀区发育于烽燧底部接近地面位置,东、南、西三立面均有不同程度的掏蚀区域,其中,又以东南角、西南角最为严重。现场共布设8处监测单元,东、南立面各布设3处,西立面布设2处,监测次数为8次。为方便监测结果表述,测线命名为E4,S4,W4(字母E表示东侧,S表示南侧,W表示西侧,阿拉伯数字4区别于风化测线1、2和冲沟测线3),相应的监测单元按照所在测线及测线上自左向右的顺序可命名为E4-1,E4-2,E4-3,S4-1,S4-2,S4-3,W4-1,W4-2。
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图11为掏蚀监测单元的监测结果,掏蚀的纵深缩进量相对其他病害类型较大。8处监测单元中,E4-1纵深缩进量最大,其值为4.667 mm,S4-2纵深缩进量最小,其值为2.3 mm,缩进量平均值约为3.501 mm。
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图11 掏蚀监测单元纵向变化曲线
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Fig.11 Longitudinal change curve of undercutting
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从图11按照空间角度归纳得出,东立面掏蚀区变化最为严重,平均缩进量约为4.407 mm,西立面次之,平均缩进量为3.203 mm,南立面相对轻微,其平均缩进量为2.739 mm。E4-1,E4-3监测单元位于东立面底部的两端,其纵深缩进量大于中间的E4-2监测单元,掏蚀的两端通常变化较大,中间变化较小。南立面两端的掏蚀监测单元S4-1,S4-3的纵深缩进量大于位于两者之间的S4-2监测单元。
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3.4 裂隙病害变形规律
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裂隙监测在方法上有别于其他三种病害监测,主要通过分布于裂隙两侧的控制点来确定裂隙张开度是否发生变化以及相应的变化量。共布设12处裂隙监测单元,共采集8期监测数据。裂隙测线命名为E5,S5,S6,W5(字母E表示东侧,S表示南侧,W表示西侧),相应的监测单元按照所在测线及测线上自上而下的顺序可命名为E5-1,E5-2,E5-3;S5-1,S5-2,S5-3;S6-1,S6-2,S6-3;W5-1,W5-2,W5-3。
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图12为对上述12处裂隙监测单元的8期监测结果,得到如下结论:
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1)总体而言,裂隙的张开度不大,12处监测单元中,累计张开度最大的为W5-1,其值为0.256 mm,累计张开度最小的为S6-3,其值为-0.061 mm,张开度均值为0.092 mm。
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图12 裂隙监测单元累计扩收量曲线
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Fig.12 Cumulative expansion curve of fracture
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分析其原因,克孜尔尕哈烽燧始建至今已逾2000余年,虽然烽燧体表层发育有几条明显的裂隙,但其内部结构尚且稳定,有些裂隙随温度等影响因子的影响,还出现裂隙累积扩张量略微回收现象。
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2)按空间角度归纳得出,绝大部分裂隙监测单元是横向扩张的(E5、S5、W5测线),少数呈现横向收缩现象(S6测线上的2、3监测单元);收张量变化趋势不尽相同,存在正负之别。结果出现多处扩张,少数收缩,表明裂隙的整体趋势是扩张的,但是少数几处扩张得不明显,随温度等因子,其整体扩张进程存在回收现象。
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4 结论
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1)遗址本体风化年缩进量比较大,年平均值为2.049 mm。四个立面的风化程度各不相同,北立面风化缩进量最大、风化最严重,西立面次之,南立面最小。风化缩进量的变化趋势与该地区风向、风速主要趋势一致。风蚀是风化缩进的主导因素。
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2)冲沟侵蚀缩进量病害特征为:沿中心线侵蚀量大,冲沟两侧小;顶部侵蚀量大,底部小。冲沟侵蚀对沟头的冲沟量大,在沟底主要表现为堆积受水流作用的影响小于风化作用的影响。
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3)烽燧遗址本体发育的4种主要病害中,以掏蚀病害发展速率居首。东立面掏蚀区变化最为严重,西立面次之,南立面相对轻微。掏蚀区纵深缩进量两端变化较大,中间变化较小。
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4)裂隙病害变化趋势较小:绝大部分横向扩张,少数呈现横向收缩现象,表明裂隙的整体趋势是扩张的,扩张幅度较小。
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5)通过对目前遗址发育的主要病害的发育特征分析可知,遗址病害目前不影响遗址的整体稳定性,为遗址保护措施的选择提供了有效的数据支持。
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摘要
克孜尔尕哈烽燧遗址本体发育主要病害为裂隙、掏蚀、冲沟、坍塌和片状剥蚀。为了确定病害是否危及遗址稳定,为保护工作提供有效数据支持,采用OKIO-Ⅱ光栅式三维扫描系统进行了14个月8期次的高精度病害变化特征监测。通过监测数据发现,遗址本体风化年缩进量比较大,北立面风化缩进量最大、风化最严重,西立面次之,南立面最小。冲沟侵蚀缩进量受水流作用的影响小于风化作用的影响,病害特征为:沿中心线侵蚀量大,冲沟两侧小;顶部侵蚀量大,底部小。掏蚀病害发展速率居首位,掏蚀区纵深缩进量两端变化较大,中间变化较小。裂隙病害扩张幅度较小,但绝大部分横向扩张,少数呈现横向收缩现象,整体趋势是扩张的。目前遗址发育的主要病害不影响遗址的整体稳定性,为遗址保护措施的选择提供了有效的数据支持。
Abstract
According to the main diseases of the ontology of the site of Kizilgaha Beacon Tower, the OKIO-Ⅱ grating three-dimensional scanning system was used to monitor the characteristics of high-precision disease changes 8 times for 14 months. From the monitoring data, it was found that the annual shrinkage of the site body is relatively large. The north facade suffers the largest shrinkage and the most serious weathering, followed by the west facade; the south facade has the smallest shrinkage. The effect of gully erosion shrinkage on water flow is smaller than that of weathering, and the disease characteristics are as follows: the erosion amount along the central line is large while that of the gully sides is small; the erosion amount on the top is large while that of the bottom is small. The development rate of etching disease ranks the first. The deep shrinkage in the etching area changes greatly at both ends and the change in the middle is small. Fracture disease expansion is small, but most is transverse expansion while a few show transverse shrinkage phenomena. The overall trend is expansion. At present, the main diseases developed at the site have not affected the overall stability of the site, and the research provides an effective data support for the selection of site protection measures.
